CN102279443A - 一种锥形透镜光纤的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属光纤技术领域，涉及一种锥形透镜光纤的制作方法。现有锥形透镜光纤前端的半球面加工是在磨削后的锥面端部利用熔融原理(瞬间局部加热)使其端部成形，此种加工方法加工的半球面曲率半径不能控制，从而导致成品率较低，耦合效率只有60％左右。本发明提供的一种锥形透镜光纤的加工方法，是先完成光纤端部锥面的加工后，使光纤加工端与自转旋转运动的研磨介质相接触，再使光纤加工端和研磨介质作相对的弧线往复摆动运动，光纤加工端同时还以光纤纤芯的中心线为转轴进行自转运动完成半球面的加工。本发明采用的此种磨削加工方式，不仅时间短，效率高，而且使得半球面的曲率半径可控，加工精度高，成品率高，耦合效率也可达75％以上。

Description

一种锥形透镜光纤的制作方法

技术领域

本发明属光纤技术领域，涉及一种锥形透镜光纤的制作方法。

背景技术

光纤耦合技术是影响光纤系统的关键技术，光纤透镜则是光纤耦合的关键部件，发光芯片与光纤的耦合实质上是模场的匹配问题，发光芯片发出的光耦合进入光纤的越多，光纤通信距离就越远，中继距离也就越远；而提高模场匹配的基本途径是在耦合系统中加入光学透镜以提高光耦合的效率，目前解决的方法是在光纤的端部直接加工透镜。

锥形透镜光纤是目前光通信领域内比较常用的一种透镜光纤，锥形透镜光纤的加工一般包括端部锥面加工和前端半球面加工(如图1a、b、c所示)，目前的锥面加工一般是在平面研磨机上完成，而对于前端的半球面加工则是利用熔融原理(局部瞬间加热)使其端部成形，但是此种以熔融成形的加工方法弊端很多，不仅操作难以控制，而且会使整个半球面的曲率半径不均匀；同时在加工时，半球面曲率半径不能得到有效控制，从而导致成品率较低，并且耦合效率不高，只能达到60％左右。

随着光纤技术的发展，对于光耦合效率的要求也大大提高，一般高端领域所需求的耦合效率都在75％以上，因此，转统的熔融加工方法已经很难适应现代光纤技术发展的要求，需要一种新的加工工艺来满足需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新的锥形透镜光纤的制作方法，该制作方法采用磨削方式加工，使得锥形前端的半球面的曲率半径可控，从而有效解决了现有熔融成形加工方法成品率低、耦合效率不高的问题，满足了现代光纤技术的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种锥形透镜光纤的制作方法，是在完成端部锥面加工后，使光纤加工端与运动的研磨介质相接触，再使光纤加工端和研磨介质作相对的弧线往复摆动运动；同时光纤加工端还以光纤纤芯的中心线为转轴进行自转运动实现半球面的加工。

本发明中上述光纤加工端和研磨介质相对弧线往复摆动运动时，往复摆动的弧线同心，摆动的方向相反。

因此，本发明提供的锥形透镜光纤的制作方法，具体包括下述步骤：

(1)提供一根光纤，光纤端部剥除涂覆层15-30毫米，将端部涂覆层剥除后的光纤夹持固定在光纤夹具内，将夹持有光纤的光纤夹具夹持在平面研磨机上完成光纤端部的锥面加工后，取下光纤夹具，锥面加工后的光纤保持在光纤夹具内；

(2)将光纤夹具夹持在一个摆动臂上，光纤夹具的下端设置有一个旋转盘，旋转盘内放置有研磨介质；

(3)调整光纤夹具，使光纤夹具下端的光纤加工端与研磨介质相接触；并使旋转盘带动研磨介质进行水平旋转运动；

(4)以光纤加工端为摆动中心，以光纤夹具为摆轴，使摆动臂带动光纤夹具做弧线往复摆动运动；

(5)光纤夹具弧线往复摆动的同时，摆动臂带动光纤夹具以光纤纤芯的中心线为转轴进行自转运动。

当然，本发明提供的锥形透镜光纤的制作方法，也可以是包括下述步骤：

(1)提供一根光纤，光纤端部剥除涂覆层15-30毫米，将端部涂覆层剥除后的光纤夹持固定在光纤夹具内，将夹持有光纤的光纤夹具夹持在平面研磨机上完成光纤端部的锥面加工后，取下光纤夹具，锥面加工后的光纤保持在光纤夹具内；

