光電的應用：智慧型光纖光柵感測系統
94/02/05
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彭朋群｜
交通大學光電工程研究所
賴暎杰｜
交通大學光電工程研究所
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，隨著光纖通訊的蓬勃發展，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。光纖感測具有不受電磁干擾、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、氣體等變化的應用便不斷地開發出來。特別是近年來在土木工程等領域，有許多人大力探討使用光纖感測系統來實現智慧型土木結構的可行性，也為智慧型光纖光柵應變感測系統的發展注入了強烈的驅動力。
智慧型土木結構科技的發展趨勢，主要是把光纖光柵感測器埋入或黏貼在結構物中，藉以監測結構體的應變行為。這種方法對於監測結構體的狀態與老化的進展非常有用，例如橋梁、公路、水壩、管線、隧道及房屋結構等，都可以在建造時就埋入或者在表面上黏貼光纖光柵感測器，以作自我監測。
最近研究人員已開發出智慧型土木工程系統，例如交通大學的研究團隊是把光纖感測器埋放在土木結構中。此外，研究人員發現一般的光纖感測系統已無法因應現今的大型土木工程結構，因此開發遠距離高容量的光纖光柵感測系統，是目前亟待解決的問題。
除此之外，由於光纖斷裂或是光纖元件損毀都會使光纖感測系統失效，而這些意外在施工過程中是很常見的，也對光纖感測系統的應用造成很大的影響。因此，發展高可靠度的光纖感測網路便有非常迫切的需求，而如何使光纖感測網路具有偵錯、容錯，及自動切換路由的智慧型功能，也成為亟待研究的重要課題。
光纖光柵感測器的原理
在傳統的光纖光柵應變感測系統中，寬頻光源（即具備很多光波長分量的光源）輸出寬頻光，經過一對二光耦合器到達光纖光柵感測器。這裡所謂的光纖光柵是一小段的特殊光纖，光纖核心內具有周期性變化的折射係數。由於周期性折射係數變化的結構會產生所謂的布拉格繞射效應，入射光中光波長與光纖光柵的布拉格波長相同的分量會被光纖光柵反射，所以藉由偵測這反射光的波長，就可得知光纖光柵的布拉格波長。
而布拉格波長會隨著光纖等效折射率與光柵周期改變，在一般情形下，光纖光柵的布拉格波長移動大小與應變量成一線性關係。因此，藉由一對二光耦合器接上波長監測器來量測布拉格波長的變化，便可得知感測物體所受到的應變。
在光纖光柵感測系統中，寬頻光源大多使用雷射二極體或摻鉺光纖放大器。然而當光源經過光柵反射到達波長監測器時，通常已經十分微弱，使得光柵可布放的範圍、距離、數目大幅受限於寬頻光源的輸出功率。另外，由於感測系統是藉著偵測光纖光柵的反射波長來決定應變量，只要光纖光柵不同，反射光波長就不會互相重疊，我們也就不會搞混，從而可以同時偵測多個光纖光柵應變感測器。這種技術就稱為分波多工技術，可藉它增加系統感測點的數目。
遠距離光纖光柵感測系統
由於拉曼放大器展現出許多優異的性能，讓其他光放大器難以望其項背，所以最近幾年拉曼光纖放大器在光纖通訊上的應用被熱烈地討論著。
例如英國帝國學院的研究團隊，量測出拉曼光纖放大器可以到達1.4瓦的飽和輸出功率，幫浦與訊號功率轉換效率約為50％。日本古河電器公司（Furukawa Electric Co.）的研究團隊，則已經利用拉曼光纖放大器及數個波長的拉曼幫浦，來產生一百奈米平坦的增益頻寬（0.8奈米的波長改變約等於100 GHz的光頻率改變）。美國北電網絡公司（Nortel Network）的研究團隊，更是利用拉曼光纖放大器來產生58個波長的多波長雷射，波長間距是50 GHz 。
