生物醫學應用光纖不僅必需具有安全及無菌特性和足以用於高壓滅菌的穩健性，而且還得具有高穩定性和高可靠性，以確保精確的診斷，最重要是確保病患的安全。深紫外光(UV)光纖的獨特性能將有助於實現先進的生物醫療診斷設備，包括病患診斷和微創外科手術，以及直接連接到身體上進行監察的感測器。

大多數光譜應用光纖均用於在低至190 nm的中等UV範圍進行材料和光學感測，而許多生物醫療感測應用的光纖均要求能夠在UV區域傳輸光。生物醫療產業對於雷射器具和其它使用深UV應用光纖之生物醫療設備的需求愈來愈強勁。深UV光纖適用於眼睛外科、整形手術、泌尿和其它要求結合UV和較小內核直徑光纖手術的雷射傳輸。

深UV應用光纖的曝光風險

用於階變折射率光纖(step index optical fiber)的純矽芯材料容易受到UV引發的衰減所影響。UV輻射會引起玻璃結構中的局部缺陷中心增加，使得衰減增加，這種情況稱為曝光 （solarization）。大多數的衰減發生在小於275 nm的波長範圍，以及214 和265 nm的吸收頻帶。損壞程度隨光纖類型而有很大差異，例如常見的階變折射率光纖以合成石英玻璃作為核心材料，這種材料的純度極高，卻存在著數種濃度不同的內在雜質缺陷，而且入射的UV輻射會引起某些矽氧結構的缺陷。每種缺陷的濃度均取決於數個因素，包括預製備過程中的污染物、預製備技術和光纖拉伸製程，表I歸納了各種缺陷的類型。　

表一 : UV區域中高氫氧基光纖的缺陷

對於190至300 nm光譜範圍，業界最關心的主要缺陷是E1’和非橋接氧空孔中心（NBOHC），而這兩種缺陷分別是引發214 和 265 nm頻帶衰減的原因。要為最佳化的光纖提高性能，主要方法就是減少這兩種缺陷的分佈。

追蹤UV光纖的發展

深UV傳輸的穩定性是光學系統設計的一個重要參數，尤其是在高性能光譜應用中。以往具有高氫氧基成分的光纖一直用於400 nm以內的波長。然而，傳輸性能可能會因為暴露在高UV照射水準下而降低，這種情形稱為曝光，原因是紫外光輻射在光纖純矽氧芯中引發缺陷濃度，導致紫外光中的光吸收。

多年來業界開發了許多光纖，務求將曝光的影響降到最低。為改善耐曝光(solarization resistance)能力，業界將光纖各方面的性能最佳化，包括預成形設計和拉伸光纖的後處理。市場上有數款針對UV應用而開發的光纖，以下是由 Polymicro公司所生產的具代表性光纖產品：

‧ FVP – 標準UV/可見光纖。 這款光纖使用高氫氧基純矽芯預成形材料製成，沒有針對耐曝光性能而最佳化，因此對於曝光非常敏感。

‧ UVM – 這款光纖使用經最佳化而減少缺陷內容的高氫氧基矽芯材料製成

‧ UVMI – 這款光纖使用與以上UVM光纖相同的預成形材料拉伸製成，在拉伸製程之後，於高溫和高壓下載入溶解氫，產生幾乎對曝光完全不敏感的光纖產品。問題在於氫將會隨時間從光纖中擴散出來，即使在室溫下亦然。一旦氫向外擴散，光纖就回到了UVM光纖的耐曝光性能。根據光纖體積的不同，光纖在氫向外擴散之前的有效使用壽命也有不同，小直徑 (100 μm內芯)光纖只有數周，較大直徑 (600 μm內芯)光纖卻有一年左右。高於環境的溫度將會加快擴散的速率，縮短光纖的有效使用壽命。

‧ FDP – FDP光纖已有大約十年歷史，這是UVM光纖改善後的款式，部分替代了UVM光纖成為產業標準。Polymicro開發這款光纖是為了將耐曝光敏感性減少至低於UVM光纖，並改變材料和設計製程來提升FDP光纖的性能。由於這款光纖不包含溶解氫，所以像UVMI光纖一樣會因為向外擴散效應而使得性能隨時間下降。在FDP光纖的紫外光缺陷濃度大幅降低，因此改善最佳化了耐曝光降解(degradation)性能。

