李俊偉 鄧興虎 文雁平 楊毓彬 張斌

摘 要：在直接耦合波導(dǎo)光纖環(huán)模塊光纖陀螺研究應(yīng)用過(guò)程中，保偏光纖環(huán)光纖端面研磨加工，是實(shí)現(xiàn)保偏光纖環(huán)與Y波導(dǎo)芯片直接耦合的先決條件。為此，本文提出了一種實(shí)現(xiàn)保偏光纖環(huán)光纖研磨的方法，并制作研磨9支保偏光纖環(huán)。經(jīng)檢驗(yàn)，其端面研磨質(zhì)量達(dá)到目標(biāo)要求，與常規(guī)保偏光纖研磨后端面質(zhì)量一致。

關(guān)鍵詞：光纖陀螺;光纖環(huán)直接耦合;保偏光纖環(huán)研磨

0 引言

為解決Y波導(dǎo)與保偏光纖環(huán)光纖熔接點(diǎn)引入的偏振交叉耦合以及背向反射，進(jìn)一步提高光纖陀螺測(cè)量精度，光纖陀螺應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域提出了保偏光纖環(huán)與Y波導(dǎo)芯片直接耦合工藝。因此，業(yè)內(nèi)對(duì)直接耦合技術(shù)也有大量研究[1-3]。

在研究直接耦合波導(dǎo)保偏光纖環(huán)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，普遍存在可用于Y波導(dǎo)芯片直接耦合與繞制的保偏光纖環(huán)組件研磨后端面應(yīng)力區(qū)開(kāi)裂的現(xiàn)象，其主要機(jī)理為本身光纖應(yīng)力區(qū)制作和光纖研磨過(guò)程兩個(gè)方面的影響。本文闡述了一種實(shí)現(xiàn)直接耦合Y波導(dǎo)保偏光纖環(huán)的研磨加工工藝與技術(shù)研究。

1研磨設(shè)備選型要求

本文研磨加工工藝選型研磨機(jī)為L(zhǎng)OGITECH-PM5研磨、拋光機(jī)及工裝PP5D精密拋光夾具，超高精度的盤協(xié)同直觀的控制系統(tǒng)，為產(chǎn)出超高精度且高一致性的樣品提供了保障。采用聚氨酯拋光盤具有加工樣品一致性高、規(guī)格水平高、表面光潔等特點(diǎn)。

2研磨機(jī)及工裝主要工藝指標(biāo)

2.1研磨主軸轉(zhuǎn)速要求

調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速是研磨加工時(shí)間的重要控制因素，是避免研磨加工中光纖端面開(kāi)裂的主要原因。本文選用粗磨軸轉(zhuǎn)速為35r/min，細(xì)磨軸轉(zhuǎn)速為20r/min，拋光軸轉(zhuǎn)速為25r/min。

2.2研磨壓力要求

研磨壓力調(diào)節(jié)是控制研磨加工時(shí)間的主要因素，同樣也是避免研磨加工中光纖端面開(kāi)裂的原因之一。本文選用粗磨、細(xì)磨、拋光壓力為10N±1N。

2.3磨料添加速率要求

磨料添加速率可以避免磨料不足出現(xiàn)干磨而導(dǎo)致光纖缺面損壞的問(wèn)題。本文選用粗磨磨料添加速率160±5滴/min，細(xì)磨磨料添加速率150±5滴/min，拋光磨料添加速率120±5滴/min。

2.4研磨去除量控制要求

研磨去除量控制主要是工藝監(jiān)控作用，避免研磨去除量不夠或過(guò)量的問(wèn)題。本文去除量控制范圍為：粗磨研磨去除量0.8±0.1mm，細(xì)磨研磨去除量0.2±0.1mm，拋光研磨去除量20±0.5um。

3 研磨加工工藝對(duì)比

3.1粗磨加工工藝

采用直接耦合波導(dǎo)光纖環(huán)保偏熊貓光纖進(jìn)行粗磨實(shí)驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)研磨工藝單排尾纖支座壓力分別為20N、10N，粗磨研磨盤轉(zhuǎn)速分別為35rpm、25rpm情況下，磨料添加速率用200±5滴/min、160±5滴/min，通過(guò)9um研磨30min粗磨研磨去除量為0.8mm，之后用去離子水沖洗夾具用氮?dú)獯蹈?，?00倍的顯微鏡下檢查研磨出來(lái)的光纖端面已經(jīng)嚴(yán)重缺損、崩裂圖示對(duì)比，如圖1（a）、圖1（b）。

3.2細(xì)磨加工工藝

粗磨完成后進(jìn)行細(xì)磨實(shí)驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)研磨工藝單排尾纖支座壓力分別為16N、10N，細(xì)磨研磨盤轉(zhuǎn)速分別為25rpm、20rpm情況下，磨料添加速率用180±5滴/min、150±5滴/min，通過(guò)3um研磨30min細(xì)磨研磨去除量為0.2mm，之后用去離子水沖洗夾具用氮?dú)獯蹈桑?00倍的顯微鏡下檢查研磨出來(lái)的光纖端面現(xiàn)出缺損、崩裂圖示對(duì)比，如圖2（a）、圖2（b）。

