CN101031834A - 光纤抛光方法 - Google Patents

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CN101031834A CNA2005800332398A CN200580033239A CN101031834A CN 101031834 A CN101031834 A CN 101031834A CN A2005800332398 A CNA2005800332398 A CN A2005800332398A CN 200580033239 A CN200580033239 A CN 200580033239A CN 101031834 A CN101031834 A CN 101031834A
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塞尔吉奥·D·卡兰萨
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Abstract

公开了一种方法，该方法使用至少一种装载颗粒层、至少一种浆料和至少一种植絮层对多光纤插针组件和从该插针突出的光纤进行抛光。

Description

光纤抛光方法
技术领域
本发明主要涉及一种对插针组件(ferrule assembly)进行抛光的方法。更具体地说，该方法涉及对多光纤插针连接器中的突出光纤进行抛光。
背景技术
在光纤连接器的制造中对MT插针和MT插针组件进行抛光是众所周知的。这种光纤和插针的抛光可以提高光信号通过配对光纤连接器的传输。这种多光纤连接器的例子有来自US Connec的MTP，Furukawa的MPO和3M Company的OGI。
发明内容
本发明的至少一个方面提供了一种方法，该方法实现了光纤突起和光纤突起差的严格控制的公差。本发明的另一个方面是在MT多模抛光过程中消除顶部切割步骤以改进修整和突起长度差。
本发明的一个方面提供了一种方法，这种方法提供具有前侧的插针组件，所述前侧包括具有正面的插针和至少一根贯穿所述插针的光纤，使得所述至少一根光纤的端部经由所述插针正面露出；以及(a)用装载颗粒的研磨膜对所述插针组件的前侧进行抛光，以使所述光纤基本上与所述插针正面平齐；(b)用至少一种浆料对所述插针组件的前侧进行抛光，以产生光纤突起；(c)用至少一层植絮层对所述插针组件的前侧进行抛光，以相对于所述插针正面优先蚀刻所述至少一根光纤，从而减小从所述插针突出的光纤长度。
在一个实施例中，所述提供插针组件的步骤还包括以下子步骤：通过用含有金刚石颗粒的刚性基材对所述插针组件的前侧进行抛光来去除所有超过所述插针正面延伸的光纤部分。在至少一个实施例中，按照干式方法执行所述子步骤。
在另一个实施例中，所述植絮层包括附着颗粒的细丝。在至少一个实施例中，所述颗粒的平均直径大约为1-0.1μm。
在另一个实施例中，按照湿式方法执行步骤(a)。
在另一个实施例中，步骤(a)还包括多个抛光子步骤，每一子步骤都使用具有平均尺寸减小或相同的颗粒的研磨膜。
在另一个实施例中，步骤(a)还包括以下的抛光子步骤：用附着第一种颗粒的研磨膜对所述正面进行抛光；用附着第二种颗粒的研磨膜对所述正面进行抛光。
在另一个实施例中，步骤(b)还包括多个抛光子步骤，每一子步骤都使用具有平均尺寸减小的颗粒的浆料。
在另一个实施例中，步骤(b)包括组合使用具有较小直径颗粒的浆料和较高抛光力/插针。在至少一个实施例中，所述浆料中颗粒的直径大约2-0.5μm。在至少一个实施例中，多个插针上的抛光力/插针大约为0.4-1.2lbs。
在另一个实施例中，步骤(b)还包括以下子步骤：用附着第一种颗粒的浆料对所述正面进行抛光；用附着第二种颗粒的浆料对所述正面进行抛光。
在另一个实施例中，按照湿式方法执行步骤(c)。
本发明的另一个方面提供一种由本发明方法制造的物品，所述物品包括具有前侧的插针组件，所述前侧包括具有正面的插针和至少一根贯穿所述插针的多模光纤，其中所述光纤具有基本上平的纤芯。
在另一个实施例中，至少一个这种插针用于配对的插针组件中。
在另一个实施例中，至少一个这种插针用于光纤连接器中。
在另一个实施例中，至少一个这种插针用于光器件中。