(2)将光纤夹具夹持在一个摆动臂上，光纤夹具的下端设置有一个旋转盘，旋转盘上端面同时连接有一个摆动旋转轴，旋转盘内放置有研磨介质；

(3)调整光纤夹具，使光纤夹具下端的光纤加工端伸入到所述的研磨介质内；

(4)以摆动旋转轴的上端部为摆动中心，带动旋转盘做弧线往复运动，旋转盘做弧线往复运动的同时，摆动旋转轴同时带动旋转盘旋转而使研磨介质以其中心为转轴进行旋转运动；同时摆动臂还带动光纤夹具以光纤纤芯为转轴进行自转运动。

本发明中上述研磨介质的旋转运动是指研磨介质在与其中心轴线垂直方向的平面上进行自转旋转运动。

本发明中的研磨介质可为固态粉状介质，该粉状介质为微粉状研磨料(粒径为0.1-50微米之间)；该微粉状研磨料为金刚石微粉、碳化硅微粉、碳化硼微粉或类似的磨料微粉或它们的混合物。

本发明中的研磨介质可为流体介质，该流体介质为膏状研磨料或抛光液，该膏状研磨料为金刚石微粉、碳化硅微粉、碳化硼微粉或类似的磨料微粉或它们的混合物与去离子水、六偏磷酸钠配比而成的新的混合物；而抛光液为现有光纤跳线研磨用抛光液。

本发明中当研磨介质为固态粉状介质或流体介质时，光纤加工端可与研磨介质表面相接触，当然光纤加工端也可以伸入到所述的研磨介质内部。

本发明中的研磨介质可为研磨纸或抛光纸。该研磨纸或抛光纸为光纤跳线研磨通用研磨纸，而此时在加工过程中，光纤加工端与研磨纸或抛光纸的表面相接触。

本发明中所述的光纤是指光纤裸纤，光纤裸纤由中心高折射率玻璃芯，中间低折射率硅玻璃包层，以及最外层加强用树脂涂层构成，树脂涂层也就是本发明中所述的涂覆层；而光纤加工端指去除涂覆层后光纤裸纤的端部待加工的锥形端部半球面的部位。

本发明与现有技术相比，采用磨削加工方式，将所要加工的光纤固定在光纤夹具内，然后以运动的研磨介质为磨削工具，使光纤加工端与研磨介质相接触后，再使光纤加工端和研磨介质做相对弧线往复摆动运动；同时研磨介质还在与其中心轴线垂直方向的平面上进行自转旋转运动，光纤加工端还以纤芯为转轴进行自转运动，进而实现锥形透镜光纤端部半球面的加工；本发明由于半球面的加工采用磨削加工，半球面的曲率半径可根据需要进行调整控制，因此加工精度高，耦合效率也可达80％左右，并且加工时间短，成品率高。

附图说明

图1为锥形透镜光纤结构示意图，其中b、c为a图A局部放大图。

图2为实施例1加工原理图。

图3为实施例2加工原理图。

图中，1-光纤，2-锥面，3-半球面，4-旋转盘，5-研磨料。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

