CN100455410C - 光纤轴向磨抛厚度精确控制方法及装置 - Google Patents
光纤轴向磨抛厚度精确控制方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种用来实现高精度、长度可控、多光纤同时处理的光纤轴向磨抛厚度精确控制方法及装置。通过调节施加在压电陶瓷PZT上的电压，改变待研磨光纤与基准块的相对位置，实现光纤研磨精度高达0.01μm的自由调整。光纤的研磨长度由精密导向机构和定位传感器精确控制，实现对长度大于100mm的光纤进行轴向研磨。采用电弧放电抛光的方法，利用电弧放电所产生的高温将研磨光纤的表面进行熔化，从而有效消除研磨光纤表面的粗糙度，抑制微裂纹或凹坑造成的较大损耗。通过在放置光纤的微晶玻璃上刻制多个V型槽的方法，可实现多纤同时加工，提高工作效率，本发明在国际上属于首创。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度(0.01μm)、大长度(＞100mm)、多光纤同时处理的光纤轴向磨抛厚度精确控制方法及装置，属于光纤通信系统技术领域，特别属于利用光纤包层场的变化来制作高精度光器件的技术领域。
背景技术
许多高精度光纤器件制造过程中的一道关键工序就是光纤端面或光纤轴向的研磨，而光纤研磨时，由于其属于硬脆玻璃材料，加工时材料去除机理一般为脆性断裂，如果不采取合适的措施，加工过程中就不可避免地要产生大量的微裂纹或凹坑，造成其表面粗糙度较高，这样容易引起光信号的散射和吸收，对提高光纤器件的光学性能是极为不利的。
目前的光纤研磨技术主要存在以下三个问题：第一、光纤研磨长度的限制。虽然光纤的端面研磨，以及短距离光纤轴向研磨在最近几年取得了较大的发展，但是对于长度大于100mm光纤的轴向研磨至今仍是一个技术难点，国内、外未见相关加工的报道，人工研磨虽然有可能加大光纤的研磨长度，但是对研磨人员的技术水平有较高要求，而且耗时较长，水汽等外界因素对研磨后光纤的性能影响巨大，容易造成很大的器件损耗。第二、研磨厚度的检测，目前采用的测厚仪价格十分昂贵(国外产品价格高达数万美元以上)，而且由于光纤自身的特点(直径仅125微米)，要求光纤研磨的精度必须控制在微米量级，此外光纤为圆形且透明，测厚难度较大，传统的测厚仪很难达到要求。第三，光纤研磨后的抛光质量，国外利用低功率C02激光光源对光纤端面进行抛光加工，虽然其表面质量有所改善，但抛光后光纤端面的表面粗糙度仍高达0.1μm，插入损耗的最佳值还高达1.45dB，不能满足光纤通信发展的要求。
因此，研制大长度光纤轴向磨抛厚度精确控制方法，为制作高质量的光器件铺平道路，对于光通信的发展至关重要。
发明内容
为了克服现有光纤磨抛方法的不足，本发明提供一种光纤轴向磨抛厚度精确控制方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光纤轴向磨抛厚度精确控制方法。
其特征之一为通过调节施加在压电陶瓷PZT上的电压，改变待研磨光纤与基准块的相对位置，光纤研磨在0.01μm的精度中调整；光纤的研磨长度由定位传感器精确控制，轴向研磨长度大于100mm的光纤。
特征之二为其厚度精确控制，利用热膨胀系数为零的微晶玻璃作为研磨、抛光玻璃。
特征之三为采用火焰抛光的方法，利用电极打火所产生的高温将研磨光纤的表面进行熔化，电极沿着研磨后的光纤轴向缓慢移动，消除研磨光纤表面的微裂纹。
特征之四为采用一种印度虫胶固定待研磨光纤。
一种光纤轴向磨抛厚度精确控制方法，包括以下步骤，
步骤(1)：去除待磨光纤的涂覆层；将待磨光纤在丙酮溶液中浸泡约十分钟，用剥线钳去除待磨光纤涂覆层；
步骤(2)：将研磨、抛光用微晶玻璃置于研磨架上，然后将待研磨光纤置于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃上表面，并将待磨光纤的首尾端分别放入两端对应的槽中，用夹子垂挂以免待磨光纤移动，最后用两块小型磁铁将待磨光纤紧密的固定在V型刻槽光纤放置用微晶玻璃上；
步骤(3)：采用扩散的方法，用稀释的印度虫胶进行第一次涂覆，等待10分钟，再用浓度较高的印度虫胶进行第二次涂覆，再等待20分钟；
步骤(4)：调节电压，利用压电陶瓷控制器，调节V型刻槽光纤放置用微晶玻璃位置上升，其上升的高度就是待磨光纤将要被研磨掉的厚度；
