研磨紙粒度與光纖性能

光纖連接器是實現光纖之間活動連接的無源光器件,它具有將光纖與有源器件、光纖與其他無源器件、光纖與系統和儀表進行活動連接的功能。目前,光纖通信技術正在向高帶寬、高數據速率的方向發展,在性能上要求光纖連接器的插入損耗更低、回波損耗更高。

光纖連接器制造過程中的一道關鍵工序就是光纖端面的研磨,由于光纖屬于硬脆玻璃材料,加工時材料去除機理一般為脆性斷裂,如果不采取合適的措施,加工過程中就不可避免地要產生大量的微裂紋或凹坑,造成其表面粗糙度較高,這樣容易引起光信號的散射和吸收,對提高光纖連接器的光學性能是極為不利的。

資料表明,對陶瓷、玻璃等脆性材料進行磨削、研磨加工時,只要磨粒的切削深度小于與工件材料性能相關的某臨界值,脆性材料就會以塑性流動方式去除,從而可獲得表面粗糙度達到納米級的加工表面。

光纖是由純度達99.999%以上的SiO2組成的非晶態石英玻璃,具有高硬度和低斷裂韌性,表現出高度脆性的性質,從而導致光纖在精密加工過程中,容易出現脆性裂紋。

下表為查閱資料所得光纖研磨加工機理有關的材料力學性能:

 

材料 

維式顯微硬度 

HV/GPa

彈性模量 

E/GPa

斷裂韌性 

KIC/(MPa*M1/2)

泊松比 

v

石英光纖 

6.654

72.1

0.794

0.17

金剛石磨料 

/

975

/

0.25

 

  光纖連接器研磨機采用行星軌道式運轉機構,使得光纖端面的每一點及研磨砂紙產生均勻磨損。為使連接器對接時兩光纖端面物理接觸,陶瓷插芯端部要求預磨成球面。研磨墊由彈性非常好的橡膠做成,將金剛石研磨片貼附在橡膠墊上,這樣,在研磨光纖端面時仍可保證插芯端部為球面。
  平均粒度為9 μm金剛石砂紙研磨得到的光纖粗糙表面,表面不透明,有較多的凹坑,呈現出片狀剝落形式,表明光纖材料以脆性斷裂模式去除;平均粒度為3 μm金剛石砂紙研磨得到的表面,其上存在裂紋及斷續的研磨條紋,但研磨表面也出現了塑性變形,材料是以半脆性半延性模式去除;平均粒度為l μm金剛石砂紙研磨得到的光纖表面,其上看不到任何的微裂紋及劃痕缺陷,表明微細顆粒的磨料使光纖表面材料產生了塑性流動,表面的凹凸受到擠壓而變平,光纖此時處于延性研磨模式。用平均粒度為1~9 μm金剛石砂紙研磨光纖時,存在三種材料去除模式:脆性斷裂模式、半脆性半延性模式和延性模式。
  要使光纖端面得到優良的表面質量,在研磨時應避免出現脆性斷裂研磨模式,而應采用使光纖材料出現塑性流動的延性研磨模式。已有的研究證明,玻璃等脆性材料在適當的加工條件下,當裂紋擴展所需的能量大于塑性變形所需的能量時,就可以實現脆延轉變,材料以延性模式去除,從而得到粗糙度很低的光滑表面。磨削玻璃材料時實現脆延轉變的條件,即單個磨粒的切削深度應小于脆性材料的臨界切削深度。
  資料表明:得到光纖的臨界切削深度約為0.023 μm。在研磨過程中,當磨粒的切削深度低于其脆延轉變的臨界切削深度時,即可在延性模式下研磨出高質量的光纖端面。當金剛石磨料平均粒度為3 μm時,磨粒的切削深度與臨界切削深度相近,但是,實際上有部分磨粒尺寸大于3 μm,從而使這部分磨粒的切削深度大于臨界切深,因而材料去除表現為半脆性半延性;當金剛石磨料平均粒度小于l μm時,絕大部分磨粒的切削深度小于臨界切深,光纖表面材料產生塑性流動,以延性模式去除。
查閱資料,得到金剛石粒度與光纖端面粗糙度的關系圖:

                                     圖1 一定壓力下,磨料粒度與表面粗糙度關系圖 
  對光纖進行精密研磨的目的就是要提高光纖連接器的回波損耗值以及降低其插入損耗值,連接器的插入損耗及回波損耗與光纖表面的粗糙度存在對應關系,表面粗糙度值越低,光纖連接器的插入損耗值越小,回波損耗值越高。連接器的插入損耗及回波損耗與光纖表面的粗糙度存在對應關系,表面粗糙度值越低,光纖連接器的插入損耗值越小,回波損耗值越高。
根據相關資料,得到磨料粒度與回波損耗及插入損耗的關系:
                                          圖2 金剛石粒度與回波損耗及插入損耗的關系
總之,在采用金剛石研磨紙研磨光纖時:
(1)采用平均粒度為1~9 μm金剛石磨料砂紙,光纖研磨加工存在脆性斷裂、半脆性半延性、延性等三種材料去除模式,研磨模式主要由磨料粒度控制。當磨料粒度大于3 μm時,光纖產生脆性破壞以斷裂模式去除;當磨料粒度小于3 μm時,光纖表面產生塑性流動而以延性模式去除。
(2)光纖表面粗糙度與研磨時材料的去除模式有關,在延性去除模式時,表面粗糙度隨磨料粒度變化比較平緩;而在脆性斷裂去除模式時,表面粗糙度隨磨料粒度減小而迅速降低。
(3)以延性模式研磨加工光纖端面時,光纖表面粗糙度可達到5.18 nm,其表面看不到任何劃痕,可使光纖連接器的插入損耗及回波損耗等光學性能滿足高速、寬帶光纖通信的要求。
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