101EO-101903-B2-2：全光纖式多模光纖干涉儀之

0 光電工程學系 一○一學年度專題製作報告 題目：全光纖式多模光纖干涉儀之 特性分析及生醫感測應用 編號：101EO-101903-B2-2 指 導 老 師：李澄鈴 老師 學生學號∕姓名：U9823013 江采晴 U9823047詹承緯 中華民國一○二年一月十六日 1 目錄 摘要……………………………………………………………………………………2 致謝……………………………………………………………………………………3 圖目錄…………………………………………………………………………………4 第 1章、緒論 1-1研究背景……………………………………………………………………5 1-2研究動機……………………………………………………………………6 第 2章、多模光纖感測元件 2-1無芯光纖的結構與特性……………………………….…………..........……7 2-2簡介多模光纖………………………….…………………………...………...7 2-3多模光纖干涉儀感測器…………………………………..……………....….8 第 3章、耗散模式多模光纖干涉儀元件 3-1 實驗原理………..…………………………..…………………….…..……10 3-2 實驗架構……………………..…………….……….…………….….…….14 3-3 實驗結果………………..…………………………..……………….……..15 第 4章、全光纖式多模光纖干涉儀之生醫感測應用 4-1實驗原理………………………………………..………...…..…..…..……19 4-2實驗架構…….………………..………………..…………...…..….....…….21 4-3實驗結果……………………..…………………......…………..……..……22 第 5章、結論…………………………………………………………..……...….28 參考文獻…………………………………………………………...………..….……29 2 摘要 本專題研究以多模光纖為主，發展一全光纖式多模光纖干涉儀元件，並將 其應用於兩種感測應用上。第一為“耗散與傳導多模光纖干涉儀之水深感測”， 第二部分為“全光纖式多模光纖干涉儀之生醫感測”。 在第一部分實驗中，利用不同長度之無芯光纖(No-core fiber, NCF)兩端熔接 單模光纖(Single mode fiber, SMF)所製成之穿透式光纖元件。藉由 NCF對於外部 折射率改變的高靈敏度特性，量測高折射率液體(High Refractive Index Liquid: HRIL)，並將其用來此液體之液面高度感測，此 HRIL之折射率高於石英光纖 NCF， 因此元件屬於一種耗散模式之多模光纖干涉儀(Leaky-Guided Multimode Fiber Interferometer ,LG- MMFI)的感測器。 在第二部分實驗中，在NCF面均勻佈植一層很薄的葡萄糖氧化酶（Glucose Oxidase，簡稱 GOD 或 GOX），將塗有 GOD 的元件浸泡於不同濃度的葡萄糖溶 液中，葡萄糖與 GOD 會產生化學作用造成溶液折射率改變，此改變則會造成此 干涉儀頻譜的位移，利用實驗所獲得的干涉條紋位移量，便可間接測得葡萄糖的 濃度，且元件可以還原並重複使用，具有生醫感測應用價值。 關鍵詞: 無芯光纖、多模光纖干涉儀、高折射率、生化感測器、葡萄糖氧化酶 3 致謝 加入實驗後不知不覺已經過了兩年，從一開始的一竅不通，到現在的研究 小有成果，知識的累積就像在蓋金字塔一般，積沙成塔，不管我們處在哪一階段， 都要抱持著堅持不懈的精神以及對研究的熱情，努力往上爬。 做研究的期間有受過相當多人的幫助以及鼓勵，首先我要先謝謝我的父母親， 是我的父母親讓我能夠不用為了衣食煩惱，努力做好學業上的表現，當我實驗做 不出來，受到挫折的時候，我父母都會給我鼓勵！當他們鼓勵我後，我覺得自己 又充滿著力量！接下來我要感謝我的指導老師，李澄鈴老師與許正治老師，兩位 老師對於研究一直充滿著滿腔熱血，因為老師對研究的熱情，也深深的影響我， 當我遇到困難時，老師會很有耐心的和我們一起解決問題，有時候對於理論方面 不懂時，老師也會很有耐心的向我們解答，教到我們懂為止。 還要謝謝實驗室的學長，實驗室的學長姐也被老師訓練的相當厲害，每當我 們有問題，學長姐就會很熱情的替我們解決問題，而解決問題的方式則是先讓我 們思考哪裡出了問題，如果真的想不出來時，學長姐才會向我們解答。也感謝所 有幫助過我的夥伴們！因為他們，我研究的道路上不是孤獨的；因為他們，我大 學的時期是最充實的。謝謝大家！ 