步骤(5)：控制研磨速度，采用一维单向移动方式，对待磨光纤进行研磨；并通过电压调节和对待磨光纤透射光谱的监测确定研磨程度；
步骤(6)：V型刻槽光纤放置用微晶玻璃位置恢复至最初与基准块水平的位置时，待磨光纤研磨完成；
步骤(7)：安装电极支撑架，利用电极打火所产生的高温将研磨光纤的表面进行熔化，电极沿着研磨后的光纤轴向缓慢移动，消除研磨光纤表面的微裂纹。
本发明利用压电陶瓷(PZT)在电压的控制下，其厚度调节精度可达0.01μm的特性，来实现光纤侧面研磨精度的控制；在电机控制下，利用定位传感器任意调整光纤轴向的研磨长度，从而实现大长度光纤轴向磨抛厚度精确控制。其发明的主要内容如下：
一种光纤轴向磨抛厚度精确控制装置，包括PZT，控制电机、定位传感器、V型刻槽光纤放置用微晶玻璃、定位基准块微晶玻璃、研磨抛光用微晶玻璃、研磨块支撑架、定位传感器支撑架、传送带和电极。各结构之间的连接和作用方式如下：
待研磨光纤放置于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃上，定位基准块微晶玻璃位于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃后面水平位置，控制电机连接PZT，提供PZT的控制电压，研磨抛光用微晶玻璃放置在位于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃正上方的研磨块支撑架上，研磨块支撑架与传送带相连接，控制电机连接传送带，定位传感器固定在定位传感器支撑架上，电极置于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃正上方的滑轨上，滑轨固定在光纤放置用微晶玻璃正上方的电极支撑架(可拆卸)上，光纤研磨完成后，安装电极支撑架，可以进行研磨后光纤的抛光。
本发明的主要效果和创新之处为：(1)通过调节施加在PZT上的电压，改变待研磨光纤与基准块的相对位置，不仅光纤的研磨厚度可自由调整，而且精度可达0.01μm。(2)光纤的研磨长度由定位传感器精确控制，可以对长度大于100mm的光纤进行轴向研磨。(3)本发明采用火焰抛光的方法，通过PZT调节研磨抛光后的光纤与电极的相对位置，利用电极打火所产生的高温将研磨光纤的表面进行熔化，从而有效消除研磨光纤表面的粗糙度，抑制微裂纹或凹坑造成的较大损耗。(4)为提高加工能力和工作效率，本发明在放置光纤的微晶玻璃上刻制多个V型槽，将待研磨光纤置于其中，研磨抛光用微晶玻璃的宽度保证全部覆盖多根光纤，从而实现多光纤同时研磨加工。
附图说明
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
图1高精度、多光纤同时处理的新型大长度光纤轴向磨抛厚度精确控制装置示意图；
图2研磨光纤固定结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
待研磨光纤放置于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃上，定位基准块微晶玻璃位于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃后面水平位置，用来校准其相对高度。控制电机提供PZT的控制电压，以此调节V型刻槽光纤放置用微晶玻璃的上下位置。研磨抛光用微晶玻璃放置在位于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃正上方的研磨块支撑架上，研磨块支撑架与传送带相连接，通过控制电机调节传送带的运转速度，从而带动研磨块以不同的速度一维平移。研磨块往返的移动距离由定位传感器确定，电极置于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃正上方的滑轨上，研磨完成后，取下研磨抛光用微晶玻璃，安装电极支撑架，利用PZT调节V型刻槽光纤放置用微晶玻璃与电极间的相对距离，电极沿着研磨后的光纤轴向缓慢移动，实现研磨后光纤的抛光。
实施例2：
本发明设计了一种研磨精度可高达0.01μm、研磨长度大于100mm、并且可对多根光纤同时进行处理的新型光纤轴向研磨装置(图1)。