提升FDP光纖耐曝光性能的技術突破

在過去一年中，技術上的突破讓Polymicro深紫外光最佳化光纖大幅改善耐曝光性能，這款新產品一般稱作FDP光纖。經過改進的FDP光纖提升了性能標準，成功減小了紫外光所引發的缺陷中心，耐曝光性能也比現有的FDP和UVM光纖更好。

雖然現時沒有評估深UV光纖的正式產業標準，然而我們對經過改進的FDP光纖進行廣泛測試，仍然可以獲得有關光纖性能方面的最詳盡資料。結果顯示這款光纖在214 和 265 nm吸收頻帶顯著減少了與合成石英玻璃相關的曝光效應。性能改進適用於68至600 μm的光纖內芯直徑，通過附加的UV曝光衰減來展示耐曝光性能，在所有內芯尺寸範圍中，每兩米測試低於1dB。

曝光測量

耐曝光性能是根據 “四小時UV曝光測試”來評估的，如圖1所示。這項測試使用2m長的光纖，通過聚焦透鏡將來自高密度氘燈的光線射進光纖中，將密度最大限度地提高，可以對準焦點以使得214nm (通常這是對UV曝光最敏感的波長)的密度最大化。另外，還可利用Ocean Optics 的UV分光儀來監測測試樣品的輸出，收集四個小時的資料。

在測試過程中會追蹤六個重要的波長(214、229、245、255、266和330 nm)，並測量整個光譜，並在測試開始和結束時進行比較。每種波長的降解速率會隨著時間過去而減小，在理想情況下，在四個小時測試結束之前即達到飽和點。快速飽和以及最小降解，代表UV光纖擁有良好品質。在飽和點的降解程度大多與光強度無關，提高密度往往只能改變達到飽和的速度。

圖一 : 四小時的UV曝光測試設置

曝光結果的並排比較

如上所述，因UV輻射所造成的損壞會引起衰減，而矽光纖很容易受到這種衰減所影響。大多數衰減發生在低於275 nm的波長範圍，而峰值損壞發生在214 nm和265 nm，損壞程度隨光纖類型而顯著分別。以下表格比較了先前討論的四種UV光纖在四小時UV曝光期間的214 nm傳輸性能之變化。

圖二 : 衰減增加與214nm曝光(氘燈曝光)

為清晰了解現有FDP光纖和新型最佳化FDP光纖之間的性能改進情況，我們進行了四小時測試以比較內芯直徑從600 μm 至100 μm的光纖之性能差別，測量了測試期間每根光纖的輻射所引發之相對光譜衰減。以下兩個圖表說明了兩種光纖的光譜曝光性能之差異，特別顯示出增強型FDP光纖比較FDP光纖的光譜曝光性能改進，涵蓋一系列光纖尺寸範圍。完整的資料可以從 Polymicro公司獲取。

圖三 : 改良FDP光纖在四小時紫外光曝光之後的光譜紫外光損壞

圖四 : 原始FDP光纖在四小時紫外光曝光之後的光譜紫外光損壞

最佳化的光纖擴展至生物醫學應用

最佳化的FDP光纖對於輻射之下的缺陷中心的形成具有很強的抵抗性，在通常用於需要UV傳輸的微創生物醫療應用的較小內芯直徑光纖中，其改進尤為突出。與所有其它測試光纖相比，在較寬的輸入功率範圍中，最佳化的FDP光纖在UV輻射情況下的傳輸仍然可以保持穩定。包括工業光譜至需要UV傳輸的生物醫療的許多應用，都有可能受益於這項性能的改善。

經最佳化的FDP光纖對直徑100 μm以內的較小直徑光纖特別有效益，尤其適用於體內(in-vivo)醫療應用，在這種應用中，小尺寸和高靈活性有助於以更佳及較小創傷的方式伸展至身體中較深入的部位。高敏感性Polymicro FDP光纖可以應用在需要光激化(light activation)的光動力(photodynamic)醫學療法中，以及一系列皮膚病治療、導管和其它醫用雷射的應用和診斷測試。

Polymicro是一家符合FDA 21 CFR 820 QSR標準之醫療設備註冊製造商。FDA註冊可確保光纖材料的生物相容性，以及符合安全醫療設備在製造和運送過程中對消毒協定的要求，這些設備包括光纖、用於生物醫療感測的連接器和次級元件、內視鏡成像、即時診斷成像，和使用RF輻射的熱消融治療(thermal ablative treatment)等。

(本文作者為Molex子公司Polymicro Technologies工程經理)