直接耦合波导保偏光纤环的研磨技术研究

李俊伟 邓兴虎 文雁平 杨毓彬 张斌

摘 要：在直接耦合波导光纤环模块光纤陀螺研究应用过程中，保偏光纤环光纤端面研磨加工，是实现保偏光纤环与Y波导芯片直接耦合的先决条件。为此，本文提出了一种实现保偏光纤环光纤研磨的方法，并制作研磨9支保偏光纤环。经检验，其端面研磨质量达到目标要求，与常规保偏光纤研磨后端面质量一致。

关键词：光纤陀螺;光纤环直接耦合;保偏光纤环研磨

0 引言

为解决Y波导与保偏光纤环光纤熔接点引入的偏振交叉耦合以及背向反射，进一步提高光纤陀螺测量精度，光纤陀螺应用技术领域提出了保偏光纤环与Y波导芯片直接耦合工艺。因此，业内对直接耦合技术也有大量研究[1-3]。

在研究直接耦合波导保偏光纤环技术产业化生产过程中，普遍存在可用于Y波导芯片直接耦合与绕制的保偏光纤环组件研磨后端面应力区开裂的现象，其主要机理为本身光纤应力区制作和光纤研磨过程两个方面的影响。本文阐述了一种实现直接耦合Y波导保偏光纤环的研磨加工工艺与技术研究。

1研磨设备选型要求

本文研磨加工工艺选型研磨机为LOGITECH-PM5研磨、抛光机及工裝PP5D精密抛光夹具，超高精度的盘协同直观的控制系统，为产出超高精度且高一致性的样品提供了保障。采用聚氨酯抛光盘具有加工样品一致性高、规格水平高、表面光洁等特点。

2研磨机及工装主要工艺指标

2.1研磨主轴转速要求

调节主轴转速是研磨加工时间的重要控制因素，是避免研磨加工中光纤端面开裂的主要原因。本文选用粗磨轴转速为35r/min，细磨轴转速为20r/min，抛光轴转速为25r/min。

2.2研磨压力要求

研磨压力调节是控制研磨加工时间的主要因素，同样也是避免研磨加工中光纤端面开裂的原因之一。本文选用粗磨、细磨、抛光压力为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现干磨而导致光纤缺面损坏的问题。本文选用粗磨磨料添加速率160±5滴/min，细磨磨料添加速率150±5滴/min，抛光磨料添加速率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艺监控作用，避免研磨去除量不够或过量的问题。本文去除量控制范围为：粗磨研磨去除量0.8±0.1mm，细磨研磨去除量0.2±0.1mm，抛光研磨去除量20±0.5um。

3 研磨加工工艺对比

3.1粗磨加工工艺

采用直接耦合波导光纤环保偏熊猫光纤进行粗磨实验，在标准研磨工艺单排尾纤支座压力分别为20N、10N，粗磨研磨盘转速分别为35rpm、25rpm情况下，磨料添加速率用200±5滴/min、160±5滴/min，通过9um研磨30min粗磨研磨去除量为0.8mm，之后用去离子水冲洗夹具用氮气吹干，在200倍的显微镜下检查研磨出来的光纤端面已经严重缺损、崩裂图示对比，如图1（a）、图1（b）。

3.2细磨加工工艺

粗磨完成后进行细磨实验，在标准研磨工艺单排尾纤支座压力分别为16N、10N，细磨研磨盘转速分别为25rpm、20rpm情况下，磨料添加速率用180±5滴/min、150±5滴/min，通过3um研磨30min细磨研磨去除量为0.2mm，之后用去离子水冲洗夹具用氮气吹干，在200倍的显微镜下检查研磨出来的光纤端面现出缺损、崩裂图示对比，如图2（a）、图2（b）。

