1. 光子晶體光纖微陣列生物感測晶片之製作
計畫主持人：電機系 溫盛發教授
共同主持人：機械系 馬廣仁副教授
電機系 吳俊傑助理教授

2. 研究動機
光子晶體是十年來光電學門最重大的發展之一，其中光子晶體光纖在通訊、感測技術、光譜分析及醫學上的應用都深具潛力。目前世界上具製造光子晶體光纖能力的大學不多，本校由機械系與電機系所組成的團隊，過去一年在本校重點研究計畫支持之下已成功的製作出實心蕊PMMA塑膠材質的光子晶體光纖，並建立基礎測量設備與光場分佈之理論計算程式，已在台灣學界建立聲譽。基於過去之硏究成果，本計畫設計及製作出更具有實用性的空心蕊光子晶體光纖，同時亦將利用此技術應用在製作高密度微陣列生物晶片。

3. 光子晶體光纖原理與應用

5. 傳統光纖與光子晶體光纖之比較
基本上光纖波導原理都是藉著全 反射達成的。傳統光纖材料本身 造成的吸收或散射的損失無法避 免; 對於彎曲造成的損失及極性 無法維持等問題仍無法解決，使 其在積體光學的應用受到限制。 傳統光纖也常因耦合不易，造成 損耗，使其效率降低。
週期性空孔結構的光子晶體光纖，藉著纖殼的低有效折射率或光能隙效應，強迫光子沿著纖蕊缺陷傳輸，一併解決了傳統光纖的色散、能量損耗等問題。

6. 光子晶體光纖的發展 Photonic Crystal Fiber (PCF) (1998)
Air/Silica Microstructure Optical Fiber (1996)
Bragg PBG - PCF
(1999)

7. 不同結構之光子晶體光纖

8. 光子晶體光纖的優點與應用 (1)即使入射角很大，也可容易將光耦合進入光纖。
(2)在很寬的波長範圍內(458~1550nm)仍可維持單模行為。
(3)即使受到彎曲或扭曲仍可保持其相位及原始的偏振特性。
(4)藉由非線性效應可產生白光雷射
(5)空心蕊光子晶體光纖可避免傳統光纖纖蕊的吸收或非線性效應。
(6)空心蕊光子晶體光纖可用於高能光束及UV雷射光波導。
(7)可應用於氣體或生醫感測器

9. 石英與PMMA材料特性比較 特 性 石 英 PMMA 撓曲性 劣 優 抽製溫度 1700~1900 ℃ 150~200 ℃
特 性
石 英
PMMA
撓曲性 劣 優
抽製溫度
1700~1900 ℃
150~200 ℃
折射率(633 nm)
1.458
1.491 衰減 低 高
預形體的製作 受限
不受限
設備成本

10. 塑膠光纖之發展趨勢

11. 微陣列生物晶片之發發展

12. 生物晶片無疑的將在下一世紀成為最重要的生物醫學研究工具，對於我們目前所知的基因調控、新藥開發、疾病分類、及疾病診斷等，都將掀起重大的革命性影響。

13. 微陣列生物晶片發展趨勢 Microarray methods Development Timeline Contact
photolithography
Noncontact
Optical fiber/beads
Capillary tubes
Tweezers
Slit pins
piezoelectric
Pin
Ink jet
Development Timeline

14. 微陣列生物晶片發展瓶頸
微陣列基因或蛋白質晶片是目前技術較成熟之生物螢光感測晶片，但由於整個晶片從前處理、點晶到螢光掃瞄、判讀過程複雜、耗時，且標準規範尚未建立，造成許多困擾，也阻礙生物晶片的商品化及未來發展。

15. Illuminex公司所發展的光纖式微陣列生物晶片
                                                                                                                    
array sensors
將光纖朿端面腐蝕形成坑凹再將光纖束浸在不同的微米球溶液中，微米球表面先經修飾不同的官能基及螢光劑；將光纖取出乾燥，此時帶有不同官能基的小球會落在光纖端面凹坑處，不同的官能基即可選擇性的結合待檢測的蛋白質或抗體分子，雷射光經由光纖打照到光纖端面的微米球激發螢光，再直接經由光纖反射至光偵測器或CCD成像，同樣具有高密度微陣列生物晶片的效果。

16. 光子晶體光纖微陣列生物感測晶片之競爭優勢
光纖式生物晶片免除了傳統生物晶片點晶及掃瞄等步驟，可顯著改善時效及準確性。光纖式生物晶片製作成本低，未來在市場競争力也較具有優勢。但目前光纖式生物晶片在製程上仍有問題，如光纖端面腐蝕如何達到最佳化及如何控制小球穩定的固定在凹坑位置。目前本硏究製作之光子晶體光纖可精密控制空孔大小，小球亦較容易穩定的固定在凹坑位置，可有效解決此問題。