4 圖目錄 圖 2-1 NCF長度為1cm- MMFI穿透頻譜圖 圖 2-1 NCF長度為2cm- MMFI穿透頻譜圖 圖 2-2 NCF長度為3.2cm- MMFI穿透頻譜圖 圖 2-3 NCF長度為4.6cm- MMFI穿透頻譜圖 圖 3-4 (a)入射光波長為1500nm、外部環境折射率為1(b)入射光波長1500nm、 外部環境折射率為1.8，光軸(X=0)時的歸一化光穿透強度(c)入射光波長 為1500nm、環境折射率為1，光強度分佈數值化 圖 3-2 NCF長度為 2.6 公分之 LG-MMFI在空氣中以及填滿 1.8光學匹配油 的(FD-BPM)穿透模擬圖 圖 3-3 NCF兩端切平後，兩端各熔接一段SMF 圖 3-4實驗量測架構裝置圖 圖 3-5 NCF長度為2.6公分之LG-MMF波長位移與消光比線性適配圖 圖 3-6 NCF長度為3.4公分之LG-MMF波長位移與消光比線性適配圖 圖 3-7 NCF長度為4.1公分之LG-MMF波長位移與消光比線性適配圖 圖 4-1 NCF表面佈植一層 GOD以及滴入 Glucose(葡萄糖溶液)之元件示意圖 圖 4-2 0.4cm-NCF多模光纖干涉儀，外在不同折射率時的穿透頻譜圖 圖 4-3 NCF外部佈植一層葡萄糖氧化酶 圖 4-4實驗量測架構裝置圖 圖 4-5 (a)NCF長度1cm、PH7改變葡萄糖濃度頻譜圖(b)波長接近1260 nm的線性 適配圖 圖 4-6 NCF長度為1cm，濃度從1 mg/dL到400 mg/dL時頻譜的位移量 圖 4-7 NCF長度為2cm，濃度從1 mg/dL到400 mg/dL時頻譜的位移量 圖 4-8 NCF長度為3.2cm，濃度從1 mg/dL到400 mg/dL時頻譜的位移量 圖 4-9三種不同長度NCF頻譜位移量的線性適配比較圖 圖 4-10 NCF長度為2cm，不同PH值其頻譜位移量的線性適配比較圖 5 第1章 緒論 1.1 研究背景 光纖技術的發展始於通訊上的需要，隨著低損耗光纖的研製成功，藉由光 纖來傳遞資訊才達實用化的階段。光纖因其直徑小，質輕，柔軟可彎曲及不受電 磁干擾等優異特性，已被廣泛應用於各種通訊領域中。然而，直至1980 年代， 光纖技術才正式跨入感測器的市場。由於光對於微細變化的靈敏度比傳統的電子 感測器高出許多，利用光纖及光纖元件來進行分布式感測，一直是眾人注目的研 究焦點。因為光纖感測器的技術近年才趨於成熟，所以市場以特殊應用領域為主。 尤其在軍事、航太工業及高溫等惡劣環境的應用頗為廣泛，而最近在醫療領域的 發展也頗受矚目。光纖感測具有不受電磁干擾、質量輕、耐久性、不易被腐蝕、 損耗率低、體積小、寬頻、信號易於傳輸等優點，因此利用光纖來感測應變、溫 度、壓力、電流、氣體等變化的應用也不斷地開發出來。西元1978年，Butter和 Hocker發表光纖應變感測器後，光纖感測器技術應用於智慧光纖型結構變成為世 界發展趨勢。 1.2研究動機： 由於全光纖式多模光纖干涉儀的研究日益蓬勃發展，諸多不同的組成以及智 慧化之結構也相繼被提出，目前已經發展成許多具實用價值的元件，由於其製程 十分簡單、成本低廉、高度的靈敏性和溫度穩定性，因此廣泛的應用在生物醫學 感測、化學感測、以及各類物理參數的感測上[1-10]。全光纖式多模光纖干涉儀 被有效的運用於檢測溫度[2]、外在折射率[3]、微量位移[4]、壓力[5]、液面高度 [6]和其他特性[7-10]的應用。全光纖式多模光纖干涉儀的結構通常是使用單模光 纖熔接一段無芯光纖或是多模光纖(Multimode fiber, MMF)。近年來，一般以光纖 主體的感測元件，如光纖光柵型、熔拉光纖，以及各式各樣的光纖元件，這些元 6 件都含有一些共同的缺點，包含製程困難、成本高、製程所需的儀器昂貴，以及 元件不易保存、易損毀等等的問題，因此在此研究中，我們提出了以無芯光纖為 主的光纖感測元件，無芯光纖不論是對於環境的改變、外在的折射率、彎曲或是 溫度都具有相當高的靈敏度，且無芯光纖具有材料便宜、不易斷裂、容易製造等 優點。 本專題分為兩部份研究，第一部份為耗散模式多模光纖干涉儀，用來測量 液體的液面高度，而現今文獻上的光纖感測器皆是測量折射率低於光纖折射率 的液體液面高度，無法用來量測折射率高於光纖折射率的液體液面高度，因此 我們提出一個感測器，基於多模光纖干涉儀的耗散模式測量折射率高於光纖折 射率的液體液面高度。第二部份實驗為全光纖式多模光纖干涉儀之生醫感測， 由於糖尿病為目前國人常見的一種慢性疾病，更是國人十大死因前五名之一， 預防以及延緩糖尿病的首要治療方式即是精密血糖控制，而良好的血糖控制主 要仰賴規律的血糖濃度測試，現今的血糖檢測儀器主要採用微電流電極式反應， 不僅成本高、製程複雜，再加上血糖試紙容易受潮與過期，其實是會耗費許多 醫療的資源，有鑑於血糖濃度檢測之重要性，因此開發價格便宜、可重複量測、 方便精密以及即時的血糖感測元件將是十分重要的議題，因此我們提出了另一 種感測器，用來測量葡萄糖溶液內的葡萄糖濃度。 