本发明的至少一个实施例的优点是改进了对光纤突起高度和光纤突起差的控制，这样就减小了制作坚固光纤连接器所需的配对力。
应当理解，前面概括描述和后面详细描述都仅仅是示例性和说明性的，并不是限制要求保护的发明。
并入说明书并作为说明书一部分的附图显示了本发明的几个实施例，并且与说明书一起用来解释本发明的原理。
附图说明
图1是本发明例示性插针组件的立体图，这种插针组件具有插针和多个超出其端面延伸出来的光纤；
图2是图1的插针组件在对插针端面进行抛光之后的放大立体图；
图3是图1的插针组件的剖视图；
图4是本发明光纤抛光方法的流程图；
图5是抛光设备的俯视图，这种抛光设备显示了适合保持多个插针组件的抛光固定器；以及
图6显示了使用本发明方法进行抛光的40组不同的24-光纤MT插针的光纤突起测量。
图7a-图7d显示了突起的光纤轮廓的剖视图。
具体实施方式
在本发明的至少一个方面中，优选相对于插针中的光纤，按照受控方式蚀刻插针表面，使得光纤从插针正面上突出来。本发明的至少一个方面对于用于具有多光纤(例如，24根或更多)的插针是特别有利的，因为本发明提供了均匀的光纤突起，这样就减小了使所有光纤在连接器中与其配对的光纤物理接触所需的力。
参见图1-图3，(显著放大地)显示了带有光纤12(其可以是单或多模)的插针组件10，该光纤从MT插针18的背面15经孔14延伸穿过正面16。在至少一个实施例中，使用环氧粘合剂将光纤12插入MT插针18中，使得光纤尖端从插针端面上的环氧圈20上突出来。图中显示了具有4根光纤的MT插针。应当理解，任何数量的光纤(和插针18中的孔)，例如包括至少具有4根光纤的MT，都在本发明的范围之内。例如，这种方法适合包含24根或更多光纤的高密度光纤连接器。在具有多排光纤的插针中产生的粘合剂圈通常大于那些在具有单排光纤的插针中产生的粘合剂圈。
通过已知的刻痕和随后的抛光处理可以缩短超出粘合剂圈表面延伸出来的过长光纤。通过粗略或腐蚀性抛光可以去除容纳光纤末端的环氧圈。然而，在容纳多排光纤的插针中，通过划刻光纤来去除裸露的过长光纤是困难的。在安装过程中，控制从插针表面延伸到粘合剂圈表面内或其附近的光纤的长度可以不必划刻光纤，因而有利于最初的粗略抛光步骤。
抛光之后的纤芯下降(core-dip)是在多模光纤连接器的端面上的一种普遍缺陷。通常认为，与包覆玻璃材料相比，光纤纤芯的掺杂会导致纤芯玻璃产生不同的机械性质。这种机械性质的差异会导致不同的纤芯和包覆材料抛光性能，从而如图7a所示，会造成过度去除纤芯玻璃而产生“纤芯下降”。纤芯下降将会在配对的光纤之间产生气隙，这对连接器的性能是有害的。如图7b所示，为了消除这种不希望的纤芯下降，通常采用顶部切割步骤以形成“平的”光纤末端。这种方法广泛地应用于单光纤连接器抛光和多光纤连接器抛光。然而，这种顶部切割步骤会引起许多问题。例如，对于MT连接器，该步骤通常在极小力下进行极短时间的抛光，这样就造成了过程难以控制。这种顶部切割方法减小了突起长度，会产生更大的光纤突起差Δl，并且可能产生较差的端面修整。较高的突起差和较低的光纤突起对配对连接器的性能和稳定性是有害的，并且较差的端面修整在抛光的连接器中是不可接受的。本发明描述了一种具有良好控制性的MT插针光纤抛光方法，这种方法不需要额外的顶部切割步骤就可以消除纤芯下降的产生。本发明的方法更加有效，并且制造出性能提高、光纤端面修整的最终产品。
如图4的方块A所示，在近端抛光步骤中，在光纤12固定在插针18上之后，可以任选使用一个或多个湿式或干式金刚石磨盘对突出的光纤进行抛光，从而使光纤12与插针正面16紧密接近。在该步骤中，至少基本上去除了大部分环氧圈。通常，利用连接在金属磨盘上的金刚石颗粒或具有较大粒径(例如，大于15μm)的研磨膜，通过手工进行该抛光步骤。磨盘上的金刚石颗粒的尺寸可以不同，以便适合具体的抛光过程。可选择的是，可以进行二次金刚石抛光以降低表面的粗糙度。对于各随后的抛光步骤，通常减小金刚石颗粒的尺寸。在多数情况下，金刚石颗粒的直径大约为5-50μm。合适的装载金刚石的磨盘可以购自3M Company，St.Paul，MN。这种金刚石抛光步骤可以不必进行对于多排MT连接器难以实施的划刻、破坏光纤操作。可以代替此步骤中的金刚石使用的材料包括但不限于：碳化硅(SiC)、氧化铝(AlOx)、二氧化铈(CeO2)或二氧化硅(SiO2)。