参见图1a、b、c，目前的锥面透镜光纤的加工是将光纤端部先在平面研磨机上加工出锥面2，然后在锥面的前端再采用熔融原理加工出半球面3。本发明提供的锥形透镜光纤的加工方法是在光纤端部先完成锥面加工后，直接采用磨削方式加工半球面3。本发明的半球面3的加工是使光纤加工端与研磨介质相接触(接触是指光纤加工端与研磨介质表面相接触或光纤加工端伸入研磨介质内)后，再使光纤加工端和研磨介质作相对的弧线往复摆动运动，光纤加工端同时还要以纤芯为转轴进行自转运动实现半球面3加工。光纤加工端和研磨介质相对往复运动的过程中，研磨介质还在与其中心轴线垂直方向的平面上进行自转旋转运动。当然，本发明中光纤加工端和研磨介质往复摆动运动的弧线方向保持一致(即弧线的弧心同心)，但相对往复摆动的方向相反。

本发明采用的磨削加工方式，使光纤加工端与研磨介质相接触或伸入研磨介质内，以自转运动的研磨介质为磨削工具，将所要加工的光纤1夹持固定在一个光纤夹具内，使光纤夹具带动光纤加工端在运动的研磨介质中，以光纤加工端为摆动中心，以光纤夹具为摆轴带动光纤加工端做弧线往复运动，同时光纤夹具还带动光纤以纤芯为转轴进行自转运动，而研磨介质还同时在水平方向上进行自转旋转运动，光纤加工端与研磨介质要相接触或伸入研磨介质内，以实现锥形透镜光纤锥面端部半球面3的加工；当然，也可将光纤1夹持固定在一个光纤夹具内，使研磨介质做弧线往复运动，同时光纤夹具带动光纤加工端以光纤纤芯为转轴进行自转运动，研磨介质在往复摆动运动的同时，其还在与其摆动轴线垂直方向的平面上进行自转旋转运动，以实现锥形透镜光纤锥面端部半球面3的加工。

本发明的光纤夹具在固定光纤1时，采用现有的轴向夹持方式，光纤夹具为芯筒状结构，即将光纤贯穿整个光纤夹具后将光纤夹持，光纤加工端伸出光纤夹具2-3毫米，如自动铅笔固定铅芯的方式。

本发明在加工上述半球面时，所述光纤加工端的弧线往复运动具体是以光纤加工端为摆动中心，以光纤1为摆轴，使光纤夹具带动光纤加工端在运动的研磨介质中进行弧线往复运动；或者将光纤固定，使研磨介质以其旋转中心线为摆轴进行弧线往复运动，或者使光纤与研磨介质同时相对做弧线往复运动，同时，在上述弧线往复摆动运动的同时，光纤夹具同时还带动光纤加工端以光纤纤芯中心线为转轴进行自转运动，在上述的整个加工过程中，研磨介质始终在与其中心轴线垂直方向的平面上进行自转旋转运动。

由于本发明加工方法中，光纤加工端与研磨介质相接触或伸入研磨介质内，因此，当光纤加工端与研磨介质表面相接触时，本发明中的研磨介质可为研磨纸和抛光纸，该研磨纸和抛光纸为光纤跳线研磨通用研磨纸；当光纤加工端伸入研磨介质内时，本发明的研磨介质可为固态粉状介质或流体介质，粉状介质可为微粉状研磨料，流体介质可为膏状研磨料和抛光液，所述固态研磨料与去离子水、六偏磷酸钠配比而成的新的混合物，新的混合物使用前，在超声波震荡仪内预先震荡不少于15分钟，使混合物完全混合均匀。而微粉状研磨料可为金刚石微粉、碳化硅微粉、碳化硼微粉或类似的磨料微粉或它们的混合物。

利用本发明的上述加工方法进行加工时，如下述实施例所述：

实施例1：

参见图2，本实施例中锥形透镜光纤是在现有平面研磨机上完成锥面2的加工后，再将锥面加工后的光纤端部悬置于旋转运动的研磨介质内，然后以该光纤加工端的端部为摆动中心，以光纤1为摆轴进行弧线往复运动，光纤同时还以纤芯为转轴进行自转运动实现锥形端部半球面3的加工。为实现上述运动，本发明将端部涂覆层剥除后的光纤夹持固定在一个光纤夹具内，由一个摆动臂带动光纤夹具摆动运动，同时摆动臂的上端设置旋转电机，旋转电机同时带动光纤夹具在摆动运动的同时进行自转运动；旋转盘的下端面链接有电机，电机带动旋转盘做水平旋转运动。

