吳恩柏臺灣大學：應用力學研究所楊若群Yang, Rou-ChingRou-ChingYang2007-11-292018-06-292007-11-292018-06-292004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62444長週期光纖光柵在光通訊上為一重要之被動元件，由於特殊的光學性質與對環境之敏感性使其應用相當廣泛，而具有可調性的長週期光纖光柵更為現今研究所重視；本文即針對此主題，開發一新式的可調式長週期光纖光柵結構，使其具備結構單純、效率明顯、加工簡單、操作容易、同時具有頻譜之可調性。 在實驗的部分，本文中製造了兩類型之可調式長週期光纖光柵結構：第一型濾波器在室溫具有濾波效果，經由加熱可使其效率逐漸降低，降溫則效率逐漸增強，我們藉由49個週期的鋁結構與Epoxy接合劑搭配，在100°C的溫差下可使LP11模態達到25dB的衰減量；另一濾波器則為在室溫下無濾波效果，經由降溫可使其效率逐漸增強，升溫則效率減低，我們同樣成功的以35個週期的不鏽鋼結構搭配UV膠在22°C的溫差下使LP12模態達到21dB的衰減量；並均可藉由溫度的調整及週期結構的變化來對這兩者之濾波頻譜做預期的控制。 在分析計算的部分，我們由實驗結果描述了波長飄移與衰減量之關係，並由力學的觀點加以解釋，也探討了接合劑在製造過程中厚度的影響及實驗結果的潛變現象；最後並建立了Euler-bernoulli beam模型來實際疊代計算光纖隨著溫度變形的情況，得到一光纖變形量與溫度變化之線性關係。摘要…………………………………………………………………………………A-1 目錄…………………………………………………………………………………A-2 表目錄………………………………………………………………………………A-4 圖目錄………………………………………………………………………………A-5 第一章 緒論 1- 1 研究背景與動機……………………………………………………………1 1- 2 文獻回顧……………………………………………………………………3 1- 3 研究目的與論文架構………………………………………………………4 第二章 長週期光纖光柵製作、工作原理暨可調式長週期光纖光柵之介紹、實驗與討論 2- 1 引言…………………………………………………………………………5 2- 2 光纖傳輸原理暨光纖光柵簡介……………………………………………6 2- 2- 1 光纖傳輸原理……………………………………………………...…6 2- 2- 2 光纖光柵簡介………………………………………………………...9 2- 3 長週期光纖光柵之工作原理及性質……………………………………..11 2- 4 長週期光纖光柵製作方式暨可調式長週期光纖光柵之介紹與討論…..14 2- 4- 1 長週期光纖光柵製作方式………………………………………….14 2- 4- 2 可調式長週期光纖光柵之介紹與討論…………………………….19 2- 5 外力導致之可調式長週期光纖光柵實驗………………………………..23 2- 6 結語………………………………………………………………………..28 第三章 可調式長週期光纖光柵之結構設計、實驗與量測……………………….29 3- 1 引言………………………………………………………………………..29 3- 2 可調式長週期光纖光柵之結構設計與製作……………………………..30 3- 2- 1設計分析……………………………………………………………...30 3- 2- 2長週期光纖光柵之結構元件………………………………………...33 3- 2- 3長週期光纖光柵之製作……………………………………………...35 3- 2- 4討論…………………………………………………………………...38 3- 3 實驗架設與相關元件………………………………………………….….39 3- 3- 1實驗架設……………………………………………………………..39 3- 3- 2熱電致冷晶片及降溫模組架設……………………………………..40 3- 4 實驗量測結果、對照與討論……………………………………………..44 3- 4- 1 使用熱固化性接合劑之實驗結果………………………………….44 3- 4- 2 使用常溫固化接合劑之實驗結果………………………………….49 3- 4- 3 接合劑塗佈在週期結構支點兩端之實驗結果…………………….52 3- 4- 4 討論………………………………………………………………….54 3- 5 結語………………………………………………………………………..56 第四章 可調式長週期光纖光柵之特性、力學分析……………………………….57 4- 1 引言………………………………………………………………………..57 4- 2 可調式長週期光纖光柵之特性分析……………………………………..58 4- 2- 1 波長飄移與衰減之變化情形……………………………………….58 4- 2- 2 塗膠厚度之影響…………………………………………………….65 4- 2- 3 接合劑之潛變與穩定性…………………………………………….69 4- 3 可調式長週期光纖光柵之力學行為……………………………………..74 4- 3- 1 Euler-Bernoulli beam模型…………………………………………74 4- 3- 2 光纖微彎曲變形量之計算與結果………………………………….78 4- 4 結語………………………………………………………………………..83 第五章 結論與展望…………………………………………………………………84 5- 1 本文初步成果……………………………………………………………..84 5- 2 未來展望…………………………………………………………………..86 參考文獻……………………………………………………………………...