有鑑於上述兩種研究動機，本專題提出並開發此全光纖式多模光纖感測器， 藉由NCF對於外部折射率的高靈敏特性而做兩種感測應用，分別是測量高折射率 液面的高度以及血糖的濃度檢測。 7 第 2 章 多模光纖感測元件 2-1 無芯光纖的結構與特性 無芯光纖(NCF)和多模光纖的差異，在結構上的差異就在於有無纖芯。在 本專題研究中所使用的是直徑為125μm的NCF，與一般多模光纖的纖殼直徑大小 是一樣的；不同的地方則是因為沒有纖芯所以會在整個NCF的部分進行導光；而 一般多模光纖則是在折射率較高的纖芯裡面進行傳播，此處可以得知光在NCF 傳輸時，各個高階模傳播情形皆與環境邊界條件有關。然而傳播於一般多模光纖 時的情況下，光波卻是被限制在纖芯裡面而不容易與外界的環境有所接觸，因此 無芯光纖對折射率的改變具有相當靈敏的特性。 2-2 多模光纖干涉儀感測器 多模光纖干涉儀感測器最常見的結構為，在單模光纖中間熔接一段無芯光 纖或多模光纖所製成之多模光纖干涉儀(Multimode Fiber Interferometer)並且可用 作相關感測之應用。本專題所使用之多模光纖干涉儀的干涉機制是基於自我成像 理論，此感測器可以用於量測(1)高於(2)低於以及(3)折射率匹配的環境物質。基 於此元件的光學特性，當元件外在包覆一層不同折射率介質，而可以在寬頻波域 上同時讓元件具有上述三種光學特性時，此感測特性將會特別的靈敏[11]。 2-3 簡介多模光纖干涉儀 多模光纖干涉儀是依據自我成像原理(Reimaging Theory)，讓輸入NCF的導光 有許多的模態在裡面進行干涉，在多模干涉的自我成像原理主要是以 L. B. Soldano[12]等人提出完整的探討與分析。 8 MMFI的工作原理主要是許多模態之間產生的干涉現象，而在波導結構中會 形成另一種自我成像的原理，在給予入射場於NCF後會激發出許多的高階模態， 這些模態會沿著自己的傳播方向並因模場的疊加形成互相的建設/破壞性干涉， 在某些固定的週期會產生最大建設性干涉形成自我成像的點。而常見的多模光纖 干涉儀元件結構為SMF熔接一段 NCF 或 MMF，其干涉的機制為即根據光在 NCF或MMF區域中傳播的自我成像理論。 多模光纖干涉儀是近年來不斷在發展與研究的被動元件之一，在2003年Alok Mehta [13]等人先提出了利用MMFI作為微小間距的量測，並利用有限差分光束 傳播法(Finite-Difference Beam Propagation Method， FD-BPM) 進行光束模擬與 分析，來達到元件欲求的最佳化長度。由於光在多模光纖(Multimode fiber: MMF) 中，會由一基態的光擴散成許多高階模態，在MMF的內部來回反射傳播，產生 由許多模態疊加而成一連串的建設或破壞性干涉的條紋，並在一定距離以後會產 生自我成像(Re-imaging)的光點。 以MMFIs為機制的K. Oh[14]等人利用純矽的無芯光纖，對環境的折射率改 變做了一些量測，NCF為MMF的其中一種規格，也是此研究計畫所使用元件的 光纖種類， K. Oh這篇的元件是前後兩端選用規格為纖芯(Core)與纖殼(Cladding) 直徑分別為50μm和125μm的MMF中間熔接一段NCF。主要作用感測範圍仍在 NCF的部分，在其外部滴上不同折射率液體後偵測光頻譜的變化。在此部分，元 件對於折射率在1.3到1.44的靈敏度極高，此範圍則正是現在熱門的生化感測會應 用到的折射率範圍。 9 多模光纖干涉儀元件，其穿透頻譜會隨著熔接不同長度的NCF而改變，下圖 2-1到圖2-4為不同長度的NCF元件，其在空氣中所量測到的穿透頻譜。 圖 2-1 NCF長度為1cm- MMFI穿透頻譜圖 圖 2-2 NCF長度為2cm- MMFI穿透頻譜圖 1300 1400 1500 1600 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 Wavelength (nm) T ra n sm is si o n ( d B ) 1300 1400 1500 1600 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Wavelength (nm) T ra n sm is si o n ( d B ) 10 圖 2-3 NCF長度為3.2cm- MMFI穿透頻譜圖 圖 