好奇心和創造力助我發明光纖幹涉傳感器

好奇心和創造力助我發明光纖幹涉傳感器

Xiang Zheng Tu (塗向真)

我設計的光纖幹涉傳感器獲得了美國專利，專利名稱為“One-piece silicon substrate having fiber optic stops and a reflective surface thereon and methods of manufacturing same”，專利號為：5,381,231T，授權日期為：January 10, 1995

光纖幹涉傳感器的性能優越，應用特殊。具有抗電磁幹擾和原子輻射的性能；體積小，重量輕的機械性能；絕緣，無感應的電氣性能；以及耐水，耐高溫，耐腐蝕的化學性能等。能夠在人達不到的地方（如高溫區），或者對人有害的地區（如核輻射區），起到人耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官無法感受到的外界信息。

我的研究領域原本不涉及光纖，隻是到了Texas A-M大學以後，在一個偶然的場合下接觸了光纖。有一天，我在實驗室工作，一位博士生來找我，問我有什麽辦法能將光纖端麵拋光成鏡麵。我沒有光纖工作經驗，無法當場回答他的問題，要他給我點時間，讓我好好想一想。第二天，他又來找我，我的辦法已經想出來了。他照我的辦法去做，很快就把光纖的端麵拋光成鏡麵，他高興極了，說了許多感謝的話。

拋光光纖端麵有什麽用，這位博士生沒有告訴我，我也不便問，但我心裏明白，這位博士生導師Henry Taylor教授，是從事集成光學研究的。要將光學元器件集成起來，必然會遇到半導體激光二極管與光纖實現光偶合的問題。這可是個令人頭疼的難題，因為激光二極管發射的光束直徑一般為5微米，單模光纖芯直徑一般為8μm~10μm，要讓激光二極管發射的光束準確無誤的射入單模光纖芯，這在當時還沒有現成的技術可供借用。這立刻引起我的聯想，製造集成電路用的光刻和腐蝕技術具有納米的加工精度，在集成光學中必將派上用場，說不定還會大放異彩。

我轉到賓夕法尼亞大學，做的研究課題還是微機械（MEMS），與光纖沾不上邊。有一次，我在實驗室裏處理測量數據，電腦找不到曲線擬合程序，就問在同一個實驗室工作的博士生謝先生。謝先生來自台灣，為人溫和善良，我曾到他家吃過飯。他幫我找到了程序，我的數據很快就處理好了。這時，我看到旁邊實驗室台上，放一台煤氣燈和幾根彎曲的玻璃棒。開始，我以為這是供學生做光學實驗用的，心裏不免有些納悶，因為常青籘大學不可能安排這麽簡單的實驗，就和謝先生說起此事。謝先生說，那不是普通的玻璃棒，那是Zemel教授親自拉製的“光纖”。我恍然大悟，原來Zemel教授竟然用燒製玻璃器具的方法拉製“光纖”。盡管用這種方法不可能製得實用光纖，但在光纖研發正處於熱火朝天的時期，用這種原始的“光纖”做工作原理演示，激發學生的興趣也是很不錯的主意。

我拿起一根彎曲的“光纖”，仔細觀看端麵，分明可見中間的纖芯和周圍的包層，足足有5毫米粗。我將“光纖”的一端對著台燈，另一端對著牆壁，可以清楚看到牆壁上的圓形光斑。這是為什麽呢？難道光線不再直進了嗎？這種現象最早引起英國科學家Tyndall（丁 達爾）的注意，經過他的研究，發現這是全反射的作用，即光從纖芯射向包層時，由於包層玻璃的折射率低於纖芯玻璃，折射光線消失，全部光線都反射回纖芯。表麵上看，光好像在光纖中彎曲前進，實際上，在彎曲的光纖裏，光仍沿直線傳播，隻不過在內表麵上發生了多次全反射，光線是經過多次全反射向前傳播。

