光波導(dǎo)傳輸損耗的測量

1、 南昌大學(xué)實驗報告學(xué)生姓名： 劉vv 學(xué) 號： vv 專業(yè)班級： vvvvvv實驗日期： 2014/9/24 實驗成績： 光波導(dǎo)傳輸損耗的測量 波導(dǎo)薄膜中導(dǎo)波光的傳輸損耗是評價介質(zhì)平板波導(dǎo)的一個重要參數(shù)。傳統(tǒng)的測量光波導(dǎo)傳輸損耗的方法如截斷法（Cut-Off Method）和滑動棱鏡法（Prism Sliding Method）在測量準確性和方便性方面均存在著較大的問題，難以獲得廣泛的應(yīng)用。采用CCD數(shù)字成像器件，通過數(shù)字成像對光波導(dǎo)內(nèi)部的傳輸光強進行測量，可計算得到波導(dǎo)的傳輸損耗，該方法具有無損、高精度快速測量等優(yōu)點。實驗?zāi)康? 了解CCD數(shù)字成像法測量波導(dǎo)傳輸損耗的原理及實際的測量光路；2

2、 掌握用于去除散粒噪聲的中值濾波圖像處理技術(shù)；3 通過傳輸曲線的擬合計算傳輸衰減系數(shù)。實驗原理 1.損耗機理光波導(dǎo)器件傳輸損耗主要由以下因素產(chǎn)生：波導(dǎo)材料的散射和吸收引起的損耗；基片的表面光潔度受到拋光工藝的限制；界面的不規(guī)則導(dǎo)致導(dǎo)模與輻射模間的耦合而引起的損耗；波導(dǎo)表面彎曲，引起能量輻射造成損耗。 2測量原理真實波導(dǎo)由于界面不平整以及波導(dǎo)內(nèi)部雜質(zhì)散射，使導(dǎo)模轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠！？梢哉J為：某一位置散射出來的光強主要受到該點的傳輸光強、界面不平整程度、雜質(zhì)多少的影響。整塊波導(dǎo)是在特定條件下一次性制備，后兩個因素的影響可以認為在整塊波導(dǎo)中平均分布，即使由于雜質(zhì)大小有漲落而出現(xiàn)某點散射光特別強，也可以在后

3、期圖像處理中采用數(shù)字濾波技術(shù)加以消除。因此，散射光強將只和該處的實際傳輸光強成正比。據(jù)此，可以采用數(shù)字成像器件CCD對傳輸線上各點的散射光強進行記錄，轉(zhuǎn)換成內(nèi)部傳輸光強，擬合出傳輸衰減曲線并計算衰減系數(shù)。CCD攝像頭介紹電荷耦合器件（Charge Coupled Device）簡稱CCD。它是七十年代以來發(fā)展起來的一種新型高集成度半導(dǎo)體器件。其基本結(jié)構(gòu)是緊密排列的MOS電容陣列。工作時，這種MOS電容在時序脈沖的作用下，實現(xiàn)電荷的存儲和轉(zhuǎn)移。CCD具有工作電壓低、功耗小、體積小、抗電磁能力干擾強、噪聲低、靈敏度高等一系列特點，在攝像、模擬信號處理和數(shù)字存儲等領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。CCD的主

4、要應(yīng)用之一是作為固體成像器件，其成像原理如下。光子入射于CCD陣列上產(chǎn)生電子空穴對，電子在存儲電極的作用下，會聚成電荷包，電荷包的分布與景物光強成正比，相當(dāng)于把外景成像在器件上。當(dāng)時鐘脈沖電壓加到電極上時，電荷包從一個存儲單元轉(zhuǎn)移到另一個存儲單元，并從輸出二極管依次輸出。CCD的這種自掃描特性使得只需定時加入行同步和幀同步信號就可以實現(xiàn)實時的視頻信號輸出，從而達到攝像的目的。 3圖像噪聲的消除在波導(dǎo)傳輸線靜態(tài)數(shù)字照片上，對傳輸光強分布進行研究，發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)雜散光十分明顯，如圖1，雜散光相當(dāng)于噪聲必須消除，否則將給傳輸衰減系數(shù)的計算帶來很大的誤差。Relative Intensity圖1 CCD 拍

5、攝原始圖(a)原始照片 (b)傳播路徑上的散射光強分布 消除數(shù)字圖像噪聲的方法有很多種，本文采用的是均值濾波算法。該算法相當(dāng)于一個低通濾波器，圖像上的每一點均被周圍點的加權(quán)平均值來代替。即： (2.1)n (m，n)和y (m，n)分別是處理前和處理后的圖像， W是一個確定大小的窗口，a (k，l)是各點的權(quán)重函數(shù)。通常的空間均值濾波對各點設(shè)置相同的權(quán)重，由(2.1)可得 (2.2) 即：,是窗口W中的像素數(shù)目。對應(yīng)于窗口大小為3的空間均值濾波掩模圖如圖2。圖2 空間均值濾波掩模4傳輸損耗的計算經(jīng)過空間均值濾波的處理，得到了一條傳輸衰減曲線。有損耗的導(dǎo)模功率隨傳播距離的衰減可表示為： (2.3

6、)其中P0是z=0處的初始入射光強，Pz是z=z處的傳輸光強，衰減系數(shù)定義為： (2.4) (2.5)L就是所關(guān)心的光波導(dǎo)傳輸損耗。因此我們所需要擬合的是一條指數(shù)衰減曲線。通過參數(shù)變換，可將非線性回歸轉(zhuǎn)化為線性回歸，設(shè)待擬合曲線方程為： (2.6)令： (2.7)則： (2.8)根據(jù)線性回歸的回歸系數(shù)計算公式計算出a、b后，即可得到待定系數(shù)a、b，從而計算出傳輸衰減系數(shù)。實驗儀器及裝置實驗儀器：半導(dǎo)體激光器（650nm）、偏振棱鏡，透鏡，透鏡耦合實驗臺；待測離子交換光波導(dǎo)片；數(shù)字成像CCD和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（包括電腦、專用軟件）。實驗裝置如圖3所示。圖3 實驗系統(tǒng)與光路實驗內(nèi)容與測量為了能夠更方便