由於拉曼光纖放大器具有許多優異的特性，交通大學的研究團隊也提出一個新的拉曼光纖雷射架構，應用在遠距離光纖光柵感測系統上，這應是世界上第一個把拉曼放大器應用在光纖感測上的成果。這光纖雷射是由拉曼光纖放大器、光纖反射鏡與光纖光柵組成，其中的光纖反射鏡是使用二對二光耦合器與光偏極控制器組成，可以等效為一個寬頻的光纖反射器。拉曼光放大器則是由康寧公司25公里長的LEAF光纖與330毫瓦的拉曼幫浦組成，而拉曼幫浦的輸出波長是1,450奈米。
當拉曼幫浦開啟時，光纖光柵的感測訊號會在光纖反射鏡與光柵間來回反射與放大，並使雷射發光，由光纖反射鏡的另一端可以得到感測訊號，它的訊號訊雜比在50 dB以上。當感測用的光纖光柵的布拉格波長改變時，光譜的波長讀數也隨之改變，可以證實系統感測距離遠達25公里的可行性。預期未來使用多波長的拉曼幫浦後，可以開發出超過50點以上的遠距離光纖感測系統。
光強度與分波多工的光纖光柵感測系統
由以上的介紹可以發現在分波多工的系統中，光源的頻寬會決定整個感測系統的最大容量，因此如何突破分波多工系統的限制來進一步提升光纖感測系統的感測數目，一直是熱門的研究題目。最近幾年，一些可以與分波多工系統架構結合並提升系統感測數目的技術，也陸續被提出，例如分時多工、分頻多工或分碼多工等，然而這些系統無論在光路與電路的架設上都十分複雜。
底下介紹一種較簡單的架構，可有效地把分波多工感測系統的容量提升三倍，而且由於使用環形光纖雷射的架構，具有高功率輸出與提升系統訊雜比的優點，也使系統可以使用在遠距離與大範圍的感測。
這種新的光強度與分波多工光纖布拉格光柵感測系統架構，主要由摻鉺光纖放大器、二對四的光耦合器與費比伯洛波長可調濾波器所組成。光源是利用光纖放大器的輸出端，經過光隔離器接到費比伯洛濾波器，再把二對四光耦合器的其中一個輸出端接回光纖放大器，架構出環形光纖雷射光源，而其他三個輸出端則分別接到光纖光柵串。
由於在系統中使用的費比伯洛濾波器是一種電壓可調式濾波器，因此雷射光源是可調波長雷射，當雷射波長與光纖光柵波長相同時，光柵反射光經過二對四的光耦合器入射到光偵測器，被轉換成為電訊號進入電腦分析感測訊號。
系統中二對四光耦合器是由三種不同分光比率的光耦合器所組成，因此光纖雷射的三個輸出端的光功率都不相同，所以當三個輸出端的光柵波長相同時，依然可以由反射回來的光功率辨別產生反射光的是那個光柵，也因此這套光強度與分波多工系統能把傳統的分波多工技術的容量提高三倍。
高可靠度的光纖光柵感測系統
光纖感測系統的布放環境通常十分複雜，而且在土木施工環境中也很容易造成光纖斷線或光學元件損毀，因此如何讓光纖感測系統具有偵錯、容錯，並具有自動切換路由的智慧型功能，是新的挑戰。傳統的光纖感測網路只有單使用線狀、星狀、巴士狀或樹狀的布放方式，然而這些架構一旦發生光纖斷線或光學元件損毀的情形，就會造成整個系統無法運作，因此有人提出一種星型——環狀的網路架構來建構高可靠度的感測系統。
在這種網路架構下，可藉由光開關的操作，使光雙向地在中央控制室與相臨遠方網路節點間視需要而調整傳輸路徑。而一旦發生網路斷線造成感測訊號失去，中央控制室可以利用網路節點重新安排新的光路徑。利用網路節點的切換，而達到使感測系統回復正常運作的目的。但是在網路中使用多個光開關會造成感測訊號的功率與訊雜比降低，因此也配套地採用摻鉺光纖雷射來提高訊號強度。光纖雷射是由摻鉺光纖放大器、光纖反射鏡、波長可調濾波器與光纖光柵所組成，當可調濾波器與光纖光柵的波長一致時，就會產生雷射訊號輸出至光偵測器，因此可以由雷射訊號的輸出波長得知感測訊號，它的原理與前述的拉曼光纖雷射光纖光柵感測系統類似。
隨著智慧型土木結構技術的發展，智慧型光纖感測系統會扮演越來越重要的角色。在這篇文章中，我們簡述了光纖光柵應變感測的發展與光纖光柵應變感測系統的原理，並且藉由光纖雷射高功率輸出與高訊雜比的優點，而導引出一些新的光纖感測系統架構，相信這些新架構應有助於未來智慧型土木結構的發展。