在进行了任何最初的手工抛光步骤之后，将插针组件10插入如图5所示的抛光设备24中，并且使用该抛光设备进一步抛光。尽管图示的设备24的夹具22固定着6个插针，但是夹具可以设计为固定任何数量的插针组件10，因此可以同时处理多个插针。合适的夹具可以购自Domaille Engineering，Rochester，MN。美国专利No.5,743,785和No.6,106,368中更完整地描述了合适的抛光设备。
当插针组件10装载到抛光设备24上的夹具22中并且其正面朝向抛光磨盘30时，光纤可以以一定角度取向，以在光纤上获得所需的正面角度。如果需要的是平正面，那么光纤可以相对于抛光设备的抛光磨盘表面呈大约90°安装。然后，可以降低装载的插针组件10以便与抛光磨盘30配合，更具体地说，抛光介质35可拆卸地与抛光磨盘30连接。抛光磨盘围绕磨盘轴旋转，围绕偏离磨盘轴的偏心轴环行(振荡)。磨盘30相对于插针组件10的双重运动不仅可以通过抛光介质35的更新部分对插针正面16进行抛光(旋转)，而且可以从不同方向进行抛光以防止边缘效应(环行/振荡)。
在抛光设备24中，根据图4的方块B中所示的下一步，对插针组件10进行抛光，其中使用装载颗粒的研磨膜来执行至少一个湿式或干式抛光步骤，以使光纤抛光到基本上与插针表面平齐，并降低表面粗糙度。如果执行两步或更多抛光步骤，那么各随后的抛光子步骤可以使用粒径相同或减小的介质。所述粒径可以大于或小于最后金刚石抛光步骤的粒径，但通常是小于。合适的抛光介质包括SiC、CeO2、AlOx、金刚石膜或SiO2膜的抛光膜。合适的粒径范围约为30-1μm，通常直径约16-3μm。示例性装载颗粒的研磨膜是装载购自3M Company，St.Paul，MN的商品名468X的15μm SiC。合适的抛光压力范围约为1.5-5lbs(6.67N-22.24N)，加上10-插针夹具的夹具重量0.91lb(4.05N)。通常设置抛光机的力约3.3lbs(14.68N)，或者约0.42lbs/插针(1.87N/插针)，包括夹具的重量。合适的压盘速度约为100-150rpm，通常约120rpm。通常抛光时间约50-120秒/子步骤。
随后，如图4的方块C所示，以较小颗粒和较高抛光力的方式利用一种或多种浆料抛光步骤进行突起产生抛光步骤。相对于光纤12，浆料优先清除插针材料，但是它也对光纤12进行抛光。与较硬的光纤玻璃相比，自由流动的浆料颗粒更快地磨损较软的插针材料，因而产生了突起。例如，浆料可以包含氧化铝(AlOx)、CeO2或SiO2。合适的颗粒直径大约2-0.05μm。浆料的例子是含有大约20wt/wt％μm氧化铝颗粒的含水浆料，可购自Buehler，Lake Bluff，IL的商品名ALPHAMicropolish(II)的1.0μm的氧化铝。合适的抛光压力范围约为4-12lbs(17.79N-53.38N)，通常约10.9lbs(48.48N)；压盘速度范围通常约为100-200rpm，一般大约150rpm；抛光时间通常大于200秒，一般大约400秒。组合使用小粒径和高抛光压力有助于在以所需突起长度进行抛光的光纤之间获得较小的高度差。如果使用一种以上的浆料，那么在随后浆料中使用的颗粒通常小于那些在之前浆料中使用的颗粒。
最后，如图4的方块D所示，用一层或多层植絮层(flocked film)(即，一种具有从基材向上延伸出的小细丝并且附着小磨料颗粒的材料)对插针组件进行湿式或干式抛光。用植絮层对光纤12进行抛光以增加端面修整。这种端面抛光导致突起长度轻微但可控制地减小，而不改变突起差。合适的植絮层颗粒包括氧化铈、氧化硅和氧化铝颗粒。合适的颗粒直径大约1-0.1μm。如果使用一种以上的植絮层，那么在随后植絮层中使用的颗粒通常小于那些在之前植絮层中使用的颗粒。
合适的抛光压力约为0.2-0.9lbs/插针，通常约0.59lbs/插针或5.9lbs(26.24N)/夹具；压盘速度通常约为100-200rpm，一般大约175rpm；抛光时间通常约为80-180秒，一般大约150秒。示例性植絮层装载0.5μm氧化铈颗粒，可购自3M Company，St.Paul，MN，商品名为589X。在植絮步骤中也可使用其他适合的、具有附着的研磨颗粒的弹性材料。例如，合适的材料可以是人造革材料(装载有平均尺寸3.025μm的熔融氧化铝的多孔聚氨酯)，可购自Mipox，Hayword，CA，商品名的零件编号为AO-3-66-SW。已经表明与利用标准抛光方法进行抛光的光纤相比，利用本发明方法进行抛光的插针和它们的光纤需要很小配对力就可以达到物理接触。利用本发明方法进行抛光的插针和光纤显示出较小的突起差，因此可以更好地与相似插针组件中的每一根光纤配对(例如，较少的后反射、插入损耗等)。