2-4 NCF長度為4.6cm- MMFI穿透頻譜圖 1300 1400 1500 1600 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 Wavelength (nm) T ra n sm is si o n ( d B ) 1300 1400 1500 1600 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Wavelength (nm) T ra n sm is si o n ( d B ) 11 第 3 章 耗散與傳導多模光纖干涉儀之水深感測 3-1實驗原理 多模光纖干涉儀最常見的元件結構為 SMF 熔接一段 NCF 或 MMF，其干 涉的機制為根據光在 NCF 或 MMF 區域中傳播的自我成像理論。全光纖式多模 光纖的干涉機制為根據自成像理論，當光經過一段 SMF部分後開始進入到 NCF 的部分，一開始傳遞的基模會激發出許多的高階模態，這些模態經由內全反射 (Internal total reflection)造成波的疊加，匯聚後形成完全或非完全之建設/破壞性 干涉，此完全建設性干涉之機制即是基於自我成像的理論。由於界面菲涅爾反射 (Fresnel Reflection: RF)之故，自我成像理論仍然適用於耗散模式之光纖波導，即 使外部環境折射率遠高於石英光纖 NCF 的折射率仍可產生建設與破壞性之干涉 光譜。 然而，文獻上，已有人提出反射式多模光纖干涉儀研究皆為針對外部環境折 射率低於石英光纖的折射率液體之液面感測研究，本研究提出基於耗散模式之多 模光纖干涉儀，進一步應用於測量高折射率液體之液面高度，特別是其液體折射 率高於石英光纖的折射率。對於耗散模式模態的干涉特性，以及多模光纖干涉儀 建設性/破壞性干涉特性的最佳化長度研究，至今仍無相關的論文發表過。因此 本研究提出，基於耗散模式之多模光纖干涉儀耗散模式的干涉機制，並將其實際 應用於液面高度量測，特別是液體折射率高於石英光纖的液體材料。 12 基於自我成像理論，這段 NCF可以做為一個「透鏡」的效果，使光在 NCF 區域內傳播時，其光強度的分佈收斂在光軸上某些點並有週期性的變化。而圖 3-1 為利用數值有線差分光束傳模模擬(FD-BPM)，模擬光在 NCF 內傳播時的光 強度分佈，並且改變環境得折射率，探討當環境折射率改變時，MMFI光強度的 變化。 從圖3-1(a)光軸X=0時延光軸的光強度分佈也可以約略看出建設與破壞性的 光譜效應。圖 3-1 (b)為在波長為 1500nm，外在折射率為 1.8 的光學匹配油時， 沿光軸的光強度分佈情形。而圖 3-1 (c)為數值有限差分光束傳播計算當入射光波 長為 1500nm，外部環境折射率為 1時， NCF在長度為 2.2公分到 4.2公分之間 NCF內的光強度分佈，由圖中的結果可知，當入射光在波長為 1500nm 時，NCF 的長度分別為 2.6公分、3.4公分，以及 4.1公分時會產生相對較強破壞性干涉， 表示許多纖殼模在此位置時疊加後的強度最低，因此本專題選用此三種長度元件 做高折射率液體液面高度之水深感測，從此圖可以看出，不同模態的振幅和相位 波的疊加，會造成不同波的建設性/破壞性干涉。當 NCF外部填滿高折射率介質 時，由於耗散機制，反射回 NCF 的光能量會大量的減少，干涉的強度也相對削 減許多，因此干涉現象不明顯，深度也會逐漸變淺。 13 圖 3-1 (a)入射光波長為 1500nm、外部環境折射率為 1 (b)入射光波長 1500nm、 外部環境折射率為1.8，光軸(X=0)時的歸一化光穿透強度(c)入射光波長1500nm、 環境折射率為 1，光強度分佈數值化 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 -50 -40 -30 -20 -10 0 Z (cm) L a u n c h p o w e r (d B ) ~ 4.1cm ~ 3.4cm ~ 2.6cm (a) (b) (c) 14 圖 3-2 NCF長度為 2.6 公分之 LG-MMFI在空氣中以及填滿 1.8光學匹配油 的(FD-BPM)穿透模擬圖 由圖 3-2的模擬計算發現，當我們將 NCF用 1.8 折射率的光學匹配油填滿整 個 NCF外部時，當液體液面高度增加，其干涉消光比確實會變差且約略往短波 長移動，其模擬結果和實驗結果確實相同，見實驗結果的圖 3-5到圖 3-7。實驗 結果中，穿透頻譜讀數可準確的由光譜儀(Optical Spectrum Analyzer, OSA)量測， 隨著液面高度的增加，當 NCF逐漸的浸泡在高折射率液體中，干涉 dip 會漸漸 往短波長移動，且干涉 dip 之損耗會漸漸的減小。 