许斌

摘 要：塑料光纤是一种由高透明聚合物作为芯层材料，以氟塑料等作为皮层材料的光导纤维，是一种非常优质的短距离数据传输介质。以现场可编程门阵列（FPGA）作为核心驱动芯片构建了一种基于表面等离子体共振（SPR）原理的光线折射率检测系统，利用该系统对一种微/纳米塑料光纤的折射率传感特性进行实验测量。结果显示，该种塑料纤维具有较一般塑料纤维更高的折射率传感灵敏度，在微/纳米塑料光纤直径为25 μm、光纤耦合器输入光源波长在635 nm时，折射最高分辨率能够达到0.750。

关键词：现场可编程门阵列;表面等离子体共振;塑料光纤;折射率传感灵敏度

中图分类号：TQ638 文献标识码：A     文章编号：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

塑料光纤（Plastic Optical Fiber，POF）是一种以高透明聚合物（例如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂等）为芯层材料，以有机玻璃、氟塑料等作为皮层材料的光纤[1-3]。与一般的石英光纤不同的是，POF的加工制备可以采用极为简单的聚合拉制工艺，而不需要像石英光纤一样经过复杂的加工与制备，整体生产成本更低。同时，POF的材质柔韧性更好、直径的可加工范围也更大，由此可以为光纤带来更低的连续损耗。因此，塑料光纤已经逐渐成为一种进行短距离数据传输的重要介质。

光在介质中传输频率、速率大小等，与介质本身折射率有关。当介质的折射率相同时，光波的频率越高则光在该介质中的传输速率越慢;当传输介质的折射率不同时，介质的折射率高则光的速率越低，光纤允许的整体容量便越小。因此，折射率是影响光纤信息传输效率的重要参数。本文基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）技术搭建了一种检测光纤折射率传感器特性的模型，利用该模型对一种微/纳米塑料光纤的折射率传感特性进行了分析，旨在对该种塑料光纤的性能进行精准分析，得到该种塑料光纤与一般塑料光线之间的差异性。

1 材料与方法

1.1 实验材料与设备

微/纳米塑料光纤（Micro/Nano Fiber，MNF）是一种基于传统POF进行热熔拉细并添加某些物质最终所得到的特殊塑料光纤材料。MNF具有降低POF传输模式数量，提高传统塑料光纤灵敏度和分辨率的价值。此外，某些经过适当结构改造的MNF还能具有一些特殊的功能，例如能够有效降低在塑料光纤进行光传输时对光的束缚，能够有效增强塑料光纤周围某些波的强度，从而使利用塑料光纤制备的元器件具有更强的灵敏度等。因而，MNF是一种被广泛应用于光敏传感器等功能器件加工的光纤。制备本实验用微/纳米塑料光纤时所用到的POF材料：塑料光纤芯材料为聚甲基丙烯酸甲酯（透明无色），护套为聚乙烯（黑色）;其部分基本参数如表1所示。

由表1可知，该型号POF具有较为稳定的传输性能，光纤采用全截面阻水结构，能够使光纤本身具有较为优异的阻水防潮功能。同时光纤本身傳输带宽大，具有较强的抗电磁干扰功能，进行信号传输时的稳定性和可靠性俱佳，因而被广泛应用于工业控制信号传输、电力设备信号传输以及传感器信号传输等领域。本文选择这种POF的另外一个原因，在于材料本身具有较高的通用性，获取难度较低，可以获得一种具有普遍性的实验结果，使最终实验结果能够更具推广性。

使POF变细的方法有溶剂法和热熔拉伸法两种。但是，使用溶剂法将POF置于有机溶剂状态下会因为不均匀的溶剂腐蚀而使MNF的直径不均匀，材料表面的光滑度也不够[4-5]。因此，本文选择热熔拉伸法制备MNF。在进行热熔拉伸时，先将本试验POF材料放置在酒精灯上方，待其在酒精灯的高温状态下使POF熔融以后均匀拉伸材料两端，便可以将原本毫米级的光纤拉伸为20微米级的光纤。其次，利用电烙铁对上一步得到的光纤进一步进行加热拉伸处理，在被电烙铁加热至熔融状态以后继续进行拉伸，进一步使POF细化，最终便可得到3 μm左右的MNF。这种MNF的制备方法极为简单且制备的光纤本身表面较为均匀、光滑。在热熔拉伸过程中手部力度要均匀，温度控制要适宜，避免损坏光纤。

1.2 检测系统设计与搭建

图1所示为本实验搭建的用于检测塑料光纤折射率的系统硬件结构图。在该系统中，CCD驱动模块主要包括CCD驱动和TCD传感模块两部;AD信号处理模块包括传感模块和AD采集模块两部分;FPGA数据存储传输模块则包含了FIFO数据缓存模块和USB通信接口两部分。

光源在经过光纤以后会分散地照射在传感模块表面;此时CCD驱动器就会将光纤传导过来的光信号转化为电压模拟信号传输至信号处理模块进行采集;转化以后的模拟信号将会经过FIFO数据缓存模块进行缓存，之后与FPGA模块之间进行数据交换;FPGA将会把交换所得的数据输送至上位机，最终在显示器上进行呈现。上位机中的软件将会通过数据智能分析对光纤的折射率数据进行计算、统计等，最终得到这种MNF的折射率波动情况。