3.3抛光加工工艺

细磨完成后进行抛光实验，在标准将单排尾纤支座压力调整为10N，抛光盘转速调整为25rpm。磨料添加速率用120±5滴/min，通过SF1抛光液进行40min抛光研磨去除量为20um，之后用去离子水冲洗夹具用氮气吹干，在200倍的显微镜下检查抛光研磨出来的光纤端面未出现缺损、崩裂。

4研磨结果分析

通过直接耦合波导光纤环保偏光纤研磨端面结果，在500倍显微镜下检查如有任何大小或形状的开裂或其端面完整、没有可见斑点，则其端面检查判定如图3（a）、图3（b）。

4.1初选研磨加工主要工艺参数

（1）研磨工艺参数见表1。

（2）研磨试验结果。

通过初选研磨加工主要工艺参数试验，直接耦合波导光纤环保偏光纤研磨5只环，经显微镜端面检查，5个端口光纤端面符合质量要求，另外5个端口均属保偏光纤应力区开裂不合格，仅1支配套端口光纤环研磨合格，统计结果详见表2。

综合评估：5支直接耦合波导保偏光纤环研磨合格为1支。

4.2优化研磨加工主要工艺参数

（1）研磨工艺参数见表3。

（2）研磨试验结果。

通过调参优化研磨加工主要工艺参数试验，直接耦合波导光纤环保偏光纤研磨8只环，经显微镜端面检查，14个端口光纤端面符合质量要求，另外2个端口保偏光纤应力区开裂不合格，统计结果详见表4。

综合评估：8支直接耦合波导保偏光纤环研磨后合格7支。

4.3研磨工艺结果分析

经过调参及优化研磨工艺参数后，研磨加工光纤端面合格率达到88%，保偏光纤环的有效利用率得到很大提高，直接耦合波导保偏光纤研磨应力区开裂的情况得到大幅改善。其主要影响因素如下：

（1）研磨主轴转速和研磨压力是影向导致保偏光纤端面未出现缺损、崩裂的主要原因，选择不同的磨盘转速，所得的试件表面质量有关[4]，考虑主轴转速和研磨压力联调;

（2）磨料添加速率根据主轴转速可根据表面情况适当调整使之保留研磨面不能干研;

（3）粗磨研磨去除量4/5，细磨粗磨研磨去除量1/5，抛光可去除量忽略。

5 结论

经过直接耦合波导保偏光纤研磨试验验证了，研磨加工工艺中主轴转速和研磨压力对直接耦合波导光纤环保偏光纤研磨后应力区有着直接影响。其主要性能指标如下：

（1）研磨主轴转速：20～25r/min;

（2）粗磨、细磨、抛光压力为10N±0.5N;

（3）粗磨、细磨料添加速率控制在150±5滴/min，抛光料添加速率为120±5滴/min;

（4）研磨总去除量为1mm±0.1mm。

随着研磨抛光技术的发展，对于研磨各项指标要求越来越高[5]，而且对研磨材料的选择也非常重要，通过研磨工艺试验的调参及优化，研磨合格率达到了88%。但是直接耦合波导光纤环保偏光纤是介于波导可研磨与绕环中间的一种特殊保偏光纤，研磨端面的缺损情况仍未完全避免，研磨工艺有待进一步优化。

参考文献

[1] 田自君，蔡文峰，吴昊，等.保偏光纤环与波导芯片直接耦合技术研究[J].半导体光电，2017，38（1）：57-60.

[2] 甄洪旭，杨德伟，姚天龙，等.光纤环和Y波导调制器直接耦合偏振轴测量[J].光学学报，2015，35（11）：141-146.

[3] 罗永锋.高精度光纤陀螺光纤环直接耦合对轴技术研究[D].北京：北京航空航天大学，2010.

[4] 刘春红，李成贵，张庆贵，等.微晶玻璃抛光超光滑表面粗糙度的工艺研究[J].郑州大学学报，2007，28（4）：126-128.

[5] 胡永亮，袁巨龙，邓乾发.双面研磨抛光中工件表面“塌边现象”的研究[J].新技术新工艺，2010（2）：75-77.