17. 實驗方法
堆疊緊束
升溫燒結及抽製預形體 裁切
抽製空心蕊光子晶體光纖
觀察及分析光纖微結構
光學量測
光纖端面表面改質
光纖端面固定微小球

18. 結果與討論

19. 計畫已執行項目 抽製空心纖芯之光子晶體光纖。探討溫 度、負荷等參數對光子晶體光纖顯微組織 的影響。 2.建立近場光強度測量系統。
3.完成計算光子晶體光纖光學特性之程式。
4.比較不同結構光子晶體光纖之光學特性。
5.空心纖芯之光子晶體之表面改質
6. 空心纖芯之光子晶體端面微小球吸附試驗

20. 抽製溫度及時間對空心蕊光子晶體光纖微結構之影響
180 ℃ ℃ ℃ ℃

21. 抽製溫度及時間對空心蕊光子晶體光纖微結構之影響
200 ℃ ℃ ℃ ℃

22. 製程參數之影響 預型體施以110 ℃持溫3 hr的預熱燒結，可有效去除水氣的吸附。預型體於擴散燒結時以140 ℃持溫3.5 hr為最佳。
抽製空心蕊光子晶體光纖，避免纖蕊上下兩端遭堵塞，造成纖蕊中的空氣膨脹，產生擴孔及壓迫到周圍的毛細管產生缺陷，上端以5 cm空心毛細管，下端以8 cm的實心毛細管替換纖蕊毛細管，擴孔及缺陷情形可獲改善。

23. 製程參數之影響
4. 抽製溫度對於微結構光子晶體光纖中的空孔所佔比率有很大影響，當抽製溫度達220 ℃時，空孔比率約佔50 % ; 抽製溫度為180 ℃時，空孔比率可達66~70 ％以上，空孔比率隨著抽製溫度的增加而降低。
5. 不同管徑毛細管堆疊成的預型體，其空孔比率亦不同；空孔所佔比率愈大的預型體，燒結時纖蕊較快達到設定溫度，主要是因空氣所佔的比例高且熱容量較小升溫速度較快。
6. 目前所製作的高分子空心蕊光子晶體光纖即使彎曲至曲率半徑5 mm仍 可維持極佳的機械強度。

24. 實心蕊塑膠光子晶體光纖之光學特性
塑膠光子晶體光纖顯微組織
實際模態量測結果
模態理論計算結果

25. 光子晶體光纖之基模分析 藉由控制d/Λ比值來調整色散量，可調製任何波長範圍之單模光子晶體光纖。
Veff 隨晶格週期與波長比值(Λ/λ)取對數後變化的情形
非束縛之磁場強度分佈的情形

26. 光子晶體光纖之模態分析-Multimode
Intensity distributions from experiments and simulations at 1550 nm.

27. 光子晶體光纖之傳輸損失

28. 具奈微米孔洞結構之光子晶體光纖

29. 環形結構光子晶體光纖之光學特性 Intensity distributions at 1550 nm. Core mode
Ring mode
Both mode

30. 環形結構光子晶體光纖之光學特性
Mode patterns (ring modes)

31. 空心蕊塑膠光子晶體光纖之光學特性
空心蕊光子晶體光纖光學特性量測結果
可觀察到空氣心蕊導光現象。

32. 光纖端面微米球固定化處理
光纖端面經疏水表面改質以控制微米球吸附微孔洞之結果。 　

33. 結　論
　1.目前抽製出纖芯實心的塑膠光子晶體光纖，空孔比率已可達65%以上，以不同的波長的雷射光（λ = nm～1550 nm）射入光纖時，可看到光被侷限在纖芯傳播並維持單模行為。
　2. 抽製溫度對於空心蕊光子晶體光纖空孔比率有很大影響，當抽製溫度達220 ℃時，空孔比率約佔50 % ; 抽製溫度為180 ℃時，空孔比率可達66~70 ％以上，空孔比率隨著抽製溫度的增加而降低。
　3. 空孔所佔比率愈大的預型體，燒結時纖蕊較快達到設定溫度，主要是因空氣所佔的比例高且熱容量較小升溫速度較快。
　4. 空心蕊光子晶體光纖可觀察到空氣心蕊導光現象。
5.　微米球雖可吸附於光子晶體光纖之微孔洞上，但均勻性待改善。

34. 未來改進方向 使用鑽孔方式製作預型體，抽製不同結構的光子晶體光纖。 以熱傳分析燒結時熱傳導的問題。
為了有效降低光傳輸時能量的損失，嘗試使用含氟的PMMA來作為MPOF的材料。

35. THANK YOU !