使用三步抛光法对24-光纤MT插针进行抛光作为基线样品。首先，利用一组递减矿物尺寸的研磨膜来产生具有较低表面粗糙度的平插针表面，例如：使用15μm SiC研磨膜进行抛光，之后使用5μm SiC研磨膜进行抛光。然后，利用尼龙垫上的3μm氧化铝浆料来产生光纤突起，并且最后在顶部切割步骤中利用0.05μm AlOx研磨膜来消除纤芯下降。当插针材料是玻璃填充的热固性环氧树脂时，这种一般方法是工业中对多模MT连接器进行抛光的常见方法。得到的连接器中的平均突起差大约为0.38μm，并需要较高的配对力(大于4lbs或17.79N)来使所有光纤对之间实现物理接触。这种高配对力不为许多连接器应用所接受。
图6显示了来自使用本发明方法进行抛光的40组不同的24-光纤MT插针的突起数据。使用Norland干涉计(购自Norland Products，Inc.，Cranbury，NJ)测量突起。X轴为任意样品参考号。Y轴为光纤突起长度。对于容纳多达24根光纤的插针，平均突起差仅约为0.25μm。与以前所需的大于4lbs(17.79N)的配对力相比，由于这种较低的突起差，所有光纤实现物理接触所需的配对力仅约为2.3lbs(10.23N)。
当对多模光纤进行抛光时，相对于玻璃包覆层，传统的抛光方法优先蚀刻较软的光纤纤芯材料，这样就造成纤芯下降。通常，通过利用带有细小抛光矿物(通常矿物尺寸小于0.5μm)的硬抛光膜执行附加的顶部切割步骤，以使光纤表面变平从而克服纤芯下降问题。这种附加步骤难以控制，并且具有使光纤突起降低的问题。
根据本发明的实施例，在植絮和浆料抛光中，突起光纤的边缘通常比光纤纤芯受到更多抛光，通常造成如图7c所示的穹顶形状，其中光纤中心比光纤边缘从插针表面伸出更远。这种情况与图7a所示的造成光纤中心(纤芯区域)比周围的光纤包覆区域突出更少的纤芯下降相反。如果仔细选择抛光条件以使两种相反效果相互抵消，那么将产生如图7d所示的基本上平的纤芯。于是可以避免有问题的顶部切割步骤。表1显示了24-光纤多模连接器的抛光过程。表1的步骤A1和A2是图4中方块A所示的近端抛光步骤的实施例。表1的步骤B1-B4是图4中方块B所示的平齐抛光步骤的实施例。表1的步骤C是图4中方块C所示的突起抛光步骤的实施例。表1的步骤D是图4中方块D所示的修整抛光步骤的实施例。
实施例
表1显示了在多模光纤上执行本发明方法的一组示例性参数。
表1
多模24-光纤MT插针的抛光过程(平插针的表面抛光)
  步骤   磨料类型  环境   抛光压盘   时间(秒)   抛光力(w/o夹具重量)(lb)/(N)   压盘速度(RPM)
  A1   30μm金刚石  干   金属   NA   手工   N/A
  A2   15μm SiC  干   玻璃   NA   手工   N/A
  B1   9μm SiC  湿   玻璃   60   3.3/14.7   120
  B2   5μm SiC  湿   玻璃   100   3.3/14.7   120
  B3   3μm SiC  湿   玻璃   100   3.3/14.7   120
  B4   3μm SiC  湿   玻璃   100   3.3/14.7   120
  C   1μm AlOx浆料  6cc浆料   尼龙/玻璃   400   10.0/44.5   150
  D   0.5μm CeO2植絮  湿   玻璃/橡胶   150   5.0/22.2   175
表2显示了在单模光纤上执行本发明方法的一组示例性参数。
表2
单模24-光纤MT插针的抛光过程(有角度插针的表面抛光)
  步骤   磨料类型  环境   抛光压盘   时间(秒)   抛光力(w/o夹具重量)(lb)/(N)   压盘速度(RPM)
  A1   30μm金刚石  干   金属   NA   手工   N/A
