臺灣博碩士論文加值系統

傳統感測器一般採用應變計、電容、電感、壓電材料等作為調變機制或感測元件，這些傳統的方法基本都牽涉到電壓或電流的量測，所以很容易被電磁雜訊及磁場所干擾，光纖感應器則較不受電磁雜訊及磁場干擾，對於游離輻射，也可以在經輻射處理後使用，故適用於嚴格的環境要求，如核電廠中應用。
本論文是利用布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating ;FBG)為主要感測元件，利用摻鉺光纖放大器(EDFA)形成本篇論文的兩種主要架構，在兩種主要架構中，FBG分別以並聯和串聯的方式來感測溫度與應力的變化。在同時使用二個以上的FBG為感測元件時，因為較長中心波長的FBG所注入的ASE能量會高於中心波長較小的FBG，在實驗中以衰減器將注入中心波長較大的FBG的ASE能量衰減10%~15%即可同時使用兩種不同中心波長的FBG。在應力感測方面，在實驗中得知，在9.8牛頓的應力作用下，FBG的中心波長大約往長波長方向平移13.4nm；而在溫度感測方面，以中心波長為1540nm的FBG為感測元件，其溫度由10 上升至90 時中心波長由1539.455 nm平移至1540.6 nm。在兩種結構的優缺點方面，並聯式的結構中，其優點為：輸出能量較大；其缺點為：在同時並接三個以上的FBG時，因為調整能量分配不易而有相當的難度，在串聯式方面，優點為：沒有上述並聯式的能量分配的問題，十分容易得到所需結果；缺點為：輸出能量過小。這些原理與實驗架構均詳細的分析與實驗驗證，FBG將能達到更穩定、更準確的感測效果。

The traditional sensor usually used a strainometer, capacitance, inductance, piezoelectric materials, and so on to be the modulation mechanism or the sensing element. In substance, this method always involves the measure of voltages or the galvanometry, so it is easy to be interfered with electromagnetism and the magnetic field, but the fibre-optic sensor is not. The fibre-optic sensor still can be used after irradiation treated Ionizing Radiation, so it applys to strict circumstances. For example, a nuclear power plant.
This thesis utilizes Fiber Bragg Grating(FBG) in order to detect the component mainly, utilize two kinds of main structure of the shape cost page thesis of the EDFA, in two kinds of main structure, the FBG comes by way of connecting in parallel and contacting separately to detect the changes of temperature and strain. While using more than two FBG in order to detect the component at the same time, because the ASE energy that the grating of the wavelength of longer centre pours into will be higher than the FBG smaller in wavelength of centre, inject with attenuator into centre wavelength heavy ASE energy of FBG decay 10%~15% can use two kinds of different in the center FBG of wavelengths among experiment. Detect the respect in the strain, learn in the experiment, under 9.8 Newton strain function, FBG centre wavelength is probably rectangular to translation 13.4nm to the long wave; detect the respect in temperature, the wavelength of centre, for FBG of 1540nm in order to detect the component, temperature rises from 10 from 1539.455 nm translation to 1540.6 nm to wavelength of centre 90 . The analysis and experiment of these principles and experiments with detailed structure prove, FBG can reach more steady, more accurate result of detecting.

