光纤连接器端面研磨抛光机理与规律研究

论文摘要

光纤连接器作为目前应用面最广、用量最大的光无源器件,其种类、结构形式十分丰富,随着光纤通讯对器件质量要求的迅速提高,目前普遍使用的制造工艺与技术都难以高水平适应,迫切需要更深层次地认识光纤连接器制造过程中的机理性、规律性科学问题,以期在制造技术上取得突破。本文依托国家自然科学基金重点项目《光纤器件的亚微米制造理论与关键技术》,针对光纤连接器制造中存在的问题,通过理论分析、试验测试以及有限元仿真等方法,对光纤结合界面上光波传输与畸变规律、光纤连接器端面研磨抛光工艺进行了研究,建立了光学原理与器件结构参数、制造精度、工艺参数的融合模型并找出了其中的量值规律。论文的主要研究内容及研究结果如下:（1）基于薄膜光学原理,建立了光纤端面之间间隙、表面粗糙度、变质层等制造因素影响光纤连接器性能的数学模型。研究表明,在消除光纤端面之间的间隙后,研抛变质层是阻碍提高连接器光学性能的最主要因素。（2）研究了连接器端面研磨抛光工艺与器件光学性能的关系。采用干涉仪、扫描电子显微镜（SEM）、非接触表面轮廓仪（WYKO）等,对连接器插针体端面形状、表面质量进行了观察,总结了工艺参数对连接器光学性能的影响规律,获得了一组较优的连接器端面研磨抛光工艺匹配参数。应用椭圆偏振光谱仪测试了光纤端面研磨变质层的折射率与厚度,发现用粒度分别为3μm、1μm、0.5μm的金刚石砂纸研磨引起的变质层折射率相比标准光纤提高了约4.4%、3%、2.5%,相应的变质层厚度约为0.167μm、0.09μm、0.063μm。由变质层反推计算得到的连接器回波损耗与直接由回波损耗仪测得的结果基本一致,证明所建立的连接器光学性能与制造因素关联数学模型正确。（3）研究了连接器端面研磨抛光时光纤材料的去除。应用光纤压痕试验找到了实现光纤塑性域研磨加工的依据,并根据Bifano法则,得到实现光纤由脆性去除转变到塑性去除的临界切深dc=0.023μm;基于Hertz接触理论,建立了陶瓷插芯与光纤组合端面研磨加工时磨粒对光纤切深的计算模型,获得了实现光纤塑性域研磨的条件。通过扫描电子显微镜观察用不同粒度的金刚石砂纸研磨后的光纤端面,发现存在脆性断裂、半脆性半塑性、塑性等3种材料去除模式,在塑性去除模式下可获得高质量加工表面。试验结果与理论分析计算相吻合,为研究变质层形成的原因及有限元仿真奠定了基础。（4）研究了光纤端面研抛变质层的材料微观结构变化,查明了变质层产生的根本原因。基于红外光谱理论,以SiO2玻璃光纤红外光谱特征峰波数与硅氧四面体[SiO4]单元之间Si-O-Si键角之间的关系为基础,建立了光纤红外光谱1100cm-1特征峰波数与分子体积及折射率的数学模型。应用显微红外光谱测试仪,对光纤研抛变质层进行了测试,与标准光纤的红外光谱1100cm-1特征峰波数相比较,发现各种研抛工艺条件下的变质层红外光谱1100cm-1特征峰波数均有不同程度降低,从而推论出变质层的微观结构变化为硅氧四面体[SiO4]单元之间的Si—O—Si键的键角减小、分子体积被压缩,反映到宏观上即为折射率升高。变质层分子体积压缩程度及折射率增大幅度与研磨抛光工艺密切相关,从半精研磨、精研磨到湿抛光,光纤端面变质层的分子体积压缩率从约10%降低到约5%,变质层的计算折射率增幅与椭圆偏振仪测试结果一致,证明了光纤微观结构红外光谱测试模型的准确性。（5）对光纤材料在研磨时应遵循的屈服准则进行了研究,并应用有限元法对光纤端面研磨变质层的形成进行了仿真。根据研磨过程中光纤存在塑性剪切变形及不可逆体积压缩的变形特点,推论出研磨时光纤的屈服是等效剪应力与体积应力共同作用的结果,建立了计入体积应力引起不可逆体积变形为特点的光纤材料弹塑性本构模型。基于后向欧拉法,推导了光纤材料本构模型应用在研磨过程中的应力更新算法,借用通用有限元平台ABAQUS的用户自定义材料UMAT接口,编制出了相应的计算程序,并将该应力更新算法纳入到通用有限元分析系统中,应用于光纤研磨过程的仿真分析,模拟了变质层的形成。