光波導傳輸損耗的測量

1、南昌大學實驗報告學生姓名：劉vv學號：55023110vv專業(yè)班級：vvvvvv實驗日期：2014/9/24實驗成績：光波導傳輸損耗的測量波導薄膜中導波光的傳輸損耗是評價介質(zhì)平板波導的一個重要參數(shù)。傳統(tǒng)的測量光波導傳輸損耗的方法如截斷法(Cut-OffMethod)和滑動棱鏡法(PrismSlidingMethod)在測量準確性和方便性方面均存在著較大的問題，難以獲得廣泛的應用。采用CCD數(shù)字成像器件，通過數(shù)字成像對光波導內(nèi)部的傳輸光強進行測量，可計算得到波導的傳輸損耗，該方法具有無損、高精度快速測量等優(yōu)點。實驗目的了解CCD數(shù)字成像法測量波導傳輸損耗的原理及實際的測量光路；2掌握用于去除散粒

2、噪聲的中值濾波圖像處理技術；3.通過傳輸曲線的擬合計算傳輸衰減系數(shù)。實驗原理1.損耗機理光波導器件傳輸損耗主要由以下因素產(chǎn)生：波導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)則導致導模與輻射模間的耦合而引起的損耗；波導表面彎曲，引起能量輻射造成損耗。2測量原理真實波導由于界面不平整以及波導內(nèi)部雜質(zhì)散射，使導模轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?。可以認為：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，也可以在后期圖像處理中采用數(shù)字濾

3、波技術加以消除。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(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體器件。其基本結構是緊密排列的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)字存儲等領域發(fā)揮著日益重要的作用。CCD的主要應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成正比，相當于把外景成像在器件上。當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)波導雜散光十分明顯，如圖1，雜散光相當于噪聲必須消除，否則將給傳輸衰減系數(shù)的計算帶來很大的誤差。(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。該算法相當于一個低通濾波器，圖像上的每一點均被周圍點的加權平均值來代替。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)是各點的權重函數(shù)。通常的空間均值濾波對各點設置相同的權重，由(2.1)可得(2.2)即：a(k,l)=1N,N是窗口W中的像素數(shù)目。對應于窗口大小為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，Pz是

6、z=z處的傳輸光強，衰減系數(shù)a定義為:(2.4)(2.5)L就是所關心的光波導傳輸損耗。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)分輻射模和導模在波導片上產(chǎn)生的亮線？答：由于散射光強只與實際傳輸光強成正比，而導模光強比輻射模光強要強，因此應盡量使亮線看起來很亮。實驗小結通過本次實驗，我學習了CCD數(shù)字成像法測量波導傳輸損耗的方法，充分認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；也掌握了均值濾波算法消除圖像噪聲的