光波導(dǎo)傳輸損耗的測量

1、南昌大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名：劉vv學(xué)號：55023110vv專業(yè)班級：vvvvvv實(shí)驗(yàn)日期：2014/9/24實(shí)驗(yàn)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(jià)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?cái)喾?Cut-OffMethod)和滑動棱鏡法(PrismSlidingMethod)在測量準(zhǔn)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(qiáng)進(jìn)行測量，可計(jì)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(diǎn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私釩CD數(shù)字成像法測量波導(dǎo)傳輸損耗的原理及實(shí)際的測量光路；2掌握用于去除散粒

2、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(jì)算傳輸衰減系數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理1.損耗機(jī)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(shí)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(rèn)為：某一位置散射出來的光強(qiáng)主要受到該點(diǎn)的傳輸光強(qiáng)、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(rèn)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(diǎn)散射光特別強(qiáng)，也可以在后期圖像處理中采用數(shù)字濾

3、波技術(shù)加以消除。因此，散射光強(qiáng)將只和該處的實(shí)際傳輸光強(qiáng)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(diǎn)的散射光強(qiáng)進(jìn)行記錄，轉(zhuǎn)換成內(nèi)部傳輸光強(qiáng)，擬合出傳輸衰減曲線并計(jì)算衰減系數(shù)。CCD攝像頭介紹電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)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(shí)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(qiáng)、噪聲低、靈敏度高等一系列特點(diǎn)，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的主要應(yīng)用之一是作為固體成像器

4、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(qiáng)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(shí)現(xiàn)實(shí)時的視頻信號輸出，從而達(dá)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(qiáng)分布進(jìn)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(jì)算帶來很大的誤差。(b)Len?thcmji圖1CCD拍攝原始圖(a)原始照片(b)傳播路徑上的散

5、射光強(qiáng)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(diǎn)均被周圍點(diǎn)的加權(quán)平均值來代替。即：(2.1)v(/n?n)=ZZv(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(diǎn)的權(quán)重函數(shù)。通常的空間均值濾波對各點(diǎn)設(shè)置相同的權(quán)重，由(2.1)可得(2.2)即：a(k,l)=1N,N是窗口W中的像素?cái)?shù)目。對應(yīng)于窗口大小為3的空間均值濾波掩wwI模圖如圖2。4傳輸損耗的計(jì)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)其中Pz=O處的初始入射光強(qiáng)，Pz是

6、z=z處的傳輸光強(qiáng)，衰減系數(shù)a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：exp：:：）.、：）（2.6）令：1=111.1:O.b0(2.6)令：1=Im.1-:=、二dieH二匕(2.7)則：；=：-八(2.8)根據(jù)線性回歸的回歸系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算出a、b后，即可得到待定系數(shù)a、b,從而計(jì)算出傳輸衰減系數(shù)。3如何在實(shí)驗(yàn)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(qiáng)只與實(shí)際傳輸光強(qiáng)成正比，而導(dǎo)模光強(qiáng)比輻射模光強(qiáng)要強(qiáng)，因此應(yīng)盡量使亮線看起來很亮。實(shí)驗(yàn)小結(jié)通過本次實(shí)驗(yàn)，我學(xué)習(xí)了CCD數(shù)字成像法測量波導(dǎo)傳輸損耗的方法，充分認(rèn)識到了該方法有別于傳統(tǒng)測量方法的無損、高精度、快速測量等優(yōu)點(diǎn)；也掌握了均值濾波算法消除圖像噪聲的