3.3拋光加工工藝

細(xì)磨完成后進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)將單排尾纖支座壓力調(diào)整為10N，拋光盤轉(zhuǎn)速調(diào)整為25rpm。磨料添加速率用120±5滴/min，通過(guò)SF1拋光液進(jìn)行40min拋光研磨去除量為20um，之后用去離子水沖洗夾具用氮?dú)獯蹈?，?00倍的顯微鏡下檢查拋光研磨出來(lái)的光纖端面未出現(xiàn)缺損、崩裂。

4研磨結(jié)果分析

通過(guò)直接耦合波導(dǎo)光纖環(huán)保偏光纖研磨端面結(jié)果，在500倍顯微鏡下檢查如有任何大小或形狀的開(kāi)裂或其端面完整、沒(méi)有可見(jiàn)斑點(diǎn)，則其端面檢查判定如圖3（a）、圖3（b）。

4.1初選研磨加工主要工藝參數(shù)

（1）研磨工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

（2）研磨試驗(yàn)結(jié)果。

通過(guò)初選研磨加工主要工藝參數(shù)試驗(yàn)，直接耦合波導(dǎo)光纖環(huán)保偏光纖研磨5只環(huán)，經(jīng)顯微鏡端面檢查，5個(gè)端口光纖端面符合質(zhì)量要求，另外5個(gè)端口均屬保偏光纖應(yīng)力區(qū)開(kāi)裂不合格，僅1支配套端口光纖環(huán)研磨合格，統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見(jiàn)表2。

綜合評(píng)估：5支直接耦合波導(dǎo)保偏光纖環(huán)研磨合格為1支。

4.2優(yōu)化研磨加工主要工藝參數(shù)

（1）研磨工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

（2）研磨試驗(yàn)結(jié)果。

通過(guò)調(diào)參優(yōu)化研磨加工主要工藝參數(shù)試驗(yàn)，直接耦合波導(dǎo)光纖環(huán)保偏光纖研磨8只環(huán)，經(jīng)顯微鏡端面檢查，14個(gè)端口光纖端面符合質(zhì)量要求，另外2個(gè)端口保偏光纖應(yīng)力區(qū)開(kāi)裂不合格，統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見(jiàn)表4。

綜合評(píng)估：8支直接耦合波導(dǎo)保偏光纖環(huán)研磨后合格7支。

4.3研磨工藝結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)調(diào)參及優(yōu)化研磨工藝參數(shù)后，研磨加工光纖端面合格率達(dá)到88%，保偏光纖環(huán)的有效利用率得到很大提高，直接耦合波導(dǎo)保偏光纖研磨應(yīng)力區(qū)開(kāi)裂的情況得到大幅改善。其主要影響因素如下：

（1）研磨主軸轉(zhuǎn)速和研磨壓力是影向?qū)е卤Ｆ饫w端面未出現(xiàn)缺損、崩裂的主要原因，選擇不同的磨盤轉(zhuǎn)速，所得的試件表面質(zhì)量有關(guān)[4]，考慮主軸轉(zhuǎn)速和研磨壓力聯(lián)調(diào);

（2）磨料添加速率根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速可根據(jù)表面情況適當(dāng)調(diào)整使之保留研磨面不能干研;

（3）粗磨研磨去除量4/5，細(xì)磨粗磨研磨去除量1/5，拋光可去除量忽略。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)直接耦合波導(dǎo)保偏光纖研磨試驗(yàn)驗(yàn)證了，研磨加工工藝中主軸轉(zhuǎn)速和研磨壓力對(duì)直接耦合波導(dǎo)光纖環(huán)保偏光纖研磨后應(yīng)力區(qū)有著直接影響。其主要性能指標(biāo)如下：

（1）研磨主軸轉(zhuǎn)速：20～25r/min;

（2）粗磨、細(xì)磨、拋光壓力為10N±0.5N;

（3）粗磨、細(xì)磨料添加速率控制在150±5滴/min，拋光料添加速率為120±5滴/min;

（4）研磨總?cè)コ繛?mm±0.1mm。

隨著研磨拋光技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于研磨各項(xiàng)指標(biāo)要求越來(lái)越高[5]，而且對(duì)研磨材料的選擇也非常重要，通過(guò)研磨工藝試驗(yàn)的調(diào)參及優(yōu)化，研磨合格率達(dá)到了88%。但是直接耦合波導(dǎo)光纖環(huán)保偏光纖是介于波導(dǎo)可研磨與繞環(huán)中間的一種特殊保偏光纖，研磨端面的缺損情況仍未完全避免，研磨工藝有待進(jìn)一步優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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