本实施例的加工方法具体包括如下步骤：

1、提供一根光纤1，光纤1端部剥除涂覆层15-30毫米，将端部涂覆层剥除后的光纤1夹持在光纤夹具内(涂覆层剥除后的光纤1端部伸出光纤夹具2-3毫米)，将光纤夹具夹持固定在平面研磨机上完成光纤端部的锥面2加工后，取下光纤夹具，锥面加工后的光纤保持在光纤夹具内，也就是说在锥面2加工完成后，该光纤仍保持在锥面研磨所用的夹具中，并在下步骤中同光纤夹具一起使用；

2、将光纤夹具夹持到一个摆动臂上，该摆动臂与光纤夹具垂直方向上平行，光纤的加工端位于光纤夹具下端，摆动臂的上端设置有旋转电机，该旋转电机下端与光纤夹具上端部通过链接后可带动光纤夹具进行自转运动；光纤加工端的下端设置有一个旋转盘4，旋转盘4下端链接有电机，旋转盘通过电机带动在水平方向上进行自转旋转运动；光纤加工端位于旋转盘4的非旋转中心线上；旋转盘4的上表面设置有凹槽，凹槽内添加有已经调配好的膏状研磨料(研磨料是金刚石微粉、六偏磷酸钠与去离子水按重量比1∶1∶1.5配比的混合物，调配后在超声波震荡仪器中震荡20分钟使其充分混合均匀)；

3、调整光纤夹具在摆动臂垂直方向上的位置，使光纤加工端伸入到研磨料内(光纤加工端与旋转盘4凹槽底面垂直方向上保持至少1毫米的距离，以防止光纤加工端在运动过程中与旋转盘底部接触造成光纤端部断裂)；

4、同时使摆动臂做弧线往复摆动运动、旋转盘4带动研磨料5水平方向上自转旋转运动、摆动臂上端的旋转电机带动光纤夹具进行自转运动，(此时，摆动臂的摆动周期30次/分、光纤夹具的自转运动转速为20转/分、旋转盘4旋转转速为150转/分)，上述运动同时进行10分钟后取下光纤夹具，用去离子水清洗光纤加工端，使光纤加工端表面干净；

5、通过检测系统检测光纤加工端半球面3的曲率半径是否合格(检测曲率半径具体指测量半球面3曲率半径的尺寸是否符合要求)，合格，进行下一步骤；不合格，则将光纤夹具夹持到摆动臂上继续进行上述加工运动3-5分钟后再进行检测，直到合格为止；

6、更换研磨料6为抛光液，再次装夹光纤夹具进行上述运动，将所加工的半球面3继续抛光3分钟(抛光时，摆动臂摆动周期为20次/分，光纤夹具自转运动转速为30转/分，旋转盘4旋转转速为300转/分)；

7、取下光纤夹具，从光纤夹具内取出光纤，用去离子水冲洗光纤加工端，并将其表面擦拭干净。

实施例2：

参见图3，与实施例1不同的是，实施例2中的光纤1不作弧线摆动运动而只进行以纤芯为转轴的自转运动，研磨介质做弧线往复运动同时进行旋转运动以实现半球面3的加工，也就是光纤1加持固定在光纤夹具内，将光纤夹具夹持在摆动臂上(摆动臂处于竖直方向)，摆动臂上端设置旋转电机，光纤夹具上端与旋转电机链接，旋转电机带动光纤夹具进行自转运动，而摆动臂不进行弧线往复运动；旋转盘上端面中心设置摆动旋转轴，摆动旋转轴使旋转盘(旋转盘内设置研磨料)旋转运动的同时做向上的弧线往复运动以实现光纤端部半球面3的加工，具体包括如下步骤：

