扁平光纖革命：KTH 與南安普敦大學聯手，將玻璃變身為靈敏千倍的「超感測器」

光纖素以不受電磁干擾、重量輕、可在惡劣環境下工作而聞名，但在「感測靈敏度」這個關鍵指標上，長久以來始終落後於電子感測器。瑞典 KTH 皇家理工學院與英國南安普敦大學研究團隊的最新設計，徹底打破了這個限制。

該研究發表於《Nature Communications》（doi: 10.1038/s41467-026-72416-6），團隊提出了一種高縱橫比扁平光纖（HARFF）——一種絲帶般的二氧化矽光纖，可作為超高靈敏度的多參數感測器 。

壓力感測靈敏度：比標準光纖高 1,000 倍

研究最驚人的成果是 HARFF 的壓力感測表現。在實驗室測試中，這條光纖的壓力靈敏度達到標準圓形光纖設計的 1,000 倍 。

為什麼會有如此巨大的進步？扁平幾何結構在承受水壓負載時，會產生比傳統圓形光纖高出好幾個數量級的「應變誘導雙折射」，這項發現已透過有限元素建模獲得驗證 。此外，矩形截面本身也能有效抑制圓形光纖在機械應力下常見的彎曲與扭轉問題 。

全新的扁平光纖製造工法

團隊沒有採用常見但精度不足的「後拉伸壓平法」，而是發明了一套專用製程。他們將二氧化矽薄板堆疊成扁平預製棒，再利用雷射玻璃焊接技術密封側邊，在內部形成如氣體通道等微結構 。

接著，將此預製棒在傳統光纖拉絲塔上進行拉絲，過程中對內部微結構施加可控氣壓，以維持形狀與壁厚 。最後，使用飛秒雷射寫入技術（λ=515 nm，200 fs 脈衝），直接在扁平光纖內部刻寫光纖布拉格光柵（FBG）以及矩形波導 。

這種基於預製棒的製程能以更高精度保留內部幾何形狀，實現了高縱橫比扁平光纖的可重複製造。

超越壓力：錫合金溫度感測與更多功能

HARFF 平台本身就與光纖布拉格光柵（FBG）感測技術相容，可量測應變、溫度與壓力 。但團隊更進一步展示了一項巧妙的溫度感測升級：在內部微結構中填充錫基合金（Sn-alloy）金屬。這種多材料設計大幅提升了光纖的溫度感測靈敏度 。

結合壓力與溫度感測能力，HARFF 可在一條輕薄玻璃絲帶中同時執行多種參數量測，成為真正的多參數感測器。

這項技術會用在哪裡？

由於光纖不受電磁干擾、重量輕且能在惡劣環境中運作，HARFF 平台不僅能取代傳統圓形光纖，更能挑戰現有的電子感測器。研究者指出其應用範圍橫跨六大領域 ：

• 航太工業：嵌入複合材料中，即時感測飛機與無人機內部的應變與壓力。
• 能源系統：監控發電與輸配電設備的結構健康度與環境條件。
• 基礎建設：在橋樑、建築物與土木結構中進行連續的應變與壓力監測。
• 生醫設備：體積小、抗電磁干擾，適合醫療儀器感測應用。
• 電池監控：偵測電池芯內部的壓力與溫度變化，作為異常行為的早期預警。
• 智慧無人機：輕量化的多工感測方案，用於結構健康與飛行狀態監測。

總結

HARFF 代表了對光纖本質的重新思考。研究團隊跳脫了主導光纖領域數十年的圓形截面設計，不僅將壓力感測靈敏度提升了 1,000 倍，更成功加入了多參數感測能力——而這一切都是在傳統拉絲塔與常見的二氧化矽材料基礎上實現的。結果是一項可以直接部署於真實世界的感測平台，從橋樑到電池，處處皆可用。