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、用量最大的光無源器件，其種類、結(jié)構(gòu)形式十分豐富，隨著光纖通訊對器件質(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)識光纖連接器制造過程中的機(jī)理性、規(guī)律性科學(xué)問題，以期在制造技術(shù)上取得突破。本文依托國家自然科學(xué)基金重點項目《光纖器件的亞微米制造理論與關(guān)鍵技術(shù)》，針對光纖連接器制造中存在的問題，通過理論分析、試驗測試以及有限元仿真等方法，對光纖結(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。論文的主要研究內(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，研拋變質(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、層反推計算得到的連接器回波損耗與直接由回波損耗儀測得的結(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光纖材料的去除。應(yīng)用光纖壓痕試驗找到了實現(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磨粒對光纖切深的計算模型，獲得了實現(xiàn)光纖塑性域研磨的條

5、件。通過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。試驗結(jié)果與理論分析計算相吻合，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變質(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)用顯微紅外光譜測試儀，對光纖研拋變質(zhì)層進(jìn)行了測試，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)層的計算折射率增幅與橢圓偏振儀測試結(jié)果一致，證明了光纖微觀結(jié)構(gòu)紅外光譜測試模型的準(zhǔn)確性。 (5)對光纖材料在研磨時應(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，推論出研磨時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、了計入體積應(yīng)力引起不可逆體積變形為特點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)用在研磨過程中的應(yīng)力更新算法，借用通用有限元平臺ABAQUS的用戶自定義材料UMAT接口，編制出了相應(yīng)的計算程序，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)層厚度的有限元計算結(jié)果與試驗測試結(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)了其在研磨時的