1400 1450 1500 1550 1600 -25 -20 -15 -10 -5 Wavelength (nm) T ra n sm is si o n ( d B ) Air 1.8 15 3-2實驗架構 本實驗是利用不同長度之 NCF，兩端熔接 SMF所製成之穿透式光纖干涉 儀元件，其示意圖如圖 3-3所示。 圖 3-3 NCF兩端切平後，兩端各熔接一段 SMF 利用製成的穿透式光纖元件量測液面高度，液體選用折射率為 1.8的光學匹 配油(Refractive index oil)，元件置於針頭內，SMF一端連接到寬頻光源(Wild Band Light Source, WBLS, wavelength region 1250nm~1650nm, Spectral Power Density > -26dB/nm)，另一端接到光譜儀，如圖 3-4所示。 圖 3-4實驗量測架構裝置圖 16 3-3結果與討論 實驗量測結果的如圖 3-5到圖 3-7所示，圖 3-5到圖 3-7分別為 NCF長度為 2.6公分、3.4公分以及 4.1公分之耗散模式多模光纖干涉儀在波長約 1550nm 的 位移以及消光比的線性適配圖，插圖為液體液面高度逐漸增加時，其穿透頻譜， 插表分別為位移以及消光比的靈敏度斜率。當高折射率液體的液面接觸到 NCF 長度的範圍內，此波長 dip 漸漸往短波長的位移呈現相當線性的結果。 在消光比方面，由於液體的液面高度逐漸增加，將會造成越來越多的入射 光損失而散到外界，反射光也因為外界的高折射率而產生的相位差，因此改變 光波的疊加效應，所以當液體的液面高度逐漸的升高，干涉消光比也隨之變化， 對於高階模態的情況下，不再經歷全內反射，因此在 NCF傳輸的光會變弱，但 仍因菲涅爾(Fresnel)反射造成波的疊加與干涉，而這種情況則被稱為耗散模式的 波導傳輸機制。當外在的折射率(n3)充分的高於石英光纖的折射率(nsi)，耗散模式 的傳播仍具有的干涉特性，高的菲涅爾(Fresnel)反射對於波的疊加模式生成，仍 然可以達到高消光比的干涉 dip 以利監控。 由圖 3-5到圖 3-7 的插圖我們可以發現，圖 3-2 的 FD-BPM 計算出結果是可 信的，當我們改變外在折射率，並且隨著液體液面高度的增加，其消光比也會逐 漸的減小，這是因為原先所選的 NCF長度是造成 dip 最深、消光比最大的破壞 性干涉長度，可從圖 3-5到圖 3-7的插圖得知，此三種長度在入射光波長約為 1500 nm 時，由於自我成像理論，造成波的疊加並產生完全破壞性干涉。不論是頻譜 的位移量還是消光比損耗的線性適配圖，兩者都呈現相當線性的趨勢，破壞性 dip 的光學參數、λp以及穿透能量的改變，歸因於模場內波的疊加，當外在介質 高折射率液體完全浸泡在 NCF外部，雖是耗散形式，其疊加之光程差(OPD)也會 造成改變而使波長 dip 有所位移。 17 接著由圖 3-5到圖 3-7 的插表，我們進而比較三種長度對於耗散模式多模 光纖干涉儀之水深感測的影響，從頻譜位移量以及消光比的線性適配圖斜率可以 明顯看出，2.6 公分較 3.4 公分以及 4.1 公分來得靈敏，長度越短波長位移越大， 造成此結果的原因可能為NCF自我成像理論的影響，由於NCF的自我成像理論， 其建設性/破壞性干涉會有週期性的變化，當 NCF 長度固定時，波域的干涉條紋 越稀疏，故元件的波長的位移變化、消光比的變化趨勢較明顯，因此 NCF 長度 越短則越靈敏，但是量測範圍則較差。由圖 3-5 到圖 3-7 可以看出，液體的高度 只有在觸及 NCF 的纖殼周圍時才會造成其頻譜的改變，低於 NCF 與高於 NCF 高度的情況，則是無波長位移發生。 圖 3-5為 NCF長度為 2.6公分之 LG-MMF波長位移與消光比線性適配圖，插圖 為隨著液面高度升高時的頻譜圖，插表為波長位移與消光比線性適配的靈敏度 0 10 20 30 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 High RI liquid level (mm) W av el en g th s h if t (n m ) 0 10 20 30 0 5 10 15 20 25 30 E x ti n ct io n r at io ( d B ) 1480 1500 1520 -30 -20 -10 T ra n sm is si o n ( d B ) Wavelength (nm) L=2.6 cm Slope Wavelength shift -0.3308 (nm/mm) Extinction ratio 0.7115 (dB/mm) 18 圖 3-6為 NCF長度為 3.4 公分之 LG-MMF波長位移與消光比線性適配圖，插圖 為隨著液面高度升高時的頻譜圖，插表為波長位移與消光比線性適配的靈敏度 圖 3-7 為NCF長度為4.1公分之LG-MMF波長位移與消光比線性適配圖，插圖為 隨著液面高度升高時的頻譜圖，插表為波長位移與消光比線性適配的靈敏度 -10 0 10 20 30 40 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 Hight RI liquil level(mm) W a v e le n g th s h if t (n m ) -10 0 10 20 30 40 0 5 10 15 20 25 30 E x ti n c ti o n r a ti o ( d B ) 1480 1500 1520 -30 -20 -10 T ra n sm is si o n ( d B ) Wavelength (nm) L=3.4 cm Slope Wavelength shift -0.3196 (nm/mm) Extinction ratio 0.648 (dB/mm) -10 0 10 20 30 40 50 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 High RI liquid level (mm) W av el en g th s h if t (n m ) -10 0 10 20 30 40 50 0 5 10 15 20 25 30 E x ti n ct io n r at io ( d B ) 1480 1500 1520 -30 -20 -10 T ra n sm is si o n ( d B ) Wavelength (nm) L=4.1 cm Slope Wavelenfth shift -0.2684 (nm/mm) Extinction ratio 0.3409 (dB/mm) 19 本專題分析多模光纖干涉儀，並基於耗散模式的干涉機制，且實際的應用 在高折射率液體的液面感測上，此元件的光學特性是根據光學之光波疊加造成光 程差改變而形成建設性/破壞性干涉條紋並進行條紋位移的監控。實驗結果顯示， 即便是高折射率液體的液面亦可以量測，且感測結果具有相當線性的結果，解決 了一般無法量測折射率高於光纖的感測器缺點，不僅如此，本元件製造過程相當 容易，價格低廉，只需簡單的熔接一段不同長度的 NCF即可形成全光纖式感測 元件，不需對光，可長距離監控，它也可以因熔接不同的長度的 NCF而提供一 個更有彈性的量測範圍，並進行相當多方面的感測應用。 20 第 4章 全光纖式多模光纖干涉儀之生醫感測應用 4-1實驗原理 此研究利用不同長度之NCF兩端熔接單模光纖製成之穿透式光纖干涉儀元 件，並且在 NCF表面佈植一層 GOD，這部分我們將與元智大學光電系許正治老 師合作，利用化學製程方式，將 NCF置於培養皿中，使 GOD能夠均勻的佈植在 NCF的外部。 整體的元件如圖 4-1 所示，當光經過一段 SMF 後開始進入到 NCF 的部分， 一開始傳播的基模(Single Mode)便開始激發許多的高階模態，並在NCF中傳播， 這些高階模之消逝場對外界折射率有靈敏的特性，當改變環境折射率時，光場會 存在 Cladding 與環境中，可能會有部分的光散出到環境中，一部分藉由內全反 射回 NCF 元件內，最後再由末端的 SMF 接收所偵測到的穿透頻譜，如下圖 4-1 所示。當含有不同濃度的葡萄糖溶液與NCF外部的葡萄糖氧化酶完全反應之後， 因含有葡萄糖的濃度不同，反應後產生的化學產物濃度也不同，故折射率也會不 同。如圖 4-2 所示，固定長度的 NCF，因為外部不同的折射率故造成頻譜圖的位 移，因此我們可以利用所知道頻譜的位移量來間接量測葡萄糖溶液的濃度。 圖 4-1 NCF表面佈植一層 GOD以及滴入 Glucose(葡萄糖溶液) 之元件示意圖 21 圖 4-2 0.4cm-NCF多模光纖干涉儀，外在不同折射率時的穿透頻譜圖 葡萄糖氧化酶其命名為 β-D-葡萄糖氧化還原酶，它能高度專一地催化 β-D- 葡萄糖與空氣中的氧反應使葡萄糖氧化成為葡萄糖酸和過氧化氫。此酶廣泛分布 於植物、動物、以及微生物體內，工業上主要是利用黑曲霉和青霉屬菌株發酵生 產。 做為一種新型酶制劑，由於 GOD 具有去葡萄糖、殺菌、脫氧等特性且安全 無毒副作用，因此在醫學檢測上和食品加工上都有廣泛的應用。