1.3 制备MNF耦合器

POF耦合器或者分束器，是一种非常常见的基本光纤器件，主要用于对弯曲状态下的MNF进行桥接，从而实现光信号的分路或合路。传统的光纤耦合器制备首先将光纤加热软化，采用类似熔融拉伸的方法对需要扭转、弯曲的光纤部分进行拉伸得到一个固定形状的光纤耦合器。这种加工方法操作简单、可制作成本低，且耦合器的制作速度较快。但是这种耦合器的制备方法制备而成的耦合器耦合区域过长，对于本文中的POF而言并不适用，在微型化的实验状态下会占用过多的空间[6-8]。因此，本实验对这种制备方法进行了一定幅度的优化。本试验在选择塑料光纤时选择了已经拉伸细化之后的MNF，将两股MNF相互缠绕并拉紧，用實验用的电烙铁对需要弯折或拉伸的地方进行加热，这样便可以得到一种细化以后的光纤耦合器。这种耦合器由于原始材料为MNF，因此耦合器本身的体积较小，还同时具有一般耦合器耦合效率高、分光比可控等的优势。制备MNF耦合器成品如图2所示。

1.4 实验步骤

在进行光纤折射率对比试验时，首先会根据MNF的不同宏弯曲半径进行实验划分，得到表2所示几组实验材料及其对应的宏弯曲半径。

对各组不同宏弯曲半径MNF进行折射率检测时，均需要用到一光源波长为635 nm的半导体激光器。利用该半导体激光器进行折射率测量模式如图3所示。

其中，透镜的作用是将光源设备发射出来的光源聚焦以后进行耦合，通过1.3制备的MNF耦合器导入MNF;系统中的功率计会收集MNF输出端的光功率[9]。在对表2不同组MNF进行折射率测量时，会调节MNF所处环境中的葡萄糖溶液浓度来实时改变MNF的折射率，从而使各组不同MNF折射率发生相同的外部环境变化，对外部变量进行约束;在进行6次相同葡萄糖溶液浓度下折射率值测量以后用阿贝折射仪得到MNF材料不同宏弯曲半径条件下的折射率变化情况。

2 结果与分析

2.1 实验结果

表3所示为各组直径为25 μm不同宏弯曲半径实验条件下的MNF折射率变化情况。其中，k表示输出与输入光功率的比值，该值能够直接体现不同外界环境条件下MNF的输出折射功率。由表3中可知，各组实验用MNF折射率波动范围均集中在1.333～1.392，其中去离子水状态下的折射率数值均为各组实验用MNF的最低值。

在不同的弯曲半径条件下，直径为25 μm的各组实验材料的k值均随着环境中葡萄糖溶液浓度的变化而变化且不同实验材料的变化情况均较为类似。对于一个固定折射率条件下的MNF材料而言，其宏弯曲半径的降低会引起光纤本身弯曲损耗的增大，从而导致MNF的输出光功率降低[10];对于一个固定宏弯曲曲率半径条件下的MNF材料而言，其外部环境中葡萄糖溶液浓度的增大将会导致其折射率降低，进而引发光纤输出光功率的降低。从表3不同宏弯曲半径实验条件下的MNF折射率变化情况来看，在低折射率1.333～1.371内，折射率变化幅度较大，此时的MNF材料折射率测量灵敏度较高;在高折射率1.383～1.392内，折射率的变化幅度开始逐渐降低，表示此时的MNF折射率测量灵敏度开始降低。而随着各组实验材料宏弯曲半径的不断降低，材料折射率变化幅度逐渐平缓，表示宏弯曲曲率半径越小则MNF的折射率测量灵敏度越低，反之则越高。

2.2 结果分析

对于MNF这种细化以后的塑料光纤而言，当其宏弯曲曲率半径、直径等为一固定值时，其光折射反应灵敏度主要受到外部葡萄糖溶液浓度的影响，此时的葡萄糖溶液可以视为一种光纤包层，可见光纤包层的性能会对光纤光折射敏感性产生重要影响;当其宏弯曲曲率半径、葡萄糖溶液浓度为一固定值时，直径越大的MNF其折射敏感率越小，反之亦然。此时小直径的MNF周围倏逝场强度明显比大直径的MNF周围倏逝场强度更高，因此小直径的MNF材料折射敏感率越高。综合而言，在微/纳米塑料光纤直径为25 μm、光纤耦合器输入光源波长在635 nm时，折射最高分辨率能够达到0.750。

3 结语

综上所述，本实验基于FPGA以及SPR理论构建了一种制备和测量MNF折射率及敏感度的方法，该方法操作简单、成本低廉，且通过实验得到结论的效率较高。从实验结果来看，各组MNF中最佳的光纤直径、宏弯曲半径搭配为：光纤直径为25 μm，宏弯曲半径为2.5 mm。此时的MNF折射灵敏度较高，光纤对折射率的变化更敏感。

参考文献

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