中文摘要…………………………………………………………………i
Abstract………………………………………………………………….iii
目錄…………………………………………………………...…………iv
表目錄……………………………………………………………….…vi
圖目錄…………………………………………………………………vii
第一章 序論……………………………………………………………1
1-1 前言……………………………………………………………1
1-2 光纖感測器……………………………………………………2
第二章 原理……………………………………………………………4
2-1 環型光纖雷射(Fiber Ring Laser)……………………………..4
2-2 布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Gratings) ……………………..5
2-2.1 布拉格波長……………………………………………..6
2-3 摻鉺光纖放大器（EDFA）…………………………………..9
2-4 光纖傳輸原理............................................................................15
2-4.1光纖構造………………………………………………....15
2-4.2全反射之概念……………………………………………15
2-4.3光纖種類………………………………………………...18
2-4.4光纖傳輸損失……………………………………………21
2-5 光纖感測器之分類……………………………………………25
2-5.1光纖可供感測之性質……………………………………25
2-5.2 不同的光纖感測器……………………………………27
2-6 光時域反射原理………………………………………………30
第三章 光纖光柵感測器………………………………………………33
3-1 光纖光柵的發展………………………………………………33
3-2 光纖光柵的基本原理…………………………………………38
3-3 光纖光柵的分類………………………………………………42
3-4 光纖光柵波長平移與應變及溫度的關係……………………46
3-5 光纖光柵的製作………………………………………………47
第四章 光纖光柵陣列式應力感測器之研究與實驗結果……………51
4-1 布拉格光纖光柵之環型光纖雷射……………………………51
4-2 串列式光纖光柵感測器……………………………………56
4-3 布拉格光纖光柵中心波長平移與應力之關係………………59
4-4 布拉格光纖光柵中心波長平移與溫度之關係………………66
4-5 布拉格光纖光柵的應力效力及溫度效應的數學推導………68
4-5.1 波長平移與應力的關係………………………………..72
4-5.2 波長平移量與溫度的關係……………………………..73
第五章 結論……………………………………………………………74
5-1 布拉格光纖光柵的優點………………………………………74
5-2 總結……………………………………………………………76
參考文獻………..……..…………………………………………..……78
中英文詞對照….………………………………………………………81
表目錄
表3-1各種外部寫入光纖光柵方式之比較……………………………38
表4-1 溫度變化與布拉格光纖光柵中心波長改變量一纜表.………66
圖目錄
圖2-1 布拉格光纖光柵示意圖……………………………………....…6
圖2-2 Erbium ion 於EDFA 放大器系統之放大機制能階圖…….…..11
圖2-3 史涅耳定律示意圖……………………………………….…….17
圖2-4 光在光纖中傳輸示意圖………………………………….….…17
圖2-5 三種光纖傳播路徑與折射率分圖……………………….….…20
圖2-6光射散示意圖……………………………..…………….………22
圖2-7 局部彎曲造成光損失...…………………………………..…….23
圖2-8 光纖直徑改變照成的光損失…………………………….…….23
圖2-9光纖整體彎曲造成的光損失……………………………….…..24
圖2-10 Brillouin光時域反射光纖感測器……………………………29
圖2-11 Fabry-Parot光纖感測器………………………………………30
圖2-12 典型的光時域後向散射曲線圖...…………………………….32
圖 3-1 含鍺玻璃內的GeO缺陷………………………………………34
圖3-2 K. O. Hill於1978年第一次光纖光柵實驗架構圖……………35
圖3-3 G. Meltz於1989年以側寫方式製作光纖光柵的儀器架構……36
圖3-4 K.O. Hill於1993年以相位光罩製作光纖光柵示意圖...………37
圖3-5 各種外部寫入光纖柵方法..……………………………………37
圖3-6 光柵原理示意圖..………………………………………………38
圖3-7 布拉格光纖光柵反射頻譜圖..…………………………………41
圖3-8布拉格光纖光柵穿透頻譜圖..…………………………………41
圖3-9短週期式光纖光柵工作原理示意圖..…………………………43
圖3-10 長週期光纖光柵原理示意圖…………………………………44
圖3-11外力式長週期光纖光柵..………………………………………45
圖3-12 長週期光柵側寫製作方法示意圖……………………………48
圖3-13 截面不等的週期性凹凸結構…………………………………48
圖3-14 金屬遮罩外型示意圖…………………………………………48
圖3-15 熱蒸鍍步驟示意圖……………………………………………49
圖3-16 利用微機電技術製造外力式長週期光纖光柵示意圖………49
圖3-17 取樣式光纖光柵製作示意圖…………………………………50
圖4-1 單一光纖光柵感測器架構圖…..………………………………52
圖4-2 單一光纖光柵感測器頻譜圖，Pump Power為90mW，Coupler Ratio為 ..…………………….……………………………………52
圖4-3 並列式光纖光柵架構圖..………………………………………54
圖4-4 未使用衰減器前的並列式光纖光柵感測器頻譜圖，Pump Power為90mW，Coupler Ratio為 ……………………….……………55
圖4-5 使用衰減器後的並列式光纖光柵感測器頻譜圖，Pump Power為90mW，Coupler Ratio為 ………………………………………55
圖4-6單一光纖光柵感測器架構圖……………………………………56
圖4-7單一光纖光柵感測器頻譜圖，Pump Power為90mW，布拉格光纖光柵中心波長1550nm……………………………………………57
圖4-8 串列式光纖光柵感測器之架構圖..……………………………58
圖4-9 串列式光纖光柵感測器之頻譜圖，Pump Power為90mW，布拉格光纖光柵中心波長分別為1540 nm與1547 nm..…………….…58
圖4-10 應力作用之並列式光纖光柵感測器架構圖…………………60
圖4-11 (a)、(b)應力( )由0牛頓至9.8牛頓時並列式光纖光柵感測器中心波長變化頻譜圖..………………………………………………61
圖4-12應力( )與並列式光纖光柵感測器中心波長改變量( )關係折線圖…………………………………………………………..………62
圖4-13 應力作用之串列式光纖光柵感測器架構圖…………………63
圖 4-14(a)、(b)應力( )由0牛頓至9.8牛頓時串列式光纖光柵感測器中心波長變化頻譜圖，中心波長改變量 =13 nm………………64
圖4-15 應力( )與串列式光纖光柵感測器中心波長改變量( )關係折線圖………………..………………………………………………65
圖4-16溫度作用之單一光纖光柵感測器結構圖..……………………67
圖4-17溫度作用之單一光纖光柵感測器中心波長之關係折線圖..………………………………………………………………………68
圖4-18 溫度作用之單一光纖光柵感測器中心波長改變量( )之關係折線圖..………………………………………………………………68
圖4-19 布拉格光纖光柵向量表示示意圖……………………………71

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