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浅谈工艺的精准化 ——结合TEC双纤准直器的制作过程

光无源器件是一种不需要外加能源驱动工作的光电子器件,由于其体积小,核心部分的元件要求甚至会达到微米级别,因而对于器件制造过程工艺的精准化显得非常重要。本文主要是结合热扩芯(thermally expanded core, TEC)双纤准直器制作过程来谈谈工艺的精准化。

TEC光纤制备过程的精准化

与常规光纤相比,TEC光纤端面模场直径大,输出光的发散角小,将其用于趋于集成化、小型化的光纤通讯传输系统中具有无可比拟的优势。TEC光纤的制备原理是:对光纤局部进行高温加热,温度一般控制在1300-1600,这样可以使芯层中的锗离子逐渐向包层扩散,从而引起光纤端面的模场直径变大,而器外包层直径却得以保持不变。

常规的TEC制备过程是使用氢氧火焰加热法,如图1所示,首先去除合适长度涂覆层的目标光纤平放在火焰头下方的夹具上。然后,打开火焰对光纤进行高温加热。通过控制氢气和氧气的比例可加热温度,再加上调节摆动幅度和加热时间,可以改变芯层中锗离子的分布状态,从而改变光纤中的模场直径,得到符合规格的TEC光纤。

可以看到,传统的制备过程依然存在一些明显的缺陷,如:由于火焰头加热方向只有一面,需要手动旋转光纤进行烧制;夹具会限制一次烧制TEC光纤的数量;由于每次放置在夹具上的应力不同,导致烧制后锥腰部分的直径无法控制。根据这些存在的问题,我们提出了一些具体的改进建议:

1、为了改进火焰方向的单一性,可以将火焰头增加至三个,在烧制空间的同一平面上,每个火焰头负责120°,这样就可以在整个空间360°全面均匀地对光纤进行加热.。

2、同样为了改进火焰方向的单一性,还可以将光纤夹具改为自动旋转夹具,它可以根据烧制的时间自动进行旋转不同的角度,以此同样可以在空间上对光纤进行均匀地加热。

3、为了增加一次制备的数量,可以改进放置光纤夹具,如增加V槽的数量。

4、为了保持烧制后锥腰大小的一致性,需要控制每次放置时的应力大小。具体的方式是:在夹具两端,各放置和夹具等高的铝块,铝块表面刻V槽,其上方是压住光纤的压片,然后在两个铝块和夹具的中间吊放两个适合重量的小物体,这样就可以保证每次烧制前的应力一样,从而达到控制锥腰直径一致的效果。

根据建议2和4,如图2所示,为改进后的TEC制备过程示意图。

为了符合下一个工序—光纤头制作的要求,得到合适长度的去除涂覆层部分,切割时,不仅需要在显微镜下进行操作,而且要在切割刀的另一端放置一等高物体,来保证切割角度很小,否则,会由于两端没有水平放置,导致TEC光纤端面切割角度非常大,影响后续操作。

光纤头制作过程的精准化

制作光纤头之前选择合适的微细管,需要考虑到TEC光纤变细部分的长度和微细管锥形孔的长度对装配过程的影响。由于传统研磨微细管的工艺,在进行抛光研磨之前,都是靠人工进行研磨操作,因而很难控制研磨掉微细管的长度,甚至连一致性都很难保证。我们建议,能够像研磨陶瓷插芯那样,可以利用机器进行半自动化或自动化来研磨,这样可以控制研磨的长度,提高研磨的一致性。

准直器调试过程的精准化

为了提高镀膜后的可用性和节约成本,我们在光纤头外出镀膜之前先将光纤头对镜子进行调试,插入损耗符合要求后再外出镀膜,但有时发现同一插入损耗的光纤头镀膜前后的插入损耗不一样,可能是镀膜质量的不一致导致的,因而控制镀膜质量显得非常重要。

将镀膜后的TEC双纤光纤头配合适当的透镜进行2x2配对调试,通过调节五维调节架来得到符合规格的准直器。

从TEC光纤的制备到准直器的调试,每一个操作过程的精准化程度都会影响下一工序,因而对工艺的精准化显得很重要。当然,以上工艺精准化的分析只是针对TEC双纤准直器的制作过程,由于TEC双纤准直器的要求偏高,因而对工艺精准化要求颇高。

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