1、提供一根光纤1，光纤端部剥除涂覆层15-30毫米，将端部涂覆层剥除后的光纤夹持在光纤夹具内，保证剥除涂覆层后的光纤端部伸出光纤夹具2-3毫米即可；将光纤夹具夹持固定在平面研磨机上完成光纤端部的锥面2加工后，取下光纤夹具，锥面2加工后的光纤保持在夹具内，也就是说在锥面2加工完成后，该光纤1仍保持在锥面研磨所用的夹具中，并在下一步骤中同光纤夹具一起使用；

2、将光纤夹具夹持固定到一个摆动臂上，摆动臂上端设置有旋转电机，光纤夹具上端与旋转电机链接，该摆动臂与光纤夹具垂直方向上平行；而光纤加工端位于光纤夹具的下端，光纤加工端的下端同时还设置有一个旋转盘4，旋转盘4的上表面设置有凹槽，凹槽内添加有已经调配好的粉状研磨料5(研磨料是碳化硅微粉、金刚石微粉的混合物)；

3、旋转盘4上端面中心还连接有一个摆动旋转轴，摆动旋转轴以其上端部为摆动中心，带动下端部的旋转盘4做弧线往复运动，同时，摆动旋转轴还带动旋转盘4以摆动旋转轴的中心为旋转中心进行自转旋转运动；

4、调整旋转盘4水平方向上的位置，使光纤加工端位于旋转盘4内研磨料5的非旋转中心位置；同时调整光纤夹具在摆动臂垂直方向上的位置，使光纤加工端伸入到研磨料5内(光纤加工端与旋转盘4的凹槽底面在垂直方向上保持至少1毫米的距离，以防止光纤加工端在运动过程中与旋转盘凹槽底部接触造成光纤端部断裂)；

5、使摆动旋转轴带动旋转盘4同时做弧线往复运动和自转旋转运动，使摆动臂上端的旋转电机带动光纤夹具在竖直方向上进行自转运动，上述运动同时进行10分钟后，取下光纤夹具(摆动轴摆动周期为20次/分，旋转转速为150转/分，光纤夹具自转转速为10转/分)，用去离子水清洗光纤加工端，使其表面干净；

6、通过检测系统检测光纤加工端半球面3的曲率半径是否合格，合格，则进行下一步骤；不合格，则将光纤夹具夹持到摆动臂上继续进行上述加工运行3-5分钟后再进行检测，直到合格为止；

7、更换研磨料5为抛光液，再次装夹光纤夹具，将所加工的半球面3继续抛光2-3分钟(抛光时，摆动旋转轴摆动周期为30次/分，旋转转速为300转/分，光纤夹具自转转速为30转/分)；

8、取下光纤夹具，从光纤夹具内取出光纤，用去离子水清洗光纤加工端，并将其表面擦拭干净。

实施例3

与实施例1和2不同的是，实施例3在加工时，摆动臂和旋转盘4同时相对进行弧线往复运动，弧线往复运动的弧线方向一致，即两者相互往复运动时，摆动的弧线的弧心同心；摆动臂和旋转盘弧线往复运动的同时，旋转盘4带动研磨料5进行旋转运动，并且摆动臂和旋转盘4弧线运动时，两者的运动方向相反；同时上述运动中，摆动臂上端设置的旋转电机始终带动光纤夹具进行自转运动，旋转盘始终带动研磨介质在与旋转盘中心轴线垂直方向的平面上进行自转旋转运动。

实施例4：

与上述实施例不同的是，本实施例中，是将研磨料5更换为研磨纸，将抛光液更换为抛光纸，研磨纸和抛光纸平铺在旋转盘4上即可，此时，旋转盘4的上表面为平面即可，在加工过程中，光纤加工端与研磨纸或抛光纸的上表面相接触即可，而旋转盘4的运动方式与上述实施例中相同。