…….R-1 附錄………………………………………………………………………………….I-1 EPO-TEK 353ND-T…………………………………………………………………I-1 Chemitech Chemiseal U-425………………………………………………………...I-2 表目錄 表2- 1外力導致之可調式長週期光纖光柵施力大小統計表……………………...24 表3- 1 POFC SM/125/250 Single-mode fiber……………………………………….33 表3- 2 接合劑性質表……………………………………………………………….34 表3- 3 基材性質表………………………………………………………………….35 表3- 4 晶片性能規格……………………………………………………………….42 表4- 1 不同接合劑、基材與週期數量組合……………………………………….58 圖目錄 圖2- 1 (a)光纖及(b)光纜之結構……………………………………………………...6 圖2- 2 史涅耳定律示意圖，光線之折射、臨界角與全反射……………………...7 圖2- 3 光線在光纖內之傳導示意圖………………………………………………...7 圖2- 4 多模步階、多模漸進、單模步階式光纖傳遞路徑與折射率分布圖……...8 圖2- 5 光柵原理示意圖……………………………………………………………...9 圖2- 6 短週期光纖光柵工作原理示意圖………………………………………….10 圖2- 7 長週期光纖光柵工作原理示意圖………………………………………….11 圖2- 8 不同纖殼模態之光柵週期與共振波長關係圖…………………………….13 圖2- 9 準分子雷射寫入長週期光纖光柵………………………………………….14 圖2- 10 纖核加熱前後之折射率改變情形………………………………………...15 圖2- 11 二氧化碳雷射製造LPFG之實驗架設……………………………………15 圖2- 12聚焦的離子束寫入長週期光纖光柵示意圖………………………………16 圖2- 13兩種電弧放電的LPFG製造技術………………………………………….17 圖2- 14串接兩AOTF達到增益平坦之示意圖……………………………………17 圖2- 15 蝕刻法之LPFG (a)蝕刻之光柵結構；(b)受外力時之穿透頻譜圖……...18 圖2- 16 美國第6,282,341 B1號專利結構示意圖…………………………………19 圖2- 17美國第6,408,117 B1號專利結構示意圖………………………………….20 圖2- 18 (a)加熱線圈結合長週期光纖光柵之結構示意圖；(b)加熱調整後之溫度分佈情形……………………………………………………...………………………...20圖2- 19應變導致之溫度可調式長週期光纖光柵(a) SEM 照片；(b)降溫作用示意圖；(c)室溫及加熱後之光纖變形示意圖…………………………………………..21 圖2- 20應變導致之溫度可調式長週期光纖光柵隨溫度變化之穿透頻譜圖……22 圖2- 21 外力導致之可調式長週期光纖光柵實驗架設示意圖…………………...23 圖2- 22 外力導致之可調式長週期光纖光柵實驗照片…………………………...23 圖2- 23週期間距=500 mm，(a)輕掛重；(b)重掛重……………………………….25 圖2- 24 週期間距=600 mm，輕掛重……………………………………………….25 圖2- 25 週期間距=700 mm，輕掛重……………………………………………….26 圖3-1 作用機制示意圖……………………………………………………………..30 圖3- 2 設計示意圖………………………………………………………………….31 圖3- 3 接合劑自由收縮示意圖…………………………………………………….32 圖3- 4 不同材料收縮示意圖……………………………………………………….33 圖3- 5 不同加工方式之週期輪廓差異示意圖…………………………………….35 圖3- 6 接合劑塗佈位置示意圖…………………………………………………….37 圖3- 7 紫外光之曝照流程………………………………………………………….37 圖3- 8 研磨後之週期結構突起處上視圖………………………………………….37 圖3- 9 接合劑塗佈於週期結構頂端與光纖之介面……………………………….38 圖3- 10 實驗架設示意圖…………………………………………………………...39 圖3- 11 Seebeck Effect……...……………………………………………………….41 圖3- 12 致冷晶片示意圖………………………..