基于精確端面提取和有限元法的光子晶體光纖屬性模擬系統(tǒng)及其模擬方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種通過光纖端面圖像分析光纖屬性的方法，具體的涉及一種基于精 確端面提取和有限元法的光子晶體光纖屬性模擬系統(tǒng)及其模擬方法。
【背景技術】
[0002] 光子晶體光纖（Photonic Crystal Fibers, PCF)又被稱為多孔光纖或微結構光 纖（Micro-Structured Fibers, MSF)，其主要通過在光纖橫截面上引入不同排列形式的空 氣孔結構而實現(xiàn)折射率調制，從而形成光波導，這些空氣孔的尺寸與光波波長大致在同一 量級且貫穿光纖的整個長度，光波可以被限制在低折射率的光纖芯區(qū)傳播。這些空氣孔的 大小、形狀、位置和排列方式等的不同都可以直接影響到該光纖的特性品質。目前因受到光 纖拉制工藝的限制，所拉出來的光纖端面上經常出現(xiàn)許多不規(guī)則的空氣孔塌縮或者位置偏 移，要想準確、快速地來模擬這些光纖的屬性，首先要實現(xiàn)對光子晶體光纖端面結構的準確 提取，并探索到準確建立物理模型（即建模）的方法。
[0003] 在模擬實際光纖的屬性進行建模時，現(xiàn)有技術中通常采用"等效和理想化"的處 理方式來建模并進行屬性模擬，主要采取以下步驟：1、對實際光纖采用"等效和理想化"的 處理方式進行建模。首先利用掃描電子顯微鏡或者光學顯微鏡獲得光纖端面圖，然后把端 面圖中氣孔的形狀都看成規(guī)則的圖形，對尺寸不一的氣孔取平均大小作為建模時的氣孔尺 寸，把氣孔的隨機排布當成理想的正多邊形排布來處理。2、將模型參數(shù)導入多極法程序，重 新書寫代碼，然后進行光纖屬性的模擬。3、或者在有限元軟件中按照經"等效或理想化"的 處理方式獲得的建模參數(shù)進行模型構建，然后進行屬性計算。這種方法的缺點在于：1、建 模精度差，把端面圖當成了理想結構來處理，這種方法帶入的誤差顯然是不可忽略的，并且 不適用于對無序結構的建模處理。2、多極法只能建標準的圓形或者橢圓形，對其他形狀無 法進行建模，且建模過程不直觀，計算精度差。3、有限元法雖然允許在模型中存在不規(guī)則形 狀，但其計算精度完全取決于建模的精度，因此采用傳統(tǒng)方法模擬光纖屬性時即使采用有 限元法，也會由于建模過程的不精確導致最終結果的不準確。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明為解決上述提到的現(xiàn)有的建模中存在的缺陷與不足，提供一種基于精確端 面提取和有限元法的光子晶體光纖屬性模擬系統(tǒng)及其模擬方法，能夠通過對光纖的精準端 面結構提取，再利用有限元法快速模擬光子晶體光纖的屬性。
[0005] 具體而言，本發(fā)明提供一種基于精確端面提取和有限元法的光子晶體光纖屬性模 擬系統(tǒng)，其包括：
[0006] 光纖端面圖像采集模塊，用于利用光學聚焦顯微鏡采集原始光纖端面圖像；
[0007] 光纖端面圖像處理模塊，用于對原始光纖端面圖像進行處理，得到光纖端面結構 建模圖；
[0008] 檢測模塊，用于將光纖端面結構建模圖與原始光纖端面圖像進行處理效果檢驗， 通過比對光纖端面結構建模圖與原始光纖端面圖像是否重合，判斷光纖端面圖像處理是否 達到標準；
[0009] 用于將光纖端面結構建模圖利用有限元法進行電磁仿真，并利用后處理程序仿真 光纖的各項基本屬性；以及
[0010] 用于控制各個模塊工作并進行信息交換的控制器，所述光纖端面圖像采集模塊、 光纖端面圖像處理模塊、檢測模塊以及光纖屬性模擬模塊分別與所述控制器通訊連接。
[0011] 優(yōu)選地，所述光纖端面圖像處理模塊包括灰度處理單元、直方圖獲取單元、抽樣單 元、分離單元、數(shù)據(jù)處理單元以及邊緣提取單元，所述灰度處理單元、直方圖獲取單元、抽樣 單元、分離單元以及邊緣提取單元與所述數(shù)據(jù)處理單元通訊連接。
[0012] 優(yōu)選地，所述灰度處理單元用于對原始光纖端面圖像進行灰度化處理，得到灰度 圖；
[0013] 所述直方圖獲取單元用于獲取所述灰度圖中的灰度值以及出現(xiàn)這種灰度值的概 率之間關系的直觀表述曲線；
[0014] 所述抽樣單元用于對直觀表述曲線進行抽樣操作，并在抽樣之后確定閾值大?。?br>[0015] 所述分離單元用于根據(jù)所述抽樣單元確定的閾值對灰度圖進行分離處理，將灰度 圖中小于閾值部分的灰度值數(shù)據(jù)設置為零，將灰度圖中閾值及以上部分的灰度值數(shù)據(jù)保持 不變，從灰度圖中提取灰度值非零的像素部分形成第一圖片，從灰度圖中提取灰度值為零 的像素部分形成第二圖片；