本发明的上述实施例中的具体步骤仅仅是为了方便说明本发明制作方法的举例而已，并不是对本发明保护范围的限制，对于本领域一般技术人员而言，凡是在不脱离本发明实质内容的情况和范围内所做出的种种方式的改变，均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种锥形透镜光纤的制作方法，是先完成光纤(1)端部锥面(2)的加工，其特征在于：还使光纤加工端与运动的研磨介质相接触，再使光纤加工端和研磨介质作相对的弧线往复运动，光纤加工端同时还以光纤纤芯为转轴进行自转运动完成半球面(3)的加工。

2.根据权利要求1所述的一种锥形透镜光纤的制作方法，其特征在于：所述光纤加工端和研磨介质相对往复运动时，往复摆动的弧线同心，摆动的方向相反。

3.根据权利要求2所述的一种锥形透镜光纤的制作方法，其特征在于：包括下述步骤：

a)提供一根光纤，光纤端部剥除涂覆层15-30毫米，将端部涂覆层剥除后的光纤夹持固定在光纤夹具内，将夹持有光纤的光纤夹具夹持在平面研磨机上完成光纤端部的锥面加工后，取下光纤夹具，锥面加工后的光纤保持在光纤夹具内；

b)将光纤夹具夹持在一个摆动臂上，光纤夹具的下端设置有一个旋转盘，旋转盘内放置有研磨介质；

c)调整光纤夹具，使光纤夹具下端的光纤加工端与研磨介质相接触；并使旋转盘带动研磨介质进行旋转运动；

d)以光纤加工端为摆动中心，以光纤夹具为摆轴，使摆动臂带动光纤夹具做弧线往复运动；

e)光纤夹具弧线往复运动的同时，光纤夹具同时以光纤纤芯为转轴进行自转运动。

4.根据权利要求2所述的一种锥形透镜光纤的制作方法，其特征在于：包括下述步骤：

a)提供一根光纤，光纤端部剥除涂覆层15-30毫米，将端部涂覆层剥除后的光纤夹持固定在光纤夹具内，将夹持有光纤的光纤夹具夹持在平面研磨机上完成光纤端部的锥面加工后，取下光纤夹具，锥面加工后的光纤保持在光纤夹具内；

b)将光纤夹具夹持在一个摆动臂上，光纤夹具的下端设置有一个旋转盘，旋转盘上端面中心同时连接有一个摆动旋转轴，旋转盘内放置有研磨介质；

c)调整光纤夹具，使光纤夹具下端的光纤加工端伸入到所述的研磨介质内；

d)以摆动旋转轴的上端部为摆动中心，带动旋转盘做弧线往复运动，旋转盘做弧线往复运动的同时，摆动旋转轴同时带动旋转盘旋转而使研磨介质旋转运动；同时光纤夹具还以光纤纤芯为转轴进行自转运动。

5.根据权利要求3或4所述的一种锥形透镜光纤的制作方法，其特征在于：所述研磨介质的运动是指研磨介质在与其中心轴线垂直方向的平面上进行自转旋转运动。

6.根据权利要求5所述的一种锥形透镜光纤的制作方法，其特征在于：所述的研磨介质为固态粉状介质或流体介质；所述粉状介质为微粉状研磨料，所述的流体介质为膏状研磨料或抛光液，所述膏状研磨料为所述微粉状研磨料与去离子水配、六偏磷酸钠配比而成的混合物。

7.根据权利要求5所述的一种锥形透镜光纤的制作方法，其特征在于：所述研磨介质为研磨纸或抛光纸。

8.根据权利要求6所述的一种锥形透镜光纤的制作方法，其特征在于：所述的光纤加工端伸入到所述的固态粉状介质或流体介质内部。

9.根据权利要求6所述的一种锥形透镜光纤的制作方法，其特征在于：所述的微粉状研磨料为金刚石微粉、碳化硅微粉、碳化硼微粉或类似的磨料微粉或它们的混合物。

10.根据权利要求7所述的一种锥形透镜光纤的制作方法，其特征在于：所述的光纤加工端与研磨纸或抛光纸的表面相接触。

Images