基于FPGA的SPR型塑料光纖折射率檢測研究

許斌

摘 要：塑料光纖是一種由高透明聚合物作為芯層材料，以氟塑料等作為皮層材料的光導纖維，是一種非常優(yōu)質的短距離數(shù)據傳輸介質。以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）作為核心驅動芯片構建了一種基于表面等離子體共振（SPR）原理的光線折射率檢測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對一種微/納米塑料光纖的折射率傳感特性進行實驗測量。結果顯示，該種塑料纖維具有較一般塑料纖維更高的折射率傳感靈敏度，在微/納米塑料光纖直徑為25 μm、光纖耦合器輸入光源波長在635 nm時，折射最高分辨率能夠達到0.750。

關鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列;表面等離子體共振;塑料光纖;折射率傳感靈敏度

中圖分類號：TQ638 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）11-0078-04

Research on Refractive Index Measurement of SPR Plastic Fiber Based on FPGA

Xu Bin

（Shaanxi Technical College of Finance and Economics， Xianyang 712000， China）

Abstract：Plastic optical fiber is an optical guide fiber with high transparent polymer as a core layer material， and fluorine plastic as cortical materials. It is a very high-quality short-distance data transfer medium. A light refractive index detection system based on the surface plasma resonance （SPR） principle was constructed with the field Programmable gate array （FPGA） as the core drive chip to experimentally measure the refractive index sensing properties of a micro / nanoplastic optical fiber. The results show that this plastic fiber has a higher refractive index sensing sensitivity than the general plastic fiber， and the highest refractive resolution can reach 0.750 when the micro/nanoplastic fiber is 25 μm in diameter and the optical fiber coupler wavelength of the fiber coupler input light source is 635 nm.

Key words：field programmable gated array; surface plasma resonance; plastic fiber; refractive index sensing sensitivity

0 引言

塑料光纖（Plastic Optical Fiber，POF）是一種以高透明聚合物（例如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂等）為芯層材料，以有機玻璃、氟塑料等作為皮層材料的光纖[1-3]。與一般的石英光纖不同的是，POF的加工制備可以采用極為簡單的聚合拉制工藝，而不需要像石英光纖一樣經過復雜的加工與制備，整體生產成本更低。同時，POF的材質柔韌性更好、直徑的可加工范圍也更大，由此可以為光纖帶來更低的連續(xù)損耗。因此，塑料光纖已經逐漸成為一種進行短距離數(shù)據傳輸?shù)闹匾橘|。

光在介質中傳輸頻率、速率大小等，與介質本身折射率有關。當介質的折射率相同時，光波的頻率越高則光在該介質中的傳輸速率越慢;當傳輸介質的折射率不同時，介質的折射率高則光的速率越低，光纖允許的整體容量便越小。因此，折射率是影響光纖信息傳輸效率的重要參數(shù)。本文基于現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）技術搭建了一種檢測光纖折射率傳感器特性的模型，利用該模型對一種微/納米塑料光纖的折射率傳感特性進行了分析，旨在對該種塑料光纖的性能進行精準分析，得到該種塑料光纖與一般塑料光線之間的差異性。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與設備

微/納米塑料光纖（Micro/Nano Fiber，MNF）是一種基于傳統(tǒng)POF進行熱熔拉細并添加某些物質最終所得到的特殊塑料光纖材料。MNF具有降低POF傳輸模式數(shù)量，提高傳統(tǒng)塑料光纖靈敏度和分辨率的價值。此外，某些經過適當結構改造的MNF還能具有一些特殊的功能，例如能夠有效降低在塑料光纖進行光傳輸時對光的束縛，能夠有效增強塑料光纖周圍某些波的強度，從而使利用塑料光纖制備的元器件具有更強的靈敏度等。因而，MNF是一種被廣泛應用于光敏傳感器等功能器件加工的光纖。制備本實驗用微/納米塑料光纖時所用到的POF材料：塑料光纖芯材料為聚甲基丙烯酸甲酯（透明無色），護套為聚乙烯（黑色）;其部分基本參數(shù)如表1所示。

