熔锥型光纤器件的流变成形机理、规律与技术研究

论文摘要

熔锥型光纤器件是光纤通信中最具代表性也是构成其他器件的基础器件，熔融拉锥流变成形是制造光纤耦合器、波分复用器、光滤波器等光纤器件的通用方法。从国内外的研究现状来看，目前对熔锥型光纤器件的光学原理与光学设计分析较多，而从制造科学角度研究熔融拉锥流变制造过程的机理与规律仍不足，尤其对制造工艺参数与器件的微观结构及光学性能的相关机制缺乏基础研究，使制造过程某些工艺效果仍由技艺和经验决定。以致器件的性能不理想，效率和成品率低，成本高。我国目前的熔锥型光纤器件的制造技术、熔融拉锥装备主要依赖进口。熔锥型光纤器件中最为典型的器件是光纤耦合器，其用量在光无源器件中居第二位，其功能是使传输中的光信号在特殊结构的熔锥区发生耦合，实现分（合）光。其制造过程为：将两根去除涂覆层的单模（或多模）光纤以一定的方式靠拢，在高温下加热熔融，同时向两侧拉伸，最终产生一段双向圆锥结构，入射的光功率在这个双锥体结构的熔锥区发生光功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一部分光从“耦合臂”传输到另一光路，实现光功率的分配。论文以光纤耦合器为代表，针对目前市场上广为应用的光纤器件存在的性能问题，如合格产品的光学性能差异，成品率不高所反映的制备工艺优化与稳定问题，如何进一步降低附加损耗等，从光纤耦合器流变成形制造的角度，分析了流变制造工艺参数如拉锥速度与熔融温度及其扰动对流变制造成形过程、微观结构与器件光学性能的影响，发现现有燃烧气体火焰的加热方式不能满足高性能光纤器件的流变制造技术要求，提出、设计并制造了一种新型的电阻加热系统和熔融拉锥机。论文具体的创新性研究有：1．在熔融拉锥机上，实验获得了温度外场、拉锥速度等制造工艺参数对器件光功率损耗、分光比等性能参数的影响规律。2．在扫描电子显微镜下，实验发现了光纤耦合器表面存在微裂纹与析晶等缺陷，获得了工艺参数对熔锥区微观形貌的影响规律，找到了微观形貌与器件性能之间的关联规律。3．以光纤玻璃微观结构的基本单元Si—O—Si键为研究对象，基于分子振动与红外光谱理论，建立了1100cm-1红外特征峰与Si—O—Si键角的关联数学模型。4．利用显微红外光谱仪，实验发现并查明了器件折射率分布不均匀、分光比一致性差等光学性能变异的根本原因在于制造过程材料分子结构的变化。5．针对光纤玻璃在转变温度区域的流变行为与粘弹松弛特性，提出了面向有限元分析的松弛函数的转换算法，解决了理论模型中粘弹松弛模量的表达和数值分析中的参数变换问题。6．建立了光纤耦合器熔融拉锥有限元计算模型，实现了光纤拉锥流变全过程数值仿真，可预测分析器件制造参数对流变制造过程的影响。7．发现制造过程影响熔融拉锥体光传输性能提高的物理本质是：现有生产装备与工艺所提供的流变外场不能提供符合熔锥均匀连续流变的三维能场状态，熔锥流变不均匀使分子结构参数变化差异，内应力的产生与残留影响光学性能的部分丧失。8．提出一种制造区光纤温度均匀化，内应力极小化的温度外场模型和结构实现，研制了一种新型电阻加热器和其温控系统，将熔融温度的稳定性由原来的5～30℃提高到小于1.5℃。9．基于新型的电阻加热器，研制了一种高品质的新型熔融拉锥机，成倍地提高了器件性能的一致性，其中光功率损耗的一致性提高5倍、分光比的一致性提高4倍、拉锥长度的一致性提高20倍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 光器件的分类
• 1.3 光器件的制作方法
• 1.4 光纤耦合器的研究现状
• 1.5 主要研究内容
• 第二章 光纤耦合器熔融拉锥工艺实验研究
• 2.1 耦合机理及结构参数的影响
• 2.1.1 耦合机理
• 2.1.2 结构参数对性能的影响
• 2.2 光纤耦合器的制备与性能测试
• 2.3 工艺参数与器件性能的相关规律
• 2.4 工艺参数的测试
• 2.5 典型流变缺陷
• 2.6 小结
• 第三章 光纤耦合器微观结构测试与分析
• 3.1 测试方法──红外光谱
• 3.2 红外频率与微观结构的关系
• 3.3 微观结构测试与分析
• 3.3.1 测试结果
• 3.3.2 结果分析
• 3.4 小结
• 第四章 熔融拉锥过程的有限元分析与建模
• 4.1 等温条件下的本构方程
• 4.1.1 广义 Maxwell 粘弹模型
• 4.1.2 三维粘弹本构方程
• 4.1.3 积分型本构方程的增量形式
• 4.2 温度对松弛的影响及时温等效方程
• 4.2.1 时温等效原理
• 4.2.2 Tool-Narayanaswamy 转变方程
• 4.3 小结
• 第五章 广义麦克思韦模型建立的算法研究
• 5.1 预备知识
• 5.2 松弛模量的表达方式
• 5.3 拟合算法的提出
• 5.4 广义 Maxwell 模型参数的确定
• 5.5 结论
• 第六章 光纤耦合器熔融拉锥过程仿真
• 6.1 有限元数值法
• 6.2 几何模型的建立
• 6.3 光纤耦合器预加热分析
• 6.4 光纤耦合器拉锥过程分析
• 6.5 熔融拉锥过程仿真结果与分析
• 6.6 小结
• 第七章 一种新型电阻加热系统的设计、制造与分析
• 7.1 加热方式与加热材料
• 7.2 电阻加热器的结构设计
• 7.3 电阻加热器的温度场分析
• 7.4 电阻加热器的供电系统
• 7.5 电阻加热系统的实验研究
• 7.6 小结
• 第八章 一种基于新型加热系统的熔融拉锥机的研制
• 8.1 熔锥机总体设计
• 8.2 加热器工装的校核
• 8.3 熔锥机性能实验
• 8.4 小结
• 第九章 全文总结
• 9.1 结论
• 9.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果