如图1、2所示，图1、2中10为PZT研磨精度控制器，11为传送带，由电机控制其传送速度，20为注入研磨泥浆，30为继电器控制的定位传感器，40为定位传感器接触点，50为待磨光纤，51为带旋钮的可旋转磁铁，52为微晶玻璃研磨块，53为V型刻槽光纤放置用微晶玻璃，60为夹具磁铁，61为放置待研磨光纤用V型刻槽。
对光纤轴向研磨精度的控制是光纤轴向研磨装置最重要的参数，由于光纤半径仅为几十微米(如普通单模光纤半径为62.5μm)，这就要求光纤轴向研磨装置的精度在微米量级，一般的机械控制法很难达到要求。利用PZT在电压的控制下，其厚度调节精度可达0.01μm的特性，本发明利用PZT研磨精度控制器，来实现光纤侧面研磨精度的控制；通过电机控制传送带11的运行速度，进一步控制与传送带相连接的微晶玻璃研磨块52的移动速度，实现对光纤研磨过程中研磨速度的控制，从而可以在研磨初始阶段，采用较高速度来降低研磨时间，而当光纤距离纤芯较近时，将速度减慢，以确保光纤侧面研磨的质量；由于实际中对光纤轴向的研磨长度有不同的要求，为提高研磨装置使用中的灵活性，采用继电器控制的定位传感器30控制待磨光纤50的研磨长度，当研磨块52上的定位传感器接触点40到达定位传感器30时，研磨块52反向移动，通过调整两个定位传感器接触点40间的长度，就可实现对待磨光纤50研磨长度的控制；待磨光纤50纵向对准槽61，由于待磨光纤50纵向应力承受能力较强，而横向应力承受能力很弱，也就是研磨过程中必须使研磨块52的移动方向与待磨光纤50纵向相平行，否则待磨光纤50极易折断，为此采用在V型刻槽光纤放置用微晶玻璃53的两侧对准开槽的方法，来保证将待磨光纤50粘覆在垫块后，待磨光纤50纵向与研磨块52移动方向的平行(图2)。
为保证在涂胶过程中待磨光纤50与V型刻槽光纤放置用微晶玻璃53的紧密接触，必须将待磨光纤50精密地固定，为此本发明在V型刻槽光纤放置用微晶玻璃53的两侧放置可旋转底层磁铁51，在需要将待磨光纤50固定时，底层磁铁51平行，与夹具磁铁相吸，而在需要将待磨光纤50释放时，旋转底层磁铁51使之竖直，与夹具磁铁60相分离；步骤如下：
步骤(1)：去除待磨光纤的涂覆层：为避免剥线钳直接去除待磨光纤涂覆层时，在待磨光纤表面产生微裂损伤，需要首先将待磨光纤在丙酮溶液中浸泡约十分钟，再用剥线钳去除待磨光纤涂覆层；
步骤(2)：首先将研磨、抛光用微晶玻璃置于研磨架上，然后将待研磨光纤置于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃上表面，并将待磨光纤的首尾端分别放入两端对应的槽中，用夹子垂挂以免待磨光纤移动，最后用两块小型磁铁将待磨光纤紧密的固定在V型刻槽光纤放置用微晶玻璃上；
步骤(3)：采用扩散的方法，用稀释的印度虫胶进行第一次涂覆，等待10分钟，再用浓度较高的印度虫胶进行第二次涂覆，再等待20分钟；
步骤(4)：调节电压，利用压电陶瓷控制器，调节V型刻槽光纤放置用微晶玻璃位置上升，其上升的高度就是待磨光纤将要被研磨掉的厚度。
步骤(5)：控制研磨速度，采用一维单向移动方式，对待磨光纤进行研磨；并通过电压调节和对待磨光纤透射光谱的监测确定研磨程度；
步骤(6)：V型刻槽光纤放置用微晶玻璃位置恢复至最初与基准块水平的位置时，待磨光纤研磨完成。
步骤(7)：安装电极支撑架，利用电极打火所产生的高温将研磨光纤的表面进行熔化，电极沿着研磨后的光纤轴向缓慢移动，从而有效消除了研磨光纤表面的微裂纹。
为提高加工能力和工作效率，本发明还通过在放置光纤的微晶玻璃上刻制多个V型槽的方法，实现多纤同时加工，步骤如上，研磨加工后的光纤性能稳定且一致性很好。