由表1可知，該型號POF具有較為穩(wěn)定的傳輸性能，光纖采用全截面阻水結構，能夠使光纖本身具有較為優(yōu)異的阻水防潮功能。同時光纖本身傳輸帶寬大，具有較強的抗電磁干擾功能，進行信號傳輸時的穩(wěn)定性和可靠性俱佳，因而被廣泛應用于工業(yè)控制信號傳輸、電力設備信號傳輸以及傳感器信號傳輸?shù)阮I域。本文選擇這種POF的另外一個原因，在于材料本身具有較高的通用性，獲取難度較低，可以獲得一種具有普遍性的實驗結果，使最終實驗結果能夠更具推廣性。

使POF變細的方法有溶劑法和熱熔拉伸法兩種。但是，使用溶劑法將POF置于有機溶劑狀態(tài)下會因為不均勻的溶劑腐蝕而使MNF的直徑不均勻，材料表面的光滑度也不夠[4-5]。因此，本文選擇熱熔拉伸法制備MNF。在進行熱熔拉伸時，先將本試驗POF材料放置在酒精燈上方，待其在酒精燈的高溫狀態(tài)下使POF熔融以后均勻拉伸材料兩端，便可以將原本毫米級的光纖拉伸為20微米級的光纖。其次，利用電烙鐵對上一步得到的光纖進一步進行加熱拉伸處理，在被電烙鐵加熱至熔融狀態(tài)以后繼續(xù)進行拉伸，進一步使POF細化，最終便可得到3 μm左右的MNF。這種MNF的制備方法極為簡單且制備的光纖本身表面較為均勻、光滑。在熱熔拉伸過程中手部力度要均勻，溫度控制要適宜，避免損壞光纖。

1.2 檢測系統(tǒng)設計與搭建

圖1所示為本實驗搭建的用于檢測塑料光纖折射率的系統(tǒng)硬件結構圖。在該系統(tǒng)中，CCD驅動模塊主要包括CCD驅動和TCD傳感模塊兩部;AD信號處理模塊包括傳感模塊和AD采集模塊兩部分;FPGA數(shù)據存儲傳輸模塊則包含了FIFO數(shù)據緩存模塊和USB通信接口兩部分。

光源在經過光纖以后會分散地照射在傳感模塊表面;此時CCD驅動器就會將光纖傳導過來的光信號轉化為電壓模擬信號傳輸至信號處理模塊進行采集;轉化以后的模擬信號將會經過FIFO數(shù)據緩存模塊進行緩存，之后與FPGA模塊之間進行數(shù)據交換;FPGA將會把交換所得的數(shù)據輸送至上位機，最終在顯示器上進行呈現(xiàn)。上位機中的軟件將會通過數(shù)據智能分析對光纖的折射率數(shù)據進行計算、統(tǒng)計等，最終得到這種MNF的折射率波動情況。

1.3 制備MNF耦合器

POF耦合器或者分束器，是一種非常常見的基本光纖器件，主要用于對彎曲狀態(tài)下的MNF進行橋接，從而實現(xiàn)光信號的分路或合路。傳統(tǒng)的光纖耦合器制備首先將光纖加熱軟化，采用類似熔融拉伸的方法對需要扭轉、彎曲的光纖部分進行拉伸得到一個固定形狀的光纖耦合器。這種加工方法操作簡單、可制作成本低，且耦合器的制作速度較快。但是這種耦合器的制備方法制備而成的耦合器耦合區(qū)域過長，對于本文中的POF而言并不適用，在微型化的實驗狀態(tài)下會占用過多的空間[6-8]。因此，本實驗對這種制備方法進行了一定幅度的優(yōu)化。本試驗在選擇塑料光纖時選擇了已經拉伸細化之后的MNF，將兩股MNF相互纏繞并拉緊，用實驗用的電烙鐵對需要彎折或拉伸的地方進行加熱，這樣便可以得到一種細化以后的光纖耦合器。這種耦合器由于原始材料為MNF，因此耦合器本身的體積較小，還同時具有一般耦合器耦合效率高、分光比可控等的優(yōu)勢。制備MNF耦合器成品如圖2所示。