葡萄糖氧化酶是 一種非常穩定且針對性高的酵素，不會與其他糖類起化學作用，因此葡萄糖氧化 酶只會檢測出血液中葡萄糖的濃度，不受其他糖類物質所影響。葡萄糖氧化酶的 學名為：β-D-glucose: oxygen 1-oxidoreductase, EC1.1.3.4，能將葡萄糖(Glucose) 氧化成葡萄糖酸(Gluconic acid)和過氧化氫(Hydrogen peroxide)，化學變化將造成 折射率改變，如下化學式(4-1)。 Glucose + O2  GOD gluconic acid + H2O2 (4-1) 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 Wavelength(nm) T ra n sm is si o n (d B ) Air 1.36 1.39 1.41 1.43 1.44 1.452 22 葡萄糖酸(化學式：C6H12O7)，是葡萄糖的醛基經氧化生成的糖酸，無色結 晶、弱酸性、可溶於水。常用做蛋白凝固劑、食品防腐劑和食品酸度調節劑， 天然存在於水果、紅酒、蜂蜜。 過氧化氫(化學式：H2O2)，俗稱雙氧水，化性極不安定，遇光、熱、重金屬、 粗糙表面及其他雜質均會引起分解，同時放出氧和熱，為強氧化劑，一般以 30% 或 60%水溶液形式存在。過氧化氫具有很強的氧化性，且具弱酸性。過氧化氫可 用於製造有機或無機的過氧化物、殺菌劑、漂白劑，也是理想的污染控制劑。 4-2實驗架構 多模光纖干涉儀之生醫感測元件製作的過程和上一部分實驗相同，同樣為取 一段 NCF兩端熔接 SMF，所製成之三明治結構的多模光纖干涉儀元件，相較於 耗散模式之多模光纖干涉儀元件的不同，本實驗在 NCF表面均勻佈植一層葡萄 糖氧化酶，如下圖 4-3，當 NCF外部滴入不同濃度之葡萄糖溶液，當葡萄糖氧化 酶與葡萄糖溶液中之葡萄糖完全反應之後，NCF的外部折射率產生了改變，此 改變將會造成干涉頻譜的位移。 圖 4-3 NCF外部佈植一層葡萄糖氧化酶 23 整體實驗架構圖，SMF一端連接到寬頻光源(Wild Band Light Source, WBLS, wavelength region 1250nm~1650nm,Spectral Power Density > -26dB/nm )，另一端 接到光譜儀(Optical Spectrum Analyzer, OSA)，如圖 4-4所示。 圖 4-4 實驗量測架構裝置圖 24 4-3實驗結果 在第一部份實驗中，選用 NCF長度為 1cm，葡萄糖氧化酶酸鹼值為 7 (PH7) 的元件，接著改變葡萄糖溶液的濃度，從 1 mg/ dL逐漸增加到 400 mg/ dL時， 發現頻譜有明顯的位移，如下圖 4-5 (a)所示，從頻譜上可以發現，在波長接近 1260 nm 時，有一根很深的 dip，且有相當明顯的頻譜位移，對此結果做數據的 分析，在接近波長 1260 nm 附近的 dip做線性適配，其線性適配的結果如下圖 4-5 (b)所示。 圖 4-5(a)NCF長度 1cm、PH7改變葡萄糖濃度頻譜圖(b)波長接近 1260 nm 的線性 適配圖 實驗結果發現濃度從 1 mg/dL到 400 mg/dL頻譜的位移量呈相當線性，因此 我們可以利用此線性適配的結果，將此元件實際的應用在測量人體內所含的血糖 濃度。 0 100 200 300 400 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Concentration (mg/dL) W av el en g th s h if t (n m ) 1250 1260 1270 1280 -35 -30 -25 -20 -15 Wavelength (nm) T ra n sm is si o n ( d B ) 400mg/dL1 mg/dL (b) (a) 25 經由第一部分發現當濃度改變時頻譜確實會位移，因此在實驗的第二部分， 我們想瞭解不同長度的 NCF會不會影響實驗量測的精準度，因此我們準備了三 種不同長度的 NCF元件，並化學培養附上一層葡萄糖氧化酶，並且確保葡萄糖 氧化酶可以固定在無芯光纖的表面，而三種不同的長度分別為 1cm、2cm、3.2cm， 其穿透頻譜分別如下圖 4-6到圖 4-8所示，從圖 4-6到圖 4-8可以發現，長度越 短的元件其位移較明顯，接著我們對三種長度做線性適配的比較圖，比較 NCF 不同長度所造成的影響，如下圖 4-9所示。 