[0016] 所述數(shù)據(jù)處理單元和邊緣提取單元用于對第一圖片以及第二圖片進行處理得到 光纖端面結構建模圖。
[0017] 優(yōu)選地，一種根據(jù)所述的基于精確端面提取和有限元法的光子晶體光纖屬性模擬 系統(tǒng)進行光子晶體光纖模擬的方法，其包括以下步驟：
[0018] S1、光纖端面圖像采集模塊利用光學聚焦顯微鏡采集原始光纖端面圖像；
[0019] S2、光纖端面圖像處理模塊對原始光纖端面圖像進行處理，得到光纖端面結構建 模圖；
[0020] S3、檢測模塊將光纖端面結構建模圖與原始光纖端面圖像進行處理效果檢驗，通 過比對光纖端面結構建模圖與原始光纖端面圖像是否能夠重合，判斷光纖端面圖像處理是 否達到標準，如果光纖端面結構建模圖與原始光纖端面圖像能夠重合，則進行下一步驟，如 不能夠重合，則利用光纖端面圖像處理模塊重新對灰度圖進行處理；
[0021] S4、光纖屬性模擬模塊利用有限元法對光纖端面結構建模圖進行電磁仿真得到固 定波長泵浦條件下光纖纖芯在保持基模傳輸時的模場圖和基模的有效折射率值，并對光纖 的各項基本屬性進行模擬。
[0022] 優(yōu)選地，光纖端面圖像處理模塊對原始光纖端面圖像進行處理，得到光纖端面結 構建模圖具體包括以下步驟：
[0023] 灰度處理單元對原始光纖端面圖像進行灰度化處理，得到處理后的灰度圖以及存 儲所述灰度圖的灰度矩陣；
[0024] 直方圖獲取單元獲取灰度圖中的灰度值與出現(xiàn)這種灰度值的概率之間關系的直 觀表述曲線；
[0025] 抽樣單元對直觀表述曲線進行抽樣操作，并在抽樣之后確定閾值大??；
[0026] 分離單元根據(jù)所述抽樣單元確定的閾值對灰度圖進行分離處理：
[0027] 將灰度圖中小于閾值部分的灰度值數(shù)據(jù)設置為零，將灰度圖中閾值及以上部分的 灰度值數(shù)據(jù)保持不變，并根據(jù)不同灰度值數(shù)據(jù)對灰度圖進行分離，從灰度圖中提取灰度值 非零的像素部分形成第一圖片，從灰度圖中提取灰度值為零的像素部分形成第二圖片；
[0028] 數(shù)據(jù)處理單元和邊緣提取單元對第一圖片以及第二圖片進行處理得到光纖端面 結構建模圖。
[0029] 優(yōu)選地，抽樣單元確定閾值大小的具體方法如下所述：
[0030] ①抽樣單元對直觀表述曲線進行抽樣操作獲得抽樣范圍，并在抽樣之后分析抽樣 范圍內每一個灰度值出現(xiàn)的概率強度值；
[0031] ②找出抽樣范圍內出現(xiàn)最小強度值時的對應灰度值大小，將該灰度值確定為閾 值。
[0032] 優(yōu)選地，一種光子晶體光纖屬性模擬系統(tǒng)模擬方法，其包括以下步驟：數(shù)據(jù)處理單 元以及邊緣提取單元對第一圖片以及第二圖片進行處理具體包括以下步驟：
[0033] 數(shù)據(jù)處理單元對第一圖片進行區(qū)域填充操作，得到第三圖片；
[0034] 數(shù)據(jù)處理單元獲取第二圖片與第三圖片的交集部分，得到第四圖片，并對第四圖 片進行膨脹、填充和溶蝕操作得到第五圖片；
[0035] 邊緣提取單元對灰度圖進行邊緣提取得到第六圖片；
[0036] 數(shù)據(jù)處理單元對第六圖片進行膨脹、填充、溶蝕和去亮點操作后得到第七圖片；
[0037] 數(shù)據(jù)處理單元對第五圖片和第七圖片進行求和得到第八圖片；
[0038] 數(shù)據(jù)處理單元對第八圖片進行黑、白反轉操作得到光纖端面結構建模圖。
[0039] 優(yōu)選地，檢測模塊將光纖端面結構建模圖與原始光纖端面圖像合并，進行處理效 果檢驗，如光纖端面結構建模圖與原始光纖端面圖像的相對應部分完全重合，則說明光纖 端面結構建模圖達到標準，如光纖端面結構建模圖不能與原始光纖端面圖像的相對應部分 完全重合，則說明光纖端面結構建模圖沒有達到標準，光纖端面圖像處理模塊對灰度圖重 新進行處理，直至獲得符合需求的光纖端面結構建模圖。
[0040] 優(yōu)選地，光纖屬性模擬模塊進行光纖基本屬性模擬包括以下步驟：
[0041]1)首先確定在有限元程序中的圖像比例尺大??；
[0042] 2)刪除比例尺部分圖像，根據(jù)比例系數(shù)將導入的光纖端面結構建模圖縮放為真實 尺寸；
[0043] 3)繪制完美匹配層對發(fā)散光進行吸收；
[0044] 4)指定光子晶體光纖的基質材料和氣孔的材料折射率屬性；
[0045] 5)設置自由空間波長值大?。?br>[0046]6)設置有效模式搜索范圍，即基模有效折射率的猜測值；
[0047] 7)設置欲求的有效模數(shù)，即設置要求出的可能解的個數(shù)；
[0048] 8)對建模圖采用三角形網格劃分，使光纖端面離散為許多小的三角形單元；
[0049] 9)對劃分好的離散區(qū)域