熔錐型光纖器件的流變成形機(jī)理、規(guī)律與技術(shù)研究.pdf

1、熔錐型光纖器件是光纖通信中最具代表性也是構(gòu)成其他器件的基礎(chǔ)器件，熔融拉錐流變成形是制造光纖耦合器、波分復(fù)用器、光濾波器等光纖器件的通用方法。從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，目前對(duì)熔錐型光纖器件的光學(xué)原理與光學(xué)設(shè)計(jì)分析較多，而從制造科學(xué)角度研究熔融拉錐流變制造過程的機(jī)理與規(guī)律仍不足，尤其對(duì)制造工藝參數(shù)與器件的微觀結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能的相關(guān)機(jī)制缺乏基礎(chǔ)研究，使制造過程某些工藝效果仍由技藝和經(jīng)驗(yàn)決定。以致器件的性能不理想，效率和成品率低，成本高。我國目前的

2、熔錐型光纖器件的制造技術(shù)、熔融拉錐裝備主要依賴進(jìn)口。 熔錐型光纖器件中最為典型的器件是光纖耦合器，其用量在光無源器件中居第二位，其功能是使傳輸中的光信號(hào)在特殊結(jié)構(gòu)的熔錐區(qū)發(fā)生耦合，實(shí)現(xiàn)分(合)光。其制造過程為：將兩根去除涂覆層的單模(或多模)光纖以一定的方式靠攏，在高溫下加熱熔融，同時(shí)向兩側(cè)拉伸，最終產(chǎn)生一段雙向圓錐結(jié)構(gòu)，入射的光功率在這個(gè)雙錐體結(jié)構(gòu)的熔錐區(qū)發(fā)生光功率再分配，一部分光功率從“直通臂”繼續(xù)傳輸，另一部分光從“耦合臂

3、”傳輸?shù)搅硪还饴?，?shí)現(xiàn)光功率的分配。 論文以光纖耦合器為代表，針對(duì)目前市場上廣為應(yīng)用的光纖器件存在的性能問題，如合格產(chǎn)品的光學(xué)性能差異，成品率不高所反映的制備工藝優(yōu)化與穩(wěn)定問題，如何進(jìn)一步降低附加損耗等，從光纖耦合器流變成形制造的角度，分析了流變制造工藝參數(shù)如拉錐速度與熔融溫度及其擾動(dòng)對(duì)流變制造成形過程、微觀結(jié)構(gòu)與器件光學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有燃燒氣體火焰的加熱方式不能滿足高性能光纖器件的流變制造技術(shù)要求，提出、設(shè)計(jì)并制造了一種新

4、型的電阻加熱系統(tǒng)和熔融拉錐機(jī)。 論文具體的創(chuàng)新性研究有： 1．在熔融拉錐機(jī)上，實(shí)驗(yàn)獲得了溫度外場、拉錐速度等制造工藝參數(shù)對(duì)器件光功率損耗、分光比等性能參數(shù)的影響規(guī)律。 2．在掃描電子顯微鏡下，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光纖耦合器表面存在微裂紋與析晶等缺陷，獲得了工藝參數(shù)對(duì)熔錐區(qū)微觀形貌的影響規(guī)律，找到了微觀形貌與器件性能之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律。 3．以光纖玻璃微觀結(jié)構(gòu)的基本單元Si-O-Si鍵為研究對(duì)象，基于分子振動(dòng)與紅外光譜理

5、論，建立了1100cm<'-1>紅外特征峰與Si—O—Si鍵角的關(guān)聯(lián)數(shù)學(xué)模型。 4．利用顯微紅外光譜儀，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并查明了器件折射率分布不均勻、分光比一致性差等光學(xué)性能變異的根本原因在于制造過程材料分子結(jié)構(gòu)的變化。 5．針對(duì)光纖玻璃在轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域的流變行為與粘彈松弛特性，提出了面向有限元分析的松弛函數(shù)的轉(zhuǎn)換算法，解決了理論模型中粘彈松弛模量的表達(dá)和數(shù)值分析中的參數(shù)變換問題。 6．建立了光纖耦合器熔融拉錐有限元計(jì)算模

6、型，實(shí)現(xiàn)了光纖拉錐流變?nèi)^程數(shù)值仿真，可預(yù)測分析器件制造參數(shù)對(duì)流變制造過程的影響。 7．發(fā)現(xiàn)制造過程影響熔融拉錐體光傳輸性能提高的物理本質(zhì)是：現(xiàn)有生產(chǎn)裝備與工藝所提供的流變外場不能提供符合熔錐均勻連續(xù)流變的三維能場狀態(tài)，熔錐流變不均勻使分子結(jié)構(gòu)參數(shù)變化差異，內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生與殘留影響光學(xué)性能的部分喪失。 8．提出一種制造區(qū)光纖溫度均勻化，內(nèi)應(yīng)力極小化的溫度外場模型和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，研制了一種新型電阻加熱器和其溫控系統(tǒng)，將熔融溫度的