1 引 言
半导体激光器(LD)到单模光纤的耦合是光纤通信、光电子器件领域的一项关键技术。几乎所有的光纤系统都涉及到光纤端面耦合的问题,研究表明,光纤端面的形状对耦合效率有很大影响,按照模式耦合理论[1],LD到单模光纤的耦合,实质是两者之间的模场匹配。目前采用的耦合方法有单透镜耦合、复合透镜耦合和光纤微透镜耦合三大类,其中光纤微透镜耦合因其结构紧凑、操作方便、性能可靠、耦合效率较高,得到广泛应用。
所谓光纤微透镜就是在光纤端面加工制成某种类似透镜的形状,使其在光纤系统中达到光路改变或模式转换作用[2]。不同的耦合对象要求不同的光纤微透镜形状,光纤微透镜的形状一般有锥形、楔形、斜面、球面、斜球面等,如图1所示。光纤微透镜型式的多样性对其制造方法提出更高的要求。笔者介绍研磨抛光法的光纤微透镜制造,并设计出一种新型的研磨装置。借助Matlab语言对该机构的轨迹进行仿真。
2 光纤微透镜的研磨抛光制造法
光纤微透镜制造的主要方法有蚀刻法、熔融拉伸法和研磨抛光法,前两种存在一些问题,可加工的光纤微透镜类型很少,应用不多,故不多述,主要讨论广泛应用的研磨抛光法。
在硬脆性材料的超精密加工中,广泛采用研磨、抛光为代表的磨料加工技术。在现代微电子、信息、光学等领域,为实现先进工程陶瓷材料,光学脆硬材料的固有功能,超精密研磨抛光作为最终加工方法,超精密研磨抛光加工涉及的材料范围很广,例如:硅、砷化钾等半导体材料,铌酸锉、氧化铝等光电子材料和压电水晶材料,石英光纤及光学玻璃等[3]。
超精密研磨抛光属于游离磨粒切削加工,目前比较认可的定义是:用注入磨料的研磨盘或其它工具去除微量的工件材料,达到高级几何精度(优于0. 1μm)和优良的表面粗糙度(优于Ra0. 01μm)的方法[3]。
研磨抛光法是一种相对比较完善成熟的微加工法,是比蚀刻法和熔融拉伸法更完善的加工方法。采用研磨抛光法可以制造不同型面的光纤微透镜,如锥形、楔形、斜面、球面、斜球面等,因此这制造方法相对前两种法而言是一种柔性制造方法。研磨抛光法制造的不同型面的光纤微透镜,辅以光纤熔接机放电方式融出尖端圆弧。不仅可以实现良好的物理接触,还可将后项反射光加以旁路,从而增大其回波损耗,减少微透镜对光源的影响。但是研磨抛光的工艺也比较难控制,对加工设备的精度要求也较高。
研磨工艺是一个很精细的过程,单模裸光纤直径为0.125mm,要在其端面研磨加工成锥形、楔形或其它面型的难度很高,由于影响研抛精度的因素很多,例如研磨速度,接触压力,砂纸材料、粒度,时间控制等诸多因素影响,对不同的研磨方式有不同的加工工艺。所以对不同加工方式优化出好的加工参数至关重要[4]
3 研磨抛光装置的运动仿真
3.1 研磨抛光装置的传动原理
图2为光纤微透镜研磨抛光机传动结构示意图。其运动机构主要是由曲轴、套轴、研磨抛光盘及滑道盘构成。该机构具有两个自由度,须有两个动力源。两个动力源通过同步带传动机构和将动力分别传动给曲轴和套轴,而滑道盘和套轴固连在一起,这样研磨抛光盘、曲轴和滑道盘构成曲柄滑块运动机构。因此,研磨抛光盘相对光纤的运动是自转运动和曲柄滑块运动相复合的复杂运动,其盘上的每一点都将形成比较复杂的加工运动轨迹。
3.2 研磨抛光运动方程的建立
图3为光纤微透镜研磨抛光装置的运动原理图。为建立运动方程,设坐标系xOy固定在机架上,第一动坐标系x1O1y1固定在曲轴偏心段的轴心(即研磨抛光盘的圆心)上,第二动坐标系x2O2y2固定在套轴的轴心上。在光纤微透镜的研磨与抛光过程中,材料去除是依靠磨料的摩擦与切削实现的,假设在研磨盘或抛光垫表面的磨料分布均匀,每一个磨料被认为是一个随机点。设P(R,θ)点为其上的一个随机磨料点,利用坐标变换和运动学原理,可得到随机点P(R,θ)的运动方程,其运动轨迹方程如下:
设随机点P的极坐标为(R,θ),根据坐标变换理论得到P点的轨迹方程为:
3.3 研磨与抛光过程的运动仿真
在光纤微透镜的研磨和抛光中,磨料和化学溶剂组成的抛光液作为一种介质夹杂在抛光垫和光纤端面间,加工表面在化学作用的同时,磨料以具体的点来对工件和抛光垫表面实现两体或三体切削,而磨料的集合体却以随机方式完成整个加工过程,服从统计规律[5~6]。因此,以点的方式来模拟整个加工过程更切合抛光实际。从数学中的蒙特卡罗法出发,充分利用随机实验这个统计过程,将计算机的伪随机数实验过程结合,为整个研究提供可行性,然后利用Matlab软件进行分析计算。利用式(1)对随机磨料点进行轨迹模拟。在参数范围内取R∈[0, 75],θ∈[0, 2π],模拟考察单个磨粒点轨迹,以寻求最佳运动轨迹参数。
图4为模拟的单点轨迹。通过采用不同的曲轴偏心距E、不同的套轴转速n0和不同的曲轴转速n1后单个磨粒点的运动轨迹的比较可发现,为使磨粒点的轨迹变化平稳,应该增大曲轴的偏心距E和转速n1,从而减少套轴的转速n0。
4 结 论
化学腐蚀法和熔融拉伸法两种光纤微透镜制造方法,加工的光纤微透镜型面比较单一。研磨抛光法能够加工多种光纤微透镜,属于柔性制造方法。笔者通过分析双驱动摆动研磨抛光机,发现曲轴偏心距的长度E、套轴转速n0和曲轴转速n1对研磨抛光盘的轨迹的变化起决定性作用。增大曲轴的偏心距长度E、减小的套轴转速n0和增大曲轴转速n1可获得较好的研磨轨迹和理论结果,为下一步打下良好的基础。
参考文献:
[1] 裴雅鹏.光纤端的研磨加工技术[D].哈尔滨:哈尔滨工程技术大学, 2005.
[2] 王福娟,齐晓玲.透镜光纤在光耦合中的应用研究[J].光通信技术, 2003(10): 27.
[3] PollcioveH,GloiNID, Ruckman J. Computer aided opticsmanufacturing[J].Optics and photonics, 1999, 5(5): 213.
[4] Preston FW. The theory and design ofglasspolishingmachines[J].J soc glass tech, 1927(11): 214-256.
[5] HochengH., TsaiH.Y. andTsaiM. S. Effects ofKinematic varia2bles on non-uniformity in chemicalmechanical planarization[J].International journal ofmachine tools& manufacture, 2000(40):1651-166.
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本文作者：王志友
