直接耦合波導保偏光纖環的研磨技術研究

李俊偉 鄧興虎 文雁平 楊毓彬 張斌

摘 要：在直接耦合波導光纖環模塊光纖陀螺研究應用過程中，保偏光纖環光纖端面研磨加工，是實現保偏光纖環與Y波導芯片直接耦合的先決條件。為此，本文提出了一種實現保偏光纖環光纖研磨的方法，并制作研磨9支保偏光纖環。經檢驗，其端面研磨質量達到目標要求，與常規保偏光纖研磨后端面質量一致。

關鍵詞：光纖陀螺;光纖環直接耦合;保偏光纖環研磨

0 引言

為解決Y波導與保偏光纖環光纖熔接點引入的偏振交叉耦合以及背向反射，進一步提高光纖陀螺測量精度，光纖陀螺應用技術領域提出了保偏光纖環與Y波導芯片直接耦合工藝。因此，業內對直接耦合技術也有大量研究[1-3]。

在研究直接耦合波導保偏光纖環技術產業化生產過程中，普遍存在可用于Y波導芯片直接耦合與繞制的保偏光纖環組件研磨后端面應力區開裂的現象，其主要機理為本身光纖應力區制作和光纖研磨過程兩個方面的影響。本文闡述了一種實現直接耦合Y波導保偏光纖環的研磨加工工藝與技術研究。

1研磨設備選型要求

本文研磨加工工藝選型研磨機為LOGITECH-PM5研磨、拋光機及工裝PP5D精密拋光夾具，超高精度的盤協同直觀的控制系統，為產出超高精度且高一致性的樣品提供了保障。采用聚氨酯拋光盤具有加工樣品一致性高、規格水平高、表面光潔等特點。

2研磨機及工裝主要工藝指標

2.1研磨主軸轉速要求

調節主軸轉速是研磨加工時間的重要控制因素，是避免研磨加工中光纖端面開裂的主要原因。本文選用粗磨軸轉速為35r/min，細磨軸轉速為20r/min，拋光軸轉速為25r/min。

2.2研磨壓力要求

研磨壓力調節是控制研磨加工時間的主要因素，同樣也是避免研磨加工中光纖端面開裂的原因之一。本文選用粗磨、細磨、拋光壓力為10N±1N。

2.3磨料添加速率要求

磨料添加速率可以避免磨料不足出現干磨而導致光纖缺面損壞的問題。本文選用粗磨磨料添加速率160±5滴/min，細磨磨料添加速率150±5滴/min，拋光磨料添加速率120±5滴/min。

2.4研磨去除量控制要求

研磨去除量控制主要是工藝監控作用，避免研磨去除量不夠或過量的問題。本文去除量控制范圍為：粗磨研磨去除量0.8±0.1mm，細磨研磨去除量0.2±0.1mm，拋光研磨去除量20±0.5um。

3 研磨加工工藝對比

3.1粗磨加工工藝

采用直接耦合波導光纖環保偏熊貓光纖進行粗磨實驗，在標準研磨工藝單排尾纖支座壓力分別為20N、10N，粗磨研磨盤轉速分別為35rpm、25rpm情況下，磨料添加速率用200±5滴/min、160±5滴/min，通過9um研磨30min粗磨研磨去除量為0.8mm，之后用去離子水沖洗夾具用氮氣吹干，在200倍的顯微鏡下檢查研磨出來的光纖端面已經嚴重缺損、崩裂圖示對比，如圖1（a）、圖1（b）。

3.2細磨加工工藝

粗磨完成后進行細磨實驗，在標準研磨工藝單排尾纖支座壓力分別為16N、10N，細磨研磨盤轉速分別為25rpm、20rpm情況下，磨料添加速率用180±5滴/min、150±5滴/min，通過3um研磨30min細磨研磨去除量為0.2mm，之后用去離子水沖洗夾具用氮氣吹干，在200倍的顯微鏡下檢查研磨出來的光纖端面現出缺損、崩裂圖示對比，如圖2（a）、圖2（b）。

