超精密加工技术在光纤对接中的应用

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1、超精密加工技术在光纤对接中的应用 李圣怡 吴宇列裁一帆 国防科技大学机电工程研究所 摘要本文介绍光纤对接包括光纤与光纤的对接和光纤与有源器件的对接的基本原理及特点 , 根据其特点 , 介绍了 超精密定位与检侧技术在光纤对接中的应用对光纤对接平台的国内外研究和发展情况进行了介绍 。 关工词光纤对接超精密 对接平台 概述 在机械制造领域 , 一般认为超精密加工是指加工精度介于亚微米至纳米的加工当代超梢密加工 技术的研究从世纪年代开始 , 美国学者首先用金刚石车削铝和无氧铜 。 超精密加工技术由于 技术难度大 , 加工成本高 , 在研究初期主要用在高技术领域和军事领域如惯导陀螺 , 精密雷达 , 导

2、弹 火控系统 , 航空 、 航天等领域 。 目前 , 随着技术的发展 , 超精密加工技术己经在各方面都有广泛的应 用 , 如精密机床 , 家用电器 , 汽车制造 , 计算机外设等 。 现代光通讯技术起源于世纪年代 , 以 英籍华人高馄的一篇重要论文以及美国康宁公司成功制造出低损耗的光纤为标志问伴随激光器的诞 生以及计算机技术的发展 , 光纤通讯进入了迅速发展的时期 。 在微电子领域的著名摩尔定律是芯片的 集成度每个月翻一番 , 而在光纤通讯领域 , 光纤的容与光电器件的性能以每个月翻一番的惊人 速度发展冈阔间 。 在一个光通讯系统中 , 光纤对接是一项基础而关键的技术 , 它对整个光通讯系统的

3、性 能有着重要的影响 。 光纤的对接包括光纤与光纤的对接以及光纤与光源的对接 。 由于光纤本身的尺寸 很小 , 多模光纤的纤芯为 脚 , 比人的头发丝还细 , 单模光纤的纤芯只有不到 脚 , 为保证光信号高 质的连接和传物 , 对接的精度要达到亚微米级甚至更高因此在光纤对接中将广泛涉及到箱密或超 精密的定位 、 加工以及侧问题 。 现代光通讯的发展为超精密加工技术找到了全新的应用领域 , 同时 超精密加工技术多年的研究成果也为高性能的光通讯提供强有力的技术保证 。 本文将对光纤对接的基 本原理进行分析 , 阐述精密以及超精密加工技术在光纤对接中应用 。 光纤对接原理 光纤的对接是光通讯中应用最

4、广泛的一种技术 , 按其所对接的对象可分为光纤与光纤的对接以及 光源与光纤的对接 。 光纤与光纤的对接 光纤与光纤对接的原理图如图所示 。 其基本原理就是在个方向上移动欲对接的两根光纤 , 使 从一根光纤藕合到另一根光纤的光功率最大 , 也就是对接损耗最小 。 国家自然科学基金重点项目 一一 对接损耗主要有 内部损耗和外部损耗内部损耗是由光纤本身参数的不匹配引起的 , 这种损耗在 对接中是无法消除的 。 外部损耗则是由于接合不理想引起的 , 这种损耗可以靠提高对接精度来减小 , 这也是光纤对接要研究的主要问题 。 引起外部损耗的非理想接合主要有以下三种方式端面间隙 、 错位 、 角度倾斜 。

5、其示意图如下 刁开立干 端面间隙误差对接错位误差角度倾斜误差 图光纤对接误差 这三种对接误差都会引起一定的对接损耗 , 各种误差越大 , 损耗也越大 。 以一种单模光纤为例分 析其三种误差与损耗的关系如下图门 。 理暇中 向 、备 和口舟离奋 呜 幸 宜吸 图损耗与对接误差的关系 在上图中 , 设纤芯直径为微米 , 当错位为微米时 , 损耗大约为 , 要实现以下的 损耗 , 则错位必须控制大约在微米以下 。 同样 , 要实现以下的损耗 , 端面分离误差也必须控 制在大约微米以内 。 由右边角度倾斜与损耗的关系图可知 , 要实现以下的损耗 , 角度倾斜必 须控制在大约度以内 。 由于 以上三种误

6、差是同时存在的 , 为保证总的损耗比较小 , 则对各项误差的 要求更为严格 。 因此 , 光纤的对接问题实际上是一个精密或超精密的定位问题 。 光纤与光源的对接 光纤通讯中主要的光源是激光二极管或发光二极管伊功 , 光源与光纤的对接主要是指如何把 激光二极管芯片的输出最大程度的藕合到输出光纤中 。 其示意图如图所示 。 图光纤与激光二极管的对接 在实际光纤通信应用中 , 爪 与光纤的对接以及半导体激光器或的模块化即制 作有尾纤的模块显得非常重要 。 由于激光二极管芯片与光纤都是微米数量级的器件 , 因此怎 样才能把光源发出的光功率最大限度地输送进光纤中去是一个比较复杂的问题 。 光源与光纤的对

