[发明专利]基于精确端面提取和有限元法的光子晶体光纤属性模拟系统及其模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过光纤端面图像分析光纤属性的方法，具体的涉及一种基于精确端面提取和有限元法的光子晶体光纤属性模拟系统及其模拟方法。

背景技术

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers,PCF)又被称为多孔光纤或微结构光纤(Micro-Structured Fibers,MSF)，其主要通过在光纤横截面上引入不同排列形式的空气孔结构而实现折射率调制，从而形成光波导，这些空气孔的尺寸与光波波长大致在同一量级且贯穿光纤的整个长度，光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播。这些空气孔的大小、形状、位置和排列方式等的不同都可以直接影响到该光纤的特性品质。目前因受到光纤拉制工艺的限制，所拉出来的光纤端面上经常出现许多不规则的空气孔塌缩或者位置偏移，要想准确、快速地来模拟这些光纤的属性，首先要实现对光子晶体光纤端面结构的准确提取，并探索到准确建立物理模型(即建模)的方法。

在模拟实际光纤的属性进行建模时，现有技术中通常采用“等效和理想化”的处理方式来建模并进行属性模拟，主要采取以下步骤：1、对实际光纤采用“等效和理想化”的处理方式进行建模。首先利用扫描电子显微镜或者光学显微镜获得光纤端面图，然后把端面图中气孔的形状都看成规则的图形，对尺寸不一的气孔取平均大小作为建模时的气孔尺寸，把气孔的随机排布当成理想的正多边形排布来处理。2、将模型参数导入多极法程序，重新书写代码，然后进行光纤属性的模拟。3、或者在有限元软件中按照经“等效或理想化”的处理方式获得的建模参数进行模型构建，然后进行属性计算。这种方法的缺点在于：1、建模精度差，把端面图当成了理想结构来处理，这种方法带入的误差显然是不可忽略的，并且不适用于对无序结构的建模处理。2、多极法只能建标准的圆形或者椭圆形，对其他形状无法进行建模，且建模过程不直观，计算精度差。3、有限元法虽然允许在模型中存在不规则形状，但其计算精度完全取决于建模的精度，因此采用传统方法模拟光纤属性时即使采用有限元法，也会由于建模过程的不精确导致最终结果的不准确。

发明内容

本发明为解决上述提到的现有的建模中存在的缺陷与不足，提供一种基于精确端面提取和有限元法的光子晶体光纤属性模拟系统及其模拟方法，能够通过对光纤的精准端面结构提取，再利用有限元法快速模拟光子晶体光纤的属性。

具体而言，本发明提供一种基于精确端面提取和有限元法的光子晶体光纤属性模拟系统，其包括：

光纤端面图像采集模块，用于利用光学聚焦显微镜采集原始光纤端面图像；

光纤端面图像处理模块，用于对原始光纤端面图像进行处理，得到光纤端面结构建模图；

检测模块，用于将光纤端面结构建模图与原始光纤端面图像进行处理效果检验，通过比对光纤端面结构建模图与原始光纤端面图像是否重合，判断光纤端面图像处理是否达到标准；

用于将光纤端面结构建模图利用有限元法进行电磁仿真，并利用后处理程序仿真光纤的各项基本属性；以及

用于控制各个模块工作并进行信息交换的控制器，所述光纤端面图像采集模块、光纤端面图像处理模块、检测模块以及光纤属性模拟模块分别与所述控制器通讯连接。

优选地，所述光纤端面图像处理模块包括灰度处理单元、直方图获取单元、抽样单元、分离单元、数据处理单元以及边缘提取单元，所述灰度处理单元、直方图获取单元、抽样单元、分离单元以及边缘提取单元与所述数据处理单元通讯连接。

优选地，所述灰度处理单元用于对原始光纤端面图像进行灰度化处理，得到灰度图；

所述直方图获取单元用于获取所述灰度图中的灰度值以及出现这种灰度值的概率之间关系的直观表述曲线；

所述抽样单元用于对直观表述曲线进行抽样操作，并在抽样之后确定阈值大小；

所述分离单元用于根据所述抽样单元确定的阈值对灰度图进行分离处理，将灰度图中小于阈值部分的灰度值数据设置为零，将灰度图中阈值及以上部分的灰度值数据保持不变，从灰度图中提取灰度值非零的像素部分形成第一图片，从灰度图中提取灰度值为零的像素部分形成第二图片；

所述数据处理单元和边缘提取单元用于对第一图片以及第二图片进行处理得到光纤端面结构建模图。

优选地，一种根据所述的基于精确端面提取和有限元法的光子晶体光纤属性模拟系统进行光子晶体光纤模拟的方法，其包括以下步骤：

S1、光纤端面图像采集模块利用光学聚焦显微镜采集原始光纤端面图像；

S2、光纤端面图像处理模块对原始光纤端面图像进行处理，得到光纤端面结构建模图；