3.3拋光加工工藝

細磨完成后進行拋光實驗，在標準將單排尾纖支座壓力調整為10N，拋光盤轉速調整為25rpm。磨料添加速率用120±5滴/min，通過SF1拋光液進行40min拋光研磨去除量為20um，之后用去離子水沖洗夾具用氮氣吹干，在200倍的顯微鏡下檢查拋光研磨出來的光纖端面未出現缺損、崩裂。

4研磨結果分析

通過直接耦合波導光纖環保偏光纖研磨端面結果，在500倍顯微鏡下檢查如有任何大小或形狀的開裂或其端面完整、沒有可見斑點，則其端面檢查判定如圖3（a）、圖3（b）。

4.1初選研磨加工主要工藝參數

（1）研磨工藝參數見表1。

（2）研磨試驗結果。

通過初選研磨加工主要工藝參數試驗，直接耦合波導光纖環保偏光纖研磨5只環，經顯微鏡端面檢查，5個端口光纖端面符合質量要求，另外5個端口均屬保偏光纖應力區開裂不合格，僅1支配套端口光纖環研磨合格，統計結果詳見表2。

綜合評估：5支直接耦合波導保偏光纖環研磨合格為1支。

4.2優化研磨加工主要工藝參數

（1）研磨工藝參數見表3。

（2）研磨試驗結果。

通過調參優化研磨加工主要工藝參數試驗，直接耦合波導光纖環保偏光纖研磨8只環，經顯微鏡端面檢查，14個端口光纖端面符合質量要求，另外2個端口保偏光纖應力區開裂不合格，統計結果詳見表4。

綜合評估：8支直接耦合波導保偏光纖環研磨后合格7支。

4.3研磨工藝結果分析

經過調參及優化研磨工藝參數后，研磨加工光纖端面合格率達到88%，保偏光纖環的有效利用率得到很大提高，直接耦合波導保偏光纖研磨應力區開裂的情況得到大幅改善。其主要影響因素如下：

（1）研磨主軸轉速和研磨壓力是影向導致保偏光纖端面未出現缺損、崩裂的主要原因，選擇不同的磨盤轉速，所得的試件表面質量有關[4]，考慮主軸轉速和研磨壓力聯調;

（2）磨料添加速率根據主軸轉速可根據表面情況適當調整使之保留研磨面不能干研;

（3）粗磨研磨去除量4/5，細磨粗磨研磨去除量1/5，拋光可去除量忽略。

5 結論

經過直接耦合波導保偏光纖研磨試驗驗證了，研磨加工工藝中主軸轉速和研磨壓力對直接耦合波導光纖環保偏光纖研磨后應力區有著直接影響。其主要性能指標如下：

（1）研磨主軸轉速：20～25r/min;

（2）粗磨、細磨、拋光壓力為10N±0.5N;

（3）粗磨、細磨料添加速率控制在150±5滴/min，拋光料添加速率為120±5滴/min;

（4）研磨總去除量為1mm±0.1mm。

隨著研磨拋光技術的發展，對于研磨各項指標要求越來越高[5]，而且對研磨材料的選擇也非常重要，通過研磨工藝試驗的調參及優化，研磨合格率達到了88%。但是直接耦合波導光纖環保偏光纖是介于波導可研磨與繞環中間的一種特殊保偏光纖，研磨端面的缺損情況仍未完全避免，研磨工藝有待進一步優化。

參考文獻

[1] 田自君，蔡文峰，吳昊，等.保偏光纖環與波導芯片直接耦合技術研究[J].半導體光電，2017，38（1）：57-60.

[2] 甄洪旭，楊德偉，姚天龍，等.光纖環和Y波導調制器直接耦合偏振軸測量[J].光學學報，2015，35（11）：141-146.

[3] 羅永鋒.高精度光纖陀螺光纖環直接耦合對軸技術研究[D].北京：北京航空航天大學，2010.

[4] 劉春紅，李成貴，張慶貴，等.微晶玻璃拋光超光滑表面粗糙度的工藝研究[J].鄭州大學學報，2007，28（4）：126-128.

[5] 胡永亮，袁巨龍，鄧乾發.雙面研磨拋光中工件表面“塌邊現象”的研究[J].新技術新工藝，2010（2）：75-77.