………………………………….42 圖3- 13 降溫模組架設示意圖……………………………………………………...42 圖3- 14 5C7-350A 熱電晶片控制模組…………………………………………….43 圖3- 15 使用熱固性接合劑之實驗照片…………………………………………...44 圖3- 16 LPFG隨溫度變化之穿透頻譜圖(鋁/Epoxy/週期數量=20)………………45 圖3- 17 LPFG隨溫度變化之穿透頻譜圖(鋁/Epoxy/週期數量=30)………………46 圖3- 18 LPFG隨溫度變化之穿透頻譜圖(鋁/Epoxy/週期數量=49)………………46 圖3- 19 LPFG隨溫度變化之穿透頻譜圖(鋁/Epoxy/週期數量=61)………………47 圖3- 20 LPFG隨溫度變化之穿透頻譜圖(鋼/Epoxy/週期數量=20)………………48 圖3- 21 LPFG隨溫度變化之穿透頻譜圖(鋼/Epoxy/週期數量=30)………………48 圖3- 22 使用常溫固化接合劑之實驗照片………………………………………...49 圖3- 23 LPFG隨溫度變化之穿透頻譜圖(不鏽鋼/UV/週期數量=20)…………….50 圖3- 24 LPFG隨溫度變化之穿透頻譜圖(不鏽鋼/UV/週期數量=28)…………….50 圖3- 25 LPFG隨溫度變化之穿透頻譜圖(不鏽鋼/UV/週期數量=35)…………….51 圖3- 26接合劑塗佈在週期結構支點兩端實驗之穿透頻譜圖 (不鏽鋼/UV/週期數量=40)………………………………………………………….53 圖3- 27 接合劑分佈於支點兩旁之放大示意圖…………………………………...53 圖3- 28 比較兩種接合方式之力矩效果示意圖…………………………………...53 圖4- 1鋁/Epoxy/週期數量=61 之LPFG共振模態的波長/衰減對溫度關係圖….58 圖4- 2 滿足相位匹配關係式時兩耦合模態能量交換示意圖…………………….59 圖4- 3鋼/Epoxy/週期數量=30 之LPFG共振模態的波長/衰減對溫度關係圖….59 圖4- 4不鏽鋼/UV/週期數量=28 之LPFG共振模態的波長/衰減對溫度關係圖..60 圖4- 5 (a)鋁基材/Epoxy/週期數量=61；(b)不鏽鋼基材/UV/週期數量=35 LPFG共振模態之傳送功率對溫度關係圖…………………………………………61 圖4- 6 光纖受力變形圖…………………………………………………………….63 圖4- 7 塗膠示意圖………………………………………………………………….65 圖4- 8 接合劑藉由表面張力與毛細現象填充於光纖與基材之介面…………….65 圖4- 9低接合高度之示意圖………………………………………………………..66 圖4- 10中接合高度之示意圖……………………………………………………….66 圖4- 11高接合高度之示意圖…………………………………………………….…67 圖4- 12 各種接合高度之穿透頻譜圖………..…………………………………….67 圖4- 13 各種不同之接合劑收縮情形…………………………………………...…68 圖4- 14 接合劑收縮對於光纖之彎曲有效果的區域…………………………...…68 圖4- 15 典型的潛變現象…………………………………………………………...69 圖4- 16 衰減及中心波長隨著時間變化的情形………………………………...…70 圖4- 17　LPFG使用UV膠於(a)不同間隔時間；(b)持續使用 所量得之共振波峰衰減與波長飄移情形(35個週期結構)………………………...72 圖4- 18　LPFG使用AB膠於(a)不同間隔時間；(b)持續使用 所量得之共振波峰衰減與波長飄移情形 (40個週期結構)……………………….73 圖4- 19 實際光纖受力情形………………………………………………………...74 圖4- 20 (a)樑；(b)柱；(c)樑-柱 示意圖……………………………………………75 圖4- 21 光纖受力模型……………………………………………………………...75 圖4- 22 U-425 熱膨脹係數之量測結果………………………………………….76 圖4- 23 光纖受到接合劑收縮所導致之側向力示意圖…………………………...77 圖4- 24 光纖受到基材與接合劑推擠所導致之軸向力示意圖…………………...78 圖4- 25 初始應變示意圖…………………………………………………………...78 圖4- 26分佈負載q(x)的形式及其二次式的近似圖形…………………………….79 圖4- 27 新應變示意圖……………………………………………………………...79 圖4- 28 疊代流程圖………………………………………………………………...81 圖4- 29 -15°C時之光纖最大位移收斂情況……………………………………..80 圖4- 30不同溫度下最大位移wmax關係圖…………………………………………82 圖4- 31 10 oC時光纖之位移示意圖………………………………………………...822121270 bytesapplication/pdfen-US溫度調節衰減可調長週期光纖光柵週期性微彎曲thermally tunedloss tunableperiodic micro-bendinglong-period fiber gratingthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/62444/1/ntu-93-R91543002-1.pdf