1.4 實驗步驟

在進行光纖折射率對比試驗時，首先會根據MNF的不同宏彎曲半徑進行實驗劃分，得到表2所示幾組實驗材料及其對應的宏彎曲半徑。

對各組不同宏彎曲半徑MNF進行折射率檢測時，均需要用到一光源波長為635 nm的半導體激光器。利用該半導體激光器進行折射率測量模式如圖3所示。

其中，透鏡的作用是將光源設備發(fā)射出來的光源聚焦以后進行耦合，通過1.3制備的MNF耦合器導入MNF;系統(tǒng)中的功率計會收集MNF輸出端的光功率[9]。在對表2不同組MNF進行折射率測量時，會調節(jié)MNF所處環(huán)境中的葡萄糖溶液濃度來實時改變MNF的折射率，從而使各組不同MNF折射率發(fā)生相同的外部環(huán)境變化，對外部變量進行約束;在進行6次相同葡萄糖溶液濃度下折射率值測量以后用阿貝折射儀得到MNF材料不同宏彎曲半徑條件下的折射率變化情況。

2 結果與分析

2.1 實驗結果

表3所示為各組直徑為25 μm不同宏彎曲半徑實驗條件下的MNF折射率變化情況。其中，k表示輸出與輸入光功率的比值，該值能夠直接體現(xiàn)不同外界環(huán)境條件下MNF的輸出折射功率。由表3中可知，各組實驗用MNF折射率波動范圍均集中在1.333～1.392，其中去離子水狀態(tài)下的折射率數(shù)值均為各組實驗用MNF的最低值。

在不同的彎曲半徑條件下，直徑為25 μm的各組實驗材料的k值均隨著環(huán)境中葡萄糖溶液濃度的變化而變化且不同實驗材料的變化情況均較為類似。對于一個固定折射率條件下的MNF材料而言，其宏彎曲半徑的降低會引起光纖本身彎曲損耗的增大，從而導致MNF的輸出光功率降低[10];對于一個固定宏彎曲曲率半徑條件下的MNF材料而言，其外部環(huán)境中葡萄糖溶液濃度的增大將會導致其折射率降低，進而引發(fā)光纖輸出光功率的降低。從表3不同宏彎曲半徑實驗條件下的MNF折射率變化情況來看，在低折射率1.333～1.371內，折射率變化幅度較大，此時的MNF材料折射率測量靈敏度較高;在高折射率1.383～1.392內，折射率的變化幅度開始逐漸降低，表示此時的MNF折射率測量靈敏度開始降低。而隨著各組實驗材料宏彎曲半徑的不斷降低，材料折射率變化幅度逐漸平緩，表示宏彎曲曲率半徑越小則MNF的折射率測量靈敏度越低，反之則越高。

2.2 結果分析

對于MNF這種細化以后的塑料光纖而言，當其宏彎曲曲率半徑、直徑等為一固定值時，其光折射反應靈敏度主要受到外部葡萄糖溶液濃度的影響，此時的葡萄糖溶液可以視為一種光纖包層，可見光纖包層的性能會對光纖光折射敏感性產生重要影響;當其宏彎曲曲率半徑、葡萄糖溶液濃度為一固定值時，直徑越大的MNF其折射敏感率越小，反之亦然。此時小直徑的MNF周圍倏逝場強度明顯比大直徑的MNF周圍倏逝場強度更高，因此小直徑的MNF材料折射敏感率越高。綜合而言，在微/納米塑料光纖直徑為25 μm、光纖耦合器輸入光源波長在635 nm時，折射最高分辨率能夠達到0.750。

3 結語

綜上所述，本實驗基于FPGA以及SPR理論構建了一種制備和測量MNF折射率及敏感度的方法，該方法操作簡單、成本低廉，且通過實驗得到結論的效率較高。從實驗結果來看，各組MNF中最佳的光纖直徑、宏彎曲半徑搭配為：光纖直徑為25 μm，宏彎曲半徑為2.5 mm。此時的MNF折射靈敏度較高，光纖對折射率的變化更敏感。

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