研磨变质层的体积压缩率及变质层厚度的有限元计算结果与试验测试结果基本吻合,证明所建立的光纤材料本构模型客观地表达了其在研磨时的规律,这对其它脆性材料塑性域加工的表面质量研究也有参考价值。本文的研究工作可以作为光纤器件设计与制造的理论参考,期望对光纤器件的发展有所裨益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源和研究意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 光纤连接器的研究现状
• 1.2.1 光纤连接器插针体端面形状
• 1.2.2 提高光纤连接器回波损耗的途径
• 1.2.3 光纤连接器端面研磨与抛光
• 1.3 与光纤连接器端面研磨抛光加工相关的几个问题
• 1.3.1 硬脆材料塑性域超精密加工理论的研究
• 1.3.2 光学玻璃超精密研磨抛光加工变质层的研究
• 2玻璃压缩特性的研究'>1.3.3 SiO₂玻璃压缩特性的研究
• 1.4 论文的主要研究内容
• 1.4.1 存在的问题
• 1.4.2 研究思路
• 1.4.3 论文的组织结构
• 第2章 影响光纤连接器光学性能的关键因素及端面研磨抛光工艺试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 影响光纤连接器光学性能的关键因素研究
• 2.2.1 光纤连接器的性能指标
• 2.2.2 光纤端面间隙对连接器光学性能的影响
• 2.2.3 光纤端面粗糙度对光反射和透射的影响
• 2.2.4 插针体端面形状参数及其对连接器光纤物理接触的影响
• 2.2.5 光纤端面变质层与连接器光学性能的关系
• 2.3 光纤连接器端面研磨抛光试验
• 2.3.1 试验设备及基本步骤
• 2.3.2 研抛机运动参数及研磨压力的确定
• 2.3.3 光纤连接器端面研磨试验
• 2.3.4 光纤连接器端面抛光试验
• 2.4 小结
• 第3章 连接器端面研磨加工时光纤材料的去除
• 3.1 引言
• 3.2 光纤压痕试验研究
• 3.2.1 光纤的宏观特性和细观特性
• 3.2.2 光纤压痕试验
• 3.2.3 压痕形成过程
• 3.3 研磨过程中光纤材料去除的脆—塑转变研究
• 3.3.1 光纤材料去除的脆—塑转变临界切削深度
• 3.3.2 金刚石磨粒对光纤的最大切削深度计算
• 3.3.3 连接器端面研磨加工时光纤材料去除模式的试验
• 3.3.4 讨论
• 3.4 小结
• 第4章 光纤端面研抛变质层的红外光谱测试
• 4.1 引言
• 4.2 红外光谱基本原理
• 4.3 光纤红外光谱特征峰波数与其微观结构的关系
• 4.4 光纤端面研抛变质层红外光谱测试
• 4.4.1 测试样品准备
• 4.4.2 测试方法
• 4.4.3 测试结果与分析
• 4.5 小结
• 第5章 光纤端面研磨变质层形成的有限元仿真
• 5.1 引言
• 5.2 光纤材料的弹塑性本构模型
• 5.2.1 光纤材料的弹性本构关系
• 5.2.2 光纤材料在研磨加工时的屈服准则
• 5.2.3 光纤材料的塑性体积应变
• 5.3 光纤材料本构模型在通用有限元系统ABAQUS中的实现
• 5.3.1 光纤材料弹塑性本构模型的矩阵形式
• 5.3.2 光纤材料的弹塑性增量计算
• 5.3.3 光纤材料本构模型子程序UMAT的实现
• 5.4 光纤材料弹塑性本构模型参数的获取
• 5.4.1 光纤在维氏压头作用下的“载荷—压深”关系测量
• 5.4.2 光纤维氏压痕过程的有限元仿真
• 5.5 光纤研磨过程的三维有限元仿真
• 5.5.1 光纤研磨过程的三维有限元仿真计算模型
• 5.5.2 光纤研磨过程的三维有限元仿真计算结果
• 5.6 小结
• 第6章 全文总结
• 参考文献
• 附录A 基于运动学的插针体端面顶点偏移的控制
• 附录B ABAQUS UMAT用户子程序源代码
• 致谢
• 攻读博士学位期间的研究成果