沒過多久，我在另一間實驗室看到了真正的光纖，是別人做實驗剩下的。我剪了一小段，放在小塑料袋裏，用筆記本夾著。每當我有空閑時，我就會拿出光纖，放在手心仔細端詳，此時我經常是浮想聯翩，好像我看到的不是細小光纖，而是一幅飽含詩情畫意的人間美景，我神遊其中，欣喜若狂。就在我手拿光纖做美夢的日子裏，忽然心血來潮，想要把光纖放在矽片腐蝕的V型槽裏。我迫不及待地做起實驗，找到一段光纖，用有機溶劑將光纖外麵的塑料包皮去掉，用鑷子夾著裸露的光纖，在顯微鏡下，小心翼翼地放入矽片的V型槽裏。光纖與V型槽配合密切，幾乎是天衣無縫，我高興得幾乎跳起來。這個實驗說明，用夾持在矽片V型槽裏的光纖與鍵合在同一矽片上的激光二極管對準，此方法簡單，效果極佳。

創新的曙光似乎已經出現，但這還隻是微弱的光亮，還必須堅持不懈，爭取燦爛的太陽露出地平線。我對微機械很熟悉，知道用KOH腐蝕（100）晶向的矽片，可以形成V型槽，用KOH腐蝕（110）晶向的矽片，可以形成垂直於矽片表麵的（111）晶向矽膜，卻不易形成V型槽。而我的創新就需要在（110）矽片上既有（111）矽膜又有V型槽，否則難以達到。怎麽辦？我查閱資料，收集數據，反複演算，並作計算機模擬。就這樣挖空心思，想盡辦法，足有一個多月，還是心如亂麻，毫無頭緒。

我鍥而不舍，毫不鬆懈，又在苦思暝想中度過了一個多月，終於難關突破，柳暗花明。我在（110）矽片上成功地製作出（111）矽膜和V型槽，V型槽從矽片的邊緣直通（111）矽膜，並與（111）矽膜垂直相交。矽膜從矽片表麵垂直向下，伸入矽片內部。將端麵拋光成鏡麵的光纖放入V型槽，使光纖端麵與（111）矽膜平行，並保持相當於幾個光波長的距離，這樣，就構成了的法布裏－珀羅共振腔。

法布裏－珀羅共振腔是著名的法國物理學家法布裏和珀羅於1897年 發明的，他們用這種共振腔最早實現多光束幹涉儀。其工作原理是，將來自一個光源的兩個光束完全分並，各自經過不同的光程，然後再經過合並，可顯示出幹涉條 紋。由於這種幹涉儀所產生的幹涉條紋非常細銳，一直是長度計量和研究光譜超精細結構的有效工具。還是激光共振腔的基本構型，其理論也是研究幹涉濾光片的基礎，在光學中一直起著重要的作用。

我對法布裏－珀羅共振腔並不生疏。從我進入研究所開始，經常要用幹涉顯微鏡測量介質層的厚度。那時的幹涉顯微鏡還沒有數字化，為了測得準確，必須在顯微鏡裏，聚精會神細數幹涉條紋數，並要小心謹慎轉動微動台，測出非整數條紋的數值。每次測量下來，總是頭昏眼花，手足疲軟。

謝天謝地，高度集成的半導體電荷耦合器件問世了，能夠把光學影像轉化為數字信號。隨之，數字化的幹涉顯微鏡出現，介質層厚度的測量，變得又快捷又精確。

親身經曆幹涉顯微鏡的數字化過程，為我的創新樹立了信心，也明確了方向和目標。我看到，也體會到，光學測量雖然精度高，但要求人工操作，調節過程複雜，易受震動幹擾，眼睛容易疲勞，常出人為差錯。隨著信息革命的推進，光學測量的現況必須改變，智能化和數字化的腳步必須跟上。時代潮流，浩浩蕩蕩，順則成，逆則敗。既然我已經認識到光學測量的創新勢在必行，並且已經為光學測量的創新做了不少工作，積累了經驗，該是有所建樹的時候了。於是，我轉到新澤西州的Rutges大學不久，就夜以繼日地工作，不到一個月就完成了光纖幹涉傳感器的設計，並通過專利律師向美國專利局提交了發明專利申請。