光纖連接器端面研磨拋光機(jī)理與規(guī)律研究.pdf

1、光纖連接器作為目前應(yīng)用面最廣、用量最大的光無(wú)源器件，其種類、結(jié)構(gòu)形式十分豐富，隨著光纖通訊對(duì)器件質(zhì)量要求的迅速提高，目前普遍使用的制造工藝與技術(shù)都難以高水平適應(yīng)，迫切需要更深層次地認(rèn)識(shí)光纖連接器制造過(guò)程中的機(jī)理性、規(guī)律性科學(xué)問(wèn)題，以期在制造技術(shù)上取得突破。本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目《光纖器件的亞微米制造理論與關(guān)鍵技術(shù)》，針對(duì)光纖連接器制造中存在的問(wèn)題，通過(guò)理論分析、試驗(yàn)測(cè)試以及有限元仿真等方法，對(duì)光纖結(jié)合界面上光波傳輸與畸變規(guī)律、

2、光纖連接器端面研磨拋光工藝進(jìn)行了研究，建立了光學(xué)原理與器件結(jié)構(gòu)參數(shù)、制造精度、工藝參數(shù)的融合模型并找出了其中的量值規(guī)律。論文的主要研究?jī)?nèi)容及研究結(jié)果如下： (1)基于薄膜光學(xué)原理，建立了光纖端面之間間隙、表面粗糙度、變質(zhì)層等制造因素影響光纖連接器性能的數(shù)學(xué)模型。研究表明，在消除光纖端面之間的間隙后，研拋?zhàn)冑|(zhì)層是阻礙提高連接器光學(xué)性能的最主要因素。 (2)研究了連接器端面研磨拋光工藝與器件光學(xué)性能的關(guān)系。采用干涉儀、掃描電

3、子顯微鏡(SEM)、非接觸表面輪廓儀(WYKO)等，對(duì)連接器插針體端面形狀、表面質(zhì)量進(jìn)行了觀察，總結(jié)了工藝參數(shù)對(duì)連接器光學(xué)性能的影響規(guī)律，獲得了一組較優(yōu)的連接器端面研磨拋光工藝匹配參數(shù)。應(yīng)用橢圓偏振光譜儀測(cè)試了光纖端面研磨變質(zhì)層的折射率與厚度，發(fā)現(xiàn)用粒度分別為3μm、1μm、0.50μm的金剛石砂紙研磨引起的變質(zhì)層折射率相比標(biāo)準(zhǔn)光纖提高了約4.4％、3％、2.5％，相應(yīng)的變質(zhì)層厚度約為0.167μm、0.09μm、0.063μm。由變質(zhì)

4、層反推計(jì)算得到的連接器回波損耗與直接由回波損耗儀測(cè)得的結(jié)果基本一致，證明所建立的連接器光學(xué)性能與制造因素關(guān)聯(lián)數(shù)學(xué)模型正確。 (3)研究了連接器端面研磨拋光時(shí)光纖材料的去除。應(yīng)用光纖壓痕試驗(yàn)找到了實(shí)現(xiàn)光纖塑性域研磨加工的依據(jù)，并根據(jù)Bifano法則，得到實(shí)現(xiàn)光纖由脆性去除轉(zhuǎn)變到塑性去除的臨界切深dc=0.023μm；基于Hertz接觸理論，建立了陶瓷插芯與光纖組合端面研磨加工時(shí)磨粒對(duì)光纖切深的計(jì)算模型，獲得了實(shí)現(xiàn)光纖塑性域研磨的條

5、件。通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察用不同粒度的金剛石砂紙研磨后的光纖端面，發(fā)現(xiàn)存在脆性斷裂、半脆性半塑性、塑性等3種材料去除模式，在塑性去除模式下可獲得高質(zhì)量加工表面。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析計(jì)算相吻合，為研究變質(zhì)層形成的原因及有限元仿真奠定了基礎(chǔ)。 (4)研究了光纖端面研拋?zhàn)冑|(zhì)層的材料微觀結(jié)構(gòu)變化，查明了變質(zhì)層產(chǎn)生的根本原因?；诩t外光譜理論，以SiO2玻璃光纖紅外光譜特征峰波數(shù)與硅氧四面體[SiO4]單元之間Si-O-Si鍵角之間的關(guān)系為

6、基礎(chǔ)，建立了光纖紅外光譜1100cm-1特征峰波數(shù)與分子體積及折射率的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用顯微紅外光譜測(cè)試儀，對(duì)光纖研拋?zhàn)冑|(zhì)層進(jìn)行了測(cè)試，與標(biāo)準(zhǔn)光纖的紅外光譜1100cm-1特征峰波數(shù)相比較，發(fā)現(xiàn)各種研拋工藝條件下的變質(zhì)層紅外光譜1100cm-1特征峰波數(shù)均有不同程度降低，從而推論出變質(zhì)層的微觀結(jié)構(gòu)變化為硅氧四面體[SiO4]單元之間的Si-O-Si鍵的鍵角減小、分子體積被壓縮，反映到宏觀上即為折射率升高。變質(zhì)層分子體積壓縮程度及折射率增大幅

7、度與研磨拋光工藝密切相關(guān)，從半精研磨、精研磨到濕拋光，光纖端面變質(zhì)層的分子體積壓縮率從約10％降低到約5％，變質(zhì)層的計(jì)算折射率增幅與橢圓偏振儀測(cè)試結(jié)果一致，證明了光纖微觀結(jié)構(gòu)紅外光譜測(cè)試模型的準(zhǔn)確性。 (5)對(duì)光纖材料在研磨時(shí)應(yīng)遵循的屈服準(zhǔn)則進(jìn)行了研究，并應(yīng)用有限元法對(duì)光纖端面研磨變質(zhì)層的形成進(jìn)行了仿真。根據(jù)研磨過(guò)程中光纖存在塑性剪切變形及不可逆體積壓縮的變形特點(diǎn)，推論出研磨時(shí)光纖的屈服是等效剪應(yīng)力與體積應(yīng)力共同作用的結(jié)果，建立

8、了計(jì)入體積應(yīng)力引起不可逆體積變形為特點(diǎn)的光纖材料彈塑性本構(gòu)模型。基于后向歐拉法，推導(dǎo)了光纖材料本構(gòu)模型應(yīng)用在研磨過(guò)程中的應(yīng)力更新算法，借用通用有限元平臺(tái)ABAQUS的用戶自定義材料UMAT接口，編制出了相應(yīng)的計(jì)算程序，并將該應(yīng)力更新算法納入到通用有限元分析系統(tǒng)中，應(yīng)用于光纖研磨過(guò)程的仿真分析，模擬了變質(zhì)層的形成。研磨變質(zhì)層的體積壓縮率及變質(zhì)層厚度的有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本吻合，證明所建立的光纖材料本構(gòu)模型客觀地表達(dá)了其在研磨時(shí)的