  A2   6μm SiC  干   玻璃   30   3.3/14.7   120
  B1   9μm SiC  湿   玻璃   60   3.3/14.7   120
  B2   5μm SiC  湿   玻璃   100   3.3/14.7   120
  B3   3μm SiC  湿   玻璃   100   3.3/14.7   120
  B4   3μm SiC  湿   玻璃   100   3.3/14.7   120
  C   1μm AlOx浆料  6cc浆料   尼龙/玻璃   400   10.0/44.5   150
  D   0.5μm CeO2植絮  湿   玻璃/橡胶   150   5.0/22.2   175
在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员将清楚本发明的各种修改和变化，并且，应当理解，本发明不应不适当地受限于在此描述的举例性实施例。

Claims (19)

1.一种方法，包括：
提供具有前侧的插针组件，所述前侧包括具有正面的插针和至少一根贯穿所述插针的光纤，使得所述至少一根光纤的端部经由所述插针正面露出；以及
(a)用装载颗粒的研磨膜对所述插针组件的前侧进行抛光，以使所述光纤基本上与所述插针正面平齐；
(b)用至少一种浆料对所述插针组件的前侧进行抛光，以产生光纤突起；
(c)用至少一层植絮层对所述插针组件的前侧进行抛光，以相对于所述插针正面优先蚀刻所述至少一根光纤，从而减小从所述插针突出的光纤长度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述提供插针组件的步骤还包括以下子步骤：通过用含有金刚石颗粒的刚性基材对所述插针组件的前侧进行抛光来去除所有超过所述插针正面延伸的光纤部分。
3.如权利要求2所述的方法，其中按照干式方法执行所述子步骤。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述植絮层包括附着颗粒的细丝。
5.如权利要求1所述的方法，其中按照湿式方法执行步骤(a)。
6.如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)还包括多个抛光子步骤，每一子步骤都使用具有平均尺寸减小或相同的颗粒的研磨膜。
7.如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)还包括以下抛光子步骤：
用附着第一种颗粒的研磨膜对所述正面进行抛光；
用附着第二种颗粒的研磨膜对所述正面进行抛光。
8.如权利要求1所述的方法，其中步骤(b)还包括多个抛光子步骤，每一子步骤都使用具有平均尺寸减小的颗粒的浆料。
9.如权利要求1所述的方法，其中步骤(b)包括组合使用具有较小直径颗粒的浆料和较高抛光力/插针。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述浆料中颗粒的直径大约2-0.5μm。
11.如权利要求9所述的方法，其中多个插针上的抛光力/插针大约0.4-1.2lbs。
12.如权利要求1所述的方法，步骤(b)还包括以下子步骤：
用附着第一种颗粒的浆料对所述正面进行抛光；
用附着第二种颗粒的浆料对所述正面进行抛光。
13.如权利要求1所述的方法，其中按照湿式方法执行步骤(c)。
14.如权利要求4所述的方法，其中所述颗粒的平均直径大约1-0.1μm。
15.一种制品，包括：
具有前侧的插针组件，所述前侧包括具有正面的插针和至少一根贯穿所述插针的多模光纤，
其中所述光纤由权利要求1所述的方法制造，并且具有基本上平的纤芯。
16.一种制品，包括：
至少两个配对的插针组件，其中至少所述插针组件之一是权利要求15所述的插针组件。
17.一种制品，包括：
至少两个配对的插针组件，其中所述至少两个插针组件是权利要求15所述的插针组件。
18.一种制品，包括：
包括权利要求15所述的插针组件的光纤连接器。
19.一种制品，包括：
包括权利要求15所述的插针组件的光器件。
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