实施例3：本发明可实现研磨精度高达0.01μm、研磨长度大于100mm、多根光纤的同时研磨。选择同一参数的多根待研磨光纤在丙酮溶液中浸泡约十分钟后，用剥线钳去除待磨光纤涂覆层；将宽度大于多根待研磨光纤总截面宽度的研磨、抛光用微晶玻璃置于研磨架上，然后将多根待研磨光纤分别置于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃上，并将待磨光纤的首尾端分别放入两端对应的多个平行槽中，使得多根待研磨光纤严格平行，用夹子垂挂以免待磨光纤移动，最后用两块小型磁铁将待磨光纤紧密的固定在V型刻槽光纤放置用微晶玻璃上；采用扩散的方法，用稀释的印度虫胶进行第一次涂覆，等待10分钟，再用浓度较高的印度虫胶进行第二次涂覆，再等待20分钟；调节电压，利用压电陶瓷控制器，调节V型刻槽光纤放置用微晶玻璃位置上升，其上升的高度就是待磨光纤将要被研磨掉的厚度。控制研磨速度，采用一维单向移动方式，对待磨光纤进行研磨；并通过电压调节和对待磨光纤透射光谱的监测确定研磨程度；V型刻槽光纤放置用微晶玻璃位置恢复至最初与基准块水平的位置时，待磨光纤研磨完成。安装电极支撑架，平移电极，使电极分别沿着研磨后的每根光纤轴向缓慢移动，放电电弧所产生的高温将研磨光纤的表面进行熔化，从而有效消除了研磨光纤表面的微裂纹。由于研磨抛光用微晶玻璃具有优良的光学平整度，所以研磨抛光后的光纤性能很好，且一致性很好。
Claims (6)
1.一种光纤轴向磨抛厚度精确控制方法，其特征是：通过调节施加在压电陶瓷PZT上的电压，改变待研磨光纤与基准块的相对位置，光纤研磨精度为0.01μm；光纤的研磨长度由电机控制的定位传感器精确控制，轴向研磨长度大于100mm的光纤。
2.根据权利要求1所述的一种光纤轴向磨抛厚度精确控制方法，其特征是：其厚度精确控制，利用热膨胀系数为零的微晶玻璃作为研磨、抛光玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种光纤轴向磨抛厚度精确控制方法，其特征是：采用火焰抛光的方法，利用电极打火所产生的高温将研磨光纤的表面进行熔化，电极沿着研磨后的光纤轴向缓慢移动，消除研磨光纤表面的微裂纹。
4.根据权利要求1所述的一种光纤轴向磨抛厚度精确控制方法，其特征是：采用一种印度虫胶固定待研磨光纤。
5.根据权利要求1所述的一种光纤轴向磨抛厚度精确控制方法，其特征是：包括以下步骤；
步骤(1)：去除待磨光纤的涂覆层：为避免剥线钳直接去除待磨光纤涂覆层时，在待磨光纤表面产生微裂损伤，需要首先将待磨光纤在丙酮溶液中浸泡十分钟，再用剥线钳去除待磨光纤涂覆层；
步骤(2)：首先将研磨、抛光用微晶玻璃置于研磨架上，然后将待研磨光纤置于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃上表面，并将待磨光纤的首尾端分别放入两端对应的槽中，用夹子垂挂以免待磨光纤移动，最后用两块小型磁铁将待磨光纤紧密的固定在V型刻槽光纤放置用微晶玻璃上；
步骤(3)：采用扩散的方法，用稀释的印度虫胶进行第一次涂覆，等待10分钟，再用浓度较高的印度虫胶进行第二次涂覆，再等待20分钟；
步骤(4)：调节电压，利用压电陶瓷控制器，调节V型刻槽光纤放置用微晶玻璃位置上升，其上升的高度就是待磨光纤将要被研磨掉的厚度；
步骤(5)：控制研磨速度，采用一维单向移动方式，对待磨光纤进行研磨；并通过电压调节和对待磨光纤透射光谱的监测确定研磨程度，并进一步抛光；
步骤(6)：V型刻槽光纤放置用微晶玻璃位置恢复至最初与基准块水平的位置时，待磨光纤研磨完成；
步骤(7)：安装电极支撑架，利用电极打火所产生的高温将研磨光纤的表面进行熔化，电极沿着研磨后的光纤轴向缓慢移动，从而有效消除了研磨光纤表面的微裂纹。
6.一种光纤轴向磨抛厚度精确控制装置，包括PZT，控制电机、定位传感器、V型刻槽光纤放置用微晶玻璃、定位基准块微晶玻璃、研磨抛光用微晶玻璃、研磨块支撑架、传送带和电极，其特征是：待研磨光纤放置于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃上，定位基准块微晶玻璃位于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃后面水平位置，控制电机连接PZT，提供PZT的控制电压，研磨抛光用微晶玻璃放置在位于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃正上方的研磨块支撑架上，研磨块支撑架与传送带相连接，控制电机连接传送带，定位传感器固定在定位传感器支撑架上，电极置于V型刻槽光纤放置用微晶玻璃正上方的滑轨上，滑轨固定在光纤放置用微晶玻璃正上方的电极支撑架上。
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