實(shí)驗(yàn)二十七、光波導(dǎo)傳輸損耗的測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)二十七、光波導(dǎo)傳輸損耗的測(cè)量波導(dǎo)薄膜中導(dǎo)波光的傳輸損耗是評(píng)價(jià)介質(zhì)平板波導(dǎo)的一個(gè)重要參數(shù)。傳統(tǒng)的測(cè)量光波導(dǎo) 傳輸損耗的方法如截?cái)喾?Cut-Off Method)和滑動(dòng)棱鏡法(Prism Sliding Method)在測(cè)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(duì)光波導(dǎo)內(nèi)部的傳輸光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)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(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私釩CD數(shù)字成像法測(cè)量波導(dǎo)傳輸損耗的原理及實(shí)際的測(cè)量光路；掌握用于去除散粒噪聲的中值濾波圖像處理技術(shù)；通過傳輸曲線的擬合計(jì)算傳輸衰減系數(shù)。實(shí)驗(yàn)儀器半導(dǎo)體激光器(650n

2、m)、偏振棱鏡、透鏡；待測(cè)離子交換光波導(dǎo)片；數(shù)字成像器件CCD和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中使用的是自帶視頻信號(hào)輸出的CCD。預(yù)習(xí)提示光波導(dǎo)的損耗有哪些？什么是數(shù)字濾波技術(shù)？實(shí)驗(yàn)原理損耗機(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。測(cè)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(gè)因素的影響可以認(rèn)為

3、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(duì)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)。圖像噪聲的消除在波導(dǎo)傳輸線靜態(tài)數(shù)字照片上，對(duì)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)v(/n,n)= 云云碩J)伽-)(2.1)v (m, n)和y (m, n)分別是處理前和處理后的圖像，W是一個(gè)確定大小的窗口，a (

4、k, 1)是各 點(diǎn)的權(quán)重函數(shù)。通常的空間均值濾波對(duì)各點(diǎn)設(shè)置相同的權(quán)重，由(2.1)可得(2.2)= 云云 J3? - K.；i T)BP： a(k,l) = 1N ,N是窗口W中的像素?cái)?shù)目。對(duì)應(yīng)于窗口大小為3的空間均值濾波掩模圖如 圖2。111999J_9111999-101-1 G 1圖2空間均值濾波掩模a(k,1)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 衰減可表小為： TOC o 1-5 h z F =已 exci - - 31(2.3)其中Po是2=0處的初始入射光強(qiáng)，烏是z=z處的傳輸光強(qiáng)，衰減系數(shù)a定義為：n：-危注(2.4)

5、L = 一1二1“|(2.5)乙就是所關(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：y = ln() - x = x . a! = ln(G - b! = b(2.7)則：二一(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、。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)。圖3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與光路CCD攝像頭介紹電荷耦合器件(Charge Coupled Device)簡(jiǎn)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(shí)，這種MO

6、S 電容在時(shí)序脈沖的作用下，實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)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(hào)處理和數(shù)字存 儲(chǔ)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件，其成像原理如下。光子入射于CCD陣列上 產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，電子在存儲(chǔ)電極的作用下，會(huì)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(shí)鐘脈沖電壓加到電極上時(shí)，電荷包從一個(gè)存儲(chǔ)單元 轉(zhuǎn)移到另一個(gè)存儲(chǔ)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(shí) 加入行同步和幀同步信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的視頻信號(hào)輸出，從而達(dá)到攝像的目的。實(shí)驗(yàn)

7、內(nèi)容與測(cè)量圖3光波導(dǎo)傳輸損耗測(cè)量計(jì)算機(jī)工作界面為了能夠更方便地進(jìn)行波導(dǎo)傳輸損耗的測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)專用測(cè)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(jì)算集成在一起，對(duì)波導(dǎo)傳輸損耗 進(jìn)行測(cè)量。波導(dǎo)傳輸線的調(diào)整實(shí)驗(yàn)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。波導(dǎo)傳輸線拍攝用CCD對(duì)波導(dǎo)內(nèi)傳輸線進(jìn)行拍攝。CCD把拍攝到的景物轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)輸出，圖像采 集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行幀提取，并以數(shù)據(jù)文件的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的硬盤上。圖像板還能對(duì)輸入信 號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(duì)端口編程來實(shí) 現(xiàn)的。圖像的定標(biāo)將保存的波導(dǎo)傳輸線靜態(tài)數(shù)字

8、照片調(diào)出，在波導(dǎo)傳輸線上選中兩點(diǎn)，測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間對(duì)應(yīng)的 波導(dǎo)片上的距離，輸入計(jì)算機(jī)。圖像噪聲的消除在波導(dǎo)傳輸線靜態(tài)數(shù)字照片上，對(duì)傳輸線的光強(qiáng)分布進(jìn)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(jì)算帶誤差。用鼠標(biāo)選定傳輸線濾波的范圍，點(diǎn)擊濾波”菜單按 鈕，計(jì)算機(jī)采用均值濾波算法依照程序?qū)D像進(jìn)行濾波處理，消除圖像的噪聲。傳輸損耗的計(jì)算點(diǎn)擊“分布”菜單按鈕，提取已經(jīng)過濾波的選定圖像的光強(qiáng)分布，測(cè)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。注意事項(xiàng)入射光束不可太弱也不宜過強(qiáng)。光束太弱，傳輸線亮度太低，有可能低于CCD的閾 值光強(qiáng)或被背景噪聲淹沒。光束過強(qiáng)，有可能使CCD的響應(yīng)飽和，影響

9、擬合精度；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(huì)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；在靠近棱鏡與波導(dǎo)的耦合點(diǎn)附近，由于散射光特別強(qiáng)，傳輸線顯得又粗又亮。這顯然 不能真實(shí)反映波導(dǎo)內(nèi)部光場(chǎng)強(qiáng)度，因此最好用黑紙條將這一部分遮起來。思考題光波傳輸損耗有哪些因素引起的？答：波導(dǎo)的材料的散射和吸收引起的損耗?；谋砻婀鉂嵍仁軖伖夤に嚨南拗疲缑娴牟灰?guī)則導(dǎo)致導(dǎo)模與輻射橫向的 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。如何在實(shí)驗(yàn)中區(qū)分輻射摸和導(dǎo)模在波導(dǎo)片產(chǎn)生的亮線？答：其實(shí)波導(dǎo)由于界面不平整以及波導(dǎo)內(nèi)部雜志散射體導(dǎo)模轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?。散射?強(qiáng)只和該處的實(shí)驗(yàn)傳輸光強(qiáng)線成正比