圖 4-6 NCF長度為 1cm，濃度從 1 mg/dL到 400 mg/dL時頻譜的位移量 1250 1260 1270 1280 -35 -30 -25 -20 -15 Wavelength (nm) T ra n sm is si o n ( d B ) L=1 cm 1 mg/dL 400 mg/dL 26 圖 4-7 NCF長度為 2cm，濃度從 1 mg/dL到 400 mg/dL時頻譜的位移量 圖 4-8 NCF長度為 3.2cm，濃度從 1 mg/dL到 400 mg/dL時頻譜的位移量 1550 1555 1560 1565 1570 1575 1580 -30 -25 -20 -15 Wavelength (nm) T ra n sm is si o n ( d B ) L= 2cm 1 mg/dL 400 mg/dL 1495 1500 1505 1510 1515 1520 1525 -12 -11.5 -11 -10.5 -10 -9.5 -9 -8.5 Wavelength (nm) T ra n sm is si o n ( d B ) 1 mg/dL L=3.2 cm 400 mg/dL 27 圖 4-9三種不同長度 NCF頻譜位移量的線性適配比較圖 從圖中線性適配的結果可以發現，發現 NCF長度越短，其靈敏度較佳、波 長位移量較大，因此 NCF長度越長越不靈敏；長度越短則越靈敏。造成此結果 的原因亦是由於 NCF 內自我成像理論的影響，由於 NCF的自我成像理論，其建 設性/破壞性干涉會有週期性的變化，當 NCF長度固定時，波域的干涉條紋越稀 疏，故元件的波長的位移變化、消光比的變化趨勢較明顯，因此 NCF長度越短 則越靈敏。 0 100 200 300 400 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Concentration (mg/dL) W av el en g th s h if t (n m ) 1cm 2cm 3.2cm 28 第三部分實驗中，我們想知道葡萄糖氧化酶其酸鹼值對實驗測量的影響，因 此我們改變葡萄糖氧化酶的酸鹼值，酸鹼度從 PH=4 到 PH=9，而滴入的葡萄糖 液體酸鹼度固定在 PH=7，濃度從 1 mg/dL到 400 mg/dL，實驗結果的線性適配 圖，如圖 4-10。 圖 4-10 NCF長度為 2cm，不同 PH值其頻譜位移量的線性適配比較圖 如圖 4-10，不同 PH值的葡萄糖氧化酶其頻譜的靈敏度亦不同，由圖 4-10 可明顯的看出，酸鹼值接近中性其靈敏度較好，且 PH6其靈敏度優於 PH7，造 成這種結果的原因是由於酸鹼度匹配的問題，若葡萄糖溶液的酸鹼度和 NCF上 葡萄糖氧化酶的酸鹼度一致時，其反應較靈敏，而葡萄糖氧化酶建議使用的酸鹼 度是在 PH 6.8到 PH 7.5 之間，偏弱酸較好。因此，理論上，在酸鹼度不匹配的 條件下，偏酸的葡萄糖氧化酶會出現較好的靈敏度。 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Concentration (mg/dL) W av el en g th s h if t (n m ) PH4 PH5 PH6 PH7 PH8 PH9 GOD PH Sensitivity(nm/(mg/dL)) 0.001375 0.00225 0.0035 0.003 0.00215 0.0013 29 第 5章 結論 在“耗散與傳導多模光纖干涉儀之水深感測”實驗中，基於耗散機制的多 模光纖干涉儀可以實際的應用在測量高折射率液體的液面高度，具有多元的應用 價值，實驗結果發現長度(NCF)較短的耗散模式多模光纖干涉儀，其靈敏度比 NCF 長度長的元件來得靈敏。本元件製造過程相當容易，只需要熔接一段不同 長度的 NCF 即可形成全光纖式感測元件，不需對光並且可以簡單、便捷以及即 時的量測高折射率液體的液面高度之改變，此元件可量產並可藉由熔接不同長度 的 NCF，提供一個更有彈性的液面高度的量測範圍。 在“全光纖式多模光纖干涉儀之生醫感測應用”實驗中，實驗結果顯示，長 度越短的 NCF及偏弱酸的葡萄糖氧化酶，其靈敏度較高。此感測器利用 NCF對 於外在介質折射率的靈敏特性，加上葡萄糖氧化酶對葡萄糖之化學反應產生溶液 折射率改變的特性，開發出全光纖式多模光纖干涉儀之生醫感測應用，用於測量 葡萄糖溶液中的葡萄糖的濃度，經過加以封裝後更可實際的應用於測量人體內血 糖的濃度。 目前，全光纖式多模光纖干涉儀之各類的感測應用相關論文其實不多，實驗 結果說明此多模光纖干涉儀是一種非常簡單製作，價格低廉，且可重複使用之全 光纖元件，深信此所提元件在未來應會有更廣的研究議題可以深入探討。 30 參考文獻 [1] L. 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