研磨纸粒度与光纤性能

研磨纸粒度与光纤性能

2019-12-13 15:08:41 2

光纤连接器是实现光纤之间活动连接的无源光器件,它具有将光纤与有源器件、光纤与其他无源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。目前,光纤通信技术正在向高带宽、高数据速率的方向发展,在性能上要求光纤连接器的插入损耗更低、回波损耗更高。

光纤连接器制造过程中的一道关键工序就是光纤端面的研磨,由于光纤属于硬脆玻璃材料,加工时材料去除机理一般为脆性断裂,如果不采取合适的措施,加工过程中就不可避免地要产生大量的微裂纹或凹坑,造成其表面粗糙度较高,这样容易引起光信号的散射和吸收,对提高光纤连接器的光学性能是极为不利的。

资料表明,对陶瓷、玻璃等脆性材料进行磨削、研磨加工时,只要磨粒的切削深度小于与工件材料性能相关的某临界值,脆性材料就会以塑性流动方式去除,从而可获得表面粗糙度达到纳米级的加工表面。

光纤是由纯度达99.999%以上的SiO2组成的非晶态石英玻璃,具有高硬度和低断裂韧性,表现出高度脆性的性质,从而导致光纤在精密加工过程中,容易出现脆性裂纹。

下表为查阅资料所得光纤研磨加工机理有关的材料力学性能:

 

材料 

维式显微硬度

HV/GPa

弹性模量

E/GPa

断裂韧性 

KIC/(MPa*M1/2)

泊松比 

v

石英光纤 

6.654

72.1

0.794

0.17

金刚石磨料 

/

975

/

0.25

 

光纤连接器研磨机采用行星轨道式运转机构,使得光纤端面的每一点及研磨砂纸产生均匀磨损。为使连接器对接时两光纤端面物理接触,陶瓷插芯端部要求预磨成球面。研磨垫由弹性非常好的橡胶做成,将金刚石研磨片贴附在橡胶垫上,这样,在研磨光纤端面时仍可保证插芯端部为球面。  平均粒度为9 μm金刚石砂纸研磨得到的光纤粗糙表面,表面不透明,有较多的凹坑,呈现出片状剥落形式,表明光纤材料以脆性断裂模式去除;平均粒度为3 μm金刚石砂纸研磨得到的表面,其上存在裂纹及断续的研磨条纹,但研磨表面也出现了塑性变形,材料是以半脆性半延性模式去除;平均粒度为l μm金刚石砂纸研磨得到的光纤表面,其上看不到任何的微裂纹及划痕缺陷,表明微细颗粒的磨料使光纤表面材料产生了塑性流动,表面的凹凸受到挤压而变平,光纤此时处于延性研磨模式。用平均粒度为1~9 μm金刚石砂纸研磨光纤时,存在三种材料去除模式:脆性断裂模式、半脆性半延性模式和延性模式。  要使光纤端面得到优良的表面质量,在研磨时应避免出现脆性断裂研磨模式,而应采用使光纤材料出现塑性流动的延性研磨模式。已有的研究证明,玻璃等脆性材料在适当的加工条件下,当裂纹扩展所需的能量大于塑性变形所需的能量时,就可以实现脆延转变,材料以延性模式去除,从而得到粗糙度很低的光滑表面。磨削玻璃材料时实现脆延转变的条件,即单个磨粒的切削深度应小于脆性材料的临界切削深度。  资料表明:得到光纤的临界切削深度约为0.023 μm。在研磨过程中,当磨粒的切削深度低于其脆延转变的临界切削深度时,即可在延性模式下研磨出高质量的光纤端面。当金刚石磨料平均粒度为3 μm时,磨粒的切削深度与临界切削深度相近,但是,实际上有部分磨粒尺寸大于3 μm,从而使这部分磨粒的切削深度大于临界切深,因而材料去除表现为半脆性半延性;当金刚石磨料平均粒度小于l μm时,绝大部分磨粒的切削深度小于临界切深,光纤表面材料产生塑性流动,以延性模式去除。查阅资料,得到金刚石粒度与光纤端面粗糙度的关系图:
图1 一定压力下,磨料粒度与表面粗糙度关系图

对光纤进行精密研磨的目的就是要提高光纤连接器的回波损耗值以及降低其插入损耗值,连接器的插入损耗及回波损耗与光纤表面的粗糙度存在对应关系,表面粗糙度值越低,光纤连接器的插入损耗值越小,回波损耗值越高。连接器的插入损耗及回波损耗与光纤表面的粗糙度存在对应关系,表面粗糙度值越低,光纤连接器的插入损耗值越小,回波损耗值越高。根据相关资料,得到磨料粒度与回波损耗及插入损耗的关系:图2 金刚石粒度与回波损耗及插入损耗的关系

总之,在采用金刚石研磨纸研磨光纤时:(1)采用平均粒度为1~9 μm金刚石磨料砂纸,光纤研磨加工存在脆性断裂、半脆性半延性、延性等三种材料去除模式,研磨模式主要由磨料粒度控制。当磨料粒度大于3 μm时,光纤产生脆性破坏以断裂模式去除;当磨料粒度小于3 μm时,光纤表面产生塑性流动而以延性模式去除。(2)光纤表面粗糙度与研磨时材料的去除模式有关,在延性去除模式时,表面粗糙度随磨料粒度变化比较平缓;而在脆性断裂去除模式时,表面粗糙度随磨料粒度减小而迅速降低。(3)以延性模式研磨加工光纤端面时,光纤表面粗糙度可达到5.18 nm,其表面看不到任何划痕,可使光纤连接器的插入损耗及回波损耗等光学性能满足高速、宽带光纤通信的要求。


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