好奇心和创造力助我发明光纤干涉传感器 

Xiang Zheng Tu (涂向真)

我设计的光纤干涉传感器获得了美国专利，专利名称为“One-piece silicon substrate having fiber optic stops and a reflective surface thereon and methods of manufacturing same”，专利号为：5,381,231T，授权日期为：January 10, 1995 

光纤干涉传感器的性能优越，应用特殊。具有抗电磁干扰和原子辐射的性能；体积小，重量轻的机械性能；绝缘，无感应的电气性能；以及耐水，耐高温，耐腐蚀的化学性能等。能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官无法感受到的外界信息。 

我的研究领域原本不涉及光纤，只是到了Texas A-M大学以后，在一个偶然的场合下接触了光纤。有一天，我在实验室工作，一位博士生来找我，问我有什么办法能将光纤端面抛光成镜面。我没有光纤工作经验，无法当场回答他的问题，要他给我点时间，让我好好想一想。第二天，他又来找我，我的办法已经想出来了。他照我的办法去做，很快就把光纤的端面抛光成镜面，他高兴极了，说了许多感谢的话。 

抛光光纤端面有什么用，这位博士生没有告诉我，我也不便问，但我心里明白，这位博士生导师Henry Taylor教授，是从事集成光学研究的。要将光学元器件集成起来，必然会遇到半导体激光二极管与光纤实现光偶合的问题。这可是个令人头疼的难题，因为激光二极管发射的光束直径一般为5微米，单模光纤芯直径一般为8μm~10μm，要让激光二极管发射的光束准确无误的射入单模光纤芯，这在当时还没有现成的技术可供借用。这立刻引起我的联想，制造集成电路用的光刻和腐蚀技术具有纳米的加工精度，在集成光学中必将派上用场，说不定还会大放异彩。 

我转到宾夕法尼亚大学，做的研究课题还是微机械（MEMS），与光纤沾不上边。有一次，我在实验室里处理测量数据，电脑找不到曲线拟合程序，就问在同一个实验室工作的博士生谢先生。谢先生来自台湾，为人温和善良，我曾到他家吃过饭。他帮我找到了程序，我的数据很快就处理好了。这时，我看到旁边实验室台上，放一台煤气灯和几根弯曲的玻璃棒。开始，我以为这是供学生做光学实验用的，心里不免有些纳闷，因为常青籘大学不可能安排这么简单的实验，就和谢先生说起此事。谢先生说，那不是普通的玻璃棒，那是Zemel教授亲自拉制的“光纤”。我恍然大悟，原来Zemel教授竟然用烧制玻璃器具的方法拉制“光纤”。尽管用这种方法不可能制得实用光纤，但在光纤研发正处于热火朝天的时期，用这种原始的“光纤”做工作原理演示，激发学生的兴趣也是很不错的主意。 

我拿起一根弯曲的“光纤”，仔细观看端面，分明可见中间的纤芯和周围的包层，足足有5毫米粗。我将“光纤”的一端对着台灯，另一端对着墙壁，可以清楚看到墙壁上的圆形光斑。这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？这种现象最早引起英国科学家Tyndall（丁 达尔）的注意，经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从纤芯射向包层时，由于包层玻璃的折射率低于纤芯玻璃，折射光线消失，全部光线都反射回纤芯。表面上看，光好像在光纤中弯曲前进，实际上，在弯曲的光纤里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线是经过多次全反射向前传播。 

没过多久，我在另一间实验室看到了真正的光纤，是别人做实验剩下的。我剪了一小段，放在小塑料袋里，用笔记本夹着。每当我有空闲时，我就会拿出光纤，放在手心仔细端详，此时我经常是浮想联翩，好像我看到的不是细小光纤，而是一幅饱含诗情画意的人间美景，我神游其中，欣喜若狂。就在我手拿光纤做美梦的日子里，忽然心血来潮，想要把光纤放在硅片腐蚀的V型槽里。我迫不及待地做起实验，找到一段光纤，用有机溶剂将光纤外面的塑料包皮去掉，用镊子夹着裸露的光纤，在显微镜下，小心翼翼地放入硅片的V型槽里。光纤与V型槽配合密切，几乎是天衣无缝，我高兴得几乎跳起来。这个实验说明，用夹持在硅片V型槽里的光纤与键合在同一硅片上的激光二极管对准，此方法简单，效果极佳。 

创新的曙光似乎已经出现，但这还只是微弱的光亮，还必须坚持不懈，争取灿烂的太阳露出地平线。我对微机械很熟悉，知道用KOH腐蚀（100）晶向的硅片，可以形成V型槽，用KOH腐蚀（110）晶向的硅片，可以形成垂直于硅片表面的（111）晶向硅膜，却不易形成V型槽。而我的创新就需要在（110）硅片上既有（111）硅膜又有V型槽，否则难以达到。怎么办？我查阅资料，收集数据，反复演算，并作计算机模拟。就这样挖空心思，想尽办法，足有一个多月，还是心如乱麻，毫无头绪。 

我锲而不舍，毫不松懈，又在苦思暝想中度过了一个多月，终于难关突破，柳暗花明。我在（110）硅片上成功地制作出（111）硅膜和V型槽，V型槽从硅片的边缘直通（111）硅膜，并与（111）硅膜垂直相交。硅膜从硅片表面垂直向下，伸入硅片内部。将端面抛光成镜面的光纤放入V型槽，使光纤端面与（111）硅膜平行，并保持相当于几个光波长的距离，这样，就构成了的法布里－珀罗共振腔。 

法布里－珀罗共振腔是著名的法国物理学家法布里和珀罗于1897年 发明的，他们用这种共振腔最早实现多光束干涉仪。其工作原理是，将来自一个光源的两个光束完全分并，各自经过不同的光程，然后再经过合并，可显示出干涉条 纹。由于这种干涉仪所产生的干涉条纹非常细锐，一直是长度计量和研究光谱超精细结构的有效工具。还是激光共振腔的基本构型，其理论也是研究干涉滤光片的基础，在光学中一直起着重要的作用。 

我对法布里－珀罗共振腔并不生疏。从我进入研究所开始，经常要用干涉显微镜测量介质层的厚度。那时的干涉显微镜还没有数字化，为了测得准确，必须在显微镜里，聚精会神细数干涉条纹数，并要小心谨慎转动微动台，测出非整数条纹的数值。每次测量下来，总是头昏眼花，手足疲软。 

谢天谢地，高度集成的半导体电荷耦合器件问世了，能够把光学影像转化为数字信号。随之，数字化的干涉显微镜出现，介质层厚度的测量，变得又快捷又精确。 

    亲身经历干涉显微镜的数字化过程，为我的创新树立了信心，也明确了方向和目标。我看到，也体会到，光学测量虽然精度高，但要求人工操作，调节过程复杂，易受震动干扰，眼睛容易疲劳，常出人为差错。随着信息革命的推进，光学测量的现况必须改变，智能化和数字化的脚步必须跟上。时代潮流，浩浩荡荡，顺则成，逆则败。既然我已经认识到光学测量的创新势在必行，并且已经为光学测量的创新做了不少工作，积累了经验，该是有所建树的时候了。于是，我转到新泽西州的Rutges大学不久，就夜以继日地工作，不到一个月就完成了光纤干涉传感器的设计，并通过专利律师向美国专利局提交了发明专利申请。