7、地進行波導(dǎo)傳輸損耗的測量，本實驗設(shè)計了一個專用測量軟件如圖4所示。該軟件把數(shù)字圖像處理、衰減曲線擬合及波導(dǎo)損耗計算集成在一起，對波導(dǎo)傳輸損耗進行測量。 圖3 光波導(dǎo)傳輸損耗測量計算機工作界面1波導(dǎo)傳輸線的調(diào)整實驗光路如圖3，調(diào)整光路，區(qū)分傳輸模和輻射模的不同，調(diào)出波導(dǎo)的傳輸模。2波導(dǎo)傳輸線拍攝用CCD對波導(dǎo)內(nèi)傳輸線進行拍攝。CCD把拍攝到的景物轉(zhuǎn)換成視頻信號輸出，圖像采集卡對信號進行幀提取，并以數(shù)據(jù)文件的形式存儲在計算機的硬盤上。圖像板還能對輸入信號進行實時處理并回顯，為拍攝提供了監(jiān)視手段，這一切都是利用軟件通過對端口編程來實現(xiàn)的。3 圖像的定標將保存的波導(dǎo)傳輸線靜態(tài)數(shù)字照片調(diào)出，在波導(dǎo)傳輸線

8、上選中兩點，測量兩點間對應(yīng)的波導(dǎo)片上的距離，輸入計算機。 4 圖像噪聲的消除 在波導(dǎo)傳輸線靜態(tài)數(shù)字照片上，對傳輸線的光強分布進行濾波，消除波導(dǎo)雜散光帶來的噪聲，減少傳輸衰減系數(shù)的計算帶誤差。用鼠標選定傳輸線濾波的范圍，點擊“濾波”菜單按鈕，計算機采用均值濾波算法依照程序?qū)D像進行濾波處理，消除圖像的噪聲。5傳輸損耗的計算 點擊“分布”菜單按鈕，提取已經(jīng)過濾波的選定圖像的光強分布，測量程序采用線性回歸方法給出回歸系數(shù)和波導(dǎo)的傳輸損耗。通過軟件計算得回歸系數(shù)為0.783，波導(dǎo)的傳輸損耗為0.501DB/cm注意事項1. 入射光束不可太弱也不宜過強。光束太弱，傳輸線亮度太低，有可能低于CCD的閾值光

9、強或被背景噪聲淹沒。光束過強，有可能使CCD的響應(yīng)飽和，影響擬合精度；2. CCD探頭不宜離波導(dǎo)太近，否則探頭通過波導(dǎo)的玻璃襯底所成像也會被拍攝下來，從而帶來不必要的噪聲。CCD除鏡頭外最好用黑布包裹，減小反射光干擾； 3. 在靠近棱鏡與波導(dǎo)的耦合點附近，由于散射光特別強，傳輸線顯得又粗又亮。這顯然不能真實反映波導(dǎo)內(nèi)部光場強度，因此最好用黑紙條將這一部分遮起來。思考題1光波導(dǎo)傳輸損耗有哪些因素引起的？答：光波導(dǎo)器件傳輸損耗主要由以下因素產(chǎn)生：波導(dǎo)材料的散射和吸收引起的損耗；基片的表面光潔度受到拋光工藝的限制；界面的不規(guī)則導(dǎo)致導(dǎo)模與輻射模間的耦合而引起的損耗；波導(dǎo)表面彎曲，引起能量輻射造成損耗。

10、2實驗中采用最小二乘法擬合，確定光波導(dǎo)傳輸損耗，請寫出具體的擬合計算方法。答：消除數(shù)字圖像噪聲的方法有很多種，本文采用的是均值濾波算法。該算法相當(dāng)于一個低通濾波器，圖像上的每一點均被周圍點的加權(quán)平均值來代替。即：n (m，n)和y (m，n)分別是處理前和處理后的圖像， W是一個確定大小的窗口，a (k，l)是各點的權(quán)重函數(shù)。通常的空間均值濾波對各點設(shè)置相同的權(quán)重，由(2.1)可得 (2.2) 即：,是窗口W中的像素數(shù)目。經(jīng)過空間均值濾波的處理，得到了一條傳輸衰減曲線。有損耗的導(dǎo)模功率隨傳播距離的衰減可表示為： (2.3)其中P0是z=0處的初始入射光強，Pz是z=z處的傳輸光強，衰減系數(shù)定義為： (2.4) (2.5)L就是所關(guān)心的光波導(dǎo)傳輸損耗。因此所需要擬合的是一條指數(shù)衰減曲線。通過參數(shù)變換，可將非線性回歸轉(zhuǎn)化為線性回歸，設(shè)待擬合曲線方程為： (2.6)令： (2.7)則： (2.8)根據(jù)線性回歸的回歸系數(shù)計算公式計算出a、b后，即可得到待定系數(shù)a、b，從而計算出傳輸衰減系數(shù)。3如何在實驗中區(qū)分輻射模和導(dǎo)模在波導(dǎo)片上產(chǎn)生的亮線？答：由于散射光強只與實際傳輸光強成正比，而導(dǎo)模光強比輻射模光強要強，因此應(yīng)盡量使亮線看起來很亮。實驗小結(jié) 通過本次實驗，我學(xué)習(xí)