7、 接的问题实际上就是带尾纤的激光二极管模块的封装问题 。 一一 光纤对接技术 光纤对接主要有活动对接和永久对接两种方式 。 光纤活动对接 光纤的活动对接是采用活动连接器实现的 。 光纤的活动连接器广泛用于光纤传输线路 、 光纤配线 架和光纤测试仪表中 , 是目前使用数量最多的光无源器件 。 活动连接器的外形与普通电缆连接器有点 类似 , 但是其 内部结构要更为复杂 , 为保证对接的要求 , 其机械加工精度要高的多 。 由于光纤连接器 的光学功能的实现完全由其制造过程决定 , 所以对光纤连接器的制造提出了更高的要求 , 如要确保光 纤纤芯准确对接 , 要求亚微米级中心线偏差 、 近零端面间隙等

8、。 以平面对接任型光纤活动连接器为 例 , 其结构原理图如下 这种光纤活动连接器的关键部件是使两根光纤实现对接 的插针 , 一般用陶瓷制成称为陶瓷插芯 , 它具有极高的 尺寸精度要求以及端面几何形状要求 , 需要采用高精度 的研磨加工 。 图光纤活动连接器 光纤永久对接 光纤的永久对接是指采用熔接 、 焊接或粘接等方法使被连接对象长久牢固的连接在一起的方法 。 光纤的永久对接由于没有高精度的连接器来定位 , 因此需要光纤对接平台进行精确定位以保证对接的 准确性 。 光纤对接平台基本结构 光纤对接平台是一个保证光纤之间以及光纤与光源高效率低损耗连接的基础平台 , 它一般由高精 密的驱动定位系统

9、, 检测系统以及控制系统等构成 。 其基本结构如下图所示 。 其中 , 检测系统是用来检测对接效果的 , 它反馈给控制计算机以控制运动平台的动作 。 检测系统 中对接效果主要有两种检测方法 , 一种是光功率检测方法 , 另一种是图象检测方法 。 在光纤与光纤的 对接中一般采用图象检测法 , 或称为纤芯直视式法 , 它是采用摄像机观察光纤纵剖面 , 用电脑控制直 接进行纤芯对准 。 在光纤与光源的对接中主要采用光功率检测法 , 即检测系统为光功率计 , 测量从激 光二极管祸合到光纤中的光功率 运动平台 运动平台是带动光纤做多维相对运动的平台 , 它是多 维高精度的直线和旋转平台 。 超精密的运动

10、平台是保证光 纤对接效果的关键部分 。 为保证对接效果 , 运动平台应具 有如下性能高的运动分辨率 , 至少有微米的直线位 移分辨率和度的角度分辨率机械爬行小回程误差 小非线性误差小 。 由上可见 , 高性能的亚微米定位平台是光纤对接运动 平台的关键部分 。 亚微米定位平台 检检检检检侧系统统 控控控控控控控控控控 制制制制制制制 计计计计光纤纤纤纤纤纤纤纤纤 算算算算算算 光纤或光派派 机机机机机机机 运运动平台台台运动平台台 图光纤对接平台的基本结构 在超精密加工中 , 亚微米定位平台是一个重要的基础部件 。 一般实现亚微米定位主要有以下一些 方法 传统的机械传动平台 这种平台一般由电机加

11、丝杠加导轨构成 。 高精度的平台可 以由伺服电机加高精度的滚珠丝杠 、 气 浮或液浮导轨构成 , 同时为保证精度还采用高分辨率的位移测量仪器 , 如光栅传感器 、 电感传感器或 电容传感器来构成闭环系统 。这类定位平 台可以做到微米或更高的精度 。 由于采用 了高精度的部件 , 这种平台的成本较高 , 并且体积较大 。 低精度的可以由步进电机加精密滑动丝杠加滚动导轨构成 , 这 一一 种平台可以在一定程度上满足光纤对接的要求 。 弹性铰链平台 一般配 滋链存在摩擦力和间隙 , 不能满足高精度的要求 。 弹性铰链利用材料的弹性可 以在小范围 内实现铰链的功能 , 消除了摩擦力和间隙 , 可以实现

12、微小位移内的高精度定位 。 一个典型的弹性铰链 机构如图所示 。 弹性铰链平台根据其采用驱动器的不同可以有以下一些类型 压 电陶瓷驱动型它利用某些晶体的逆压 电效应来工作的 。 磁致伸缩驱动型它利用铁磁材料在磁场的作用下产生微伸长运动来实现微位移的 。 电机驱动型 , 它是利用电机驱动一个弹簧产生弹力来间接驱动弹性铰链平台 。 电磁铁驱动的微位移机构这种机构利用 电磁原理 , 通过控制线圈中的电流大小来控制 电磁力的大小 , 使具有弹性支承的工作台产生精密微位移 。 在这些类型中 , 压电陶瓷驱动型 , 由于结构紧凑 , 体积很小 , 无机械摩擦 , 无间隙 , 具有很 高的位移分辨率 。 同

13、时响应速度快 , 发热小 , 环境适应性强 , 应用最为广泛 , 国内外有不少的专 业公司都有相应的产品 。 如图是一些压 电陶瓷驱动弹性铰链平台产品 。 图压电陶瓷驱动平台 徽步进平台 微步进平台或称纳米 电机驱动平台 , 它是一种新型的高分辨率 、 大行程运动平台 。 纳米电机是利 用压电陶瓷实现纳米步进的微动机构 , 这种机构每次只能运动纳米级的距离 , 但是利用它驱动直线或 转动导轨就可以实现无限的行程 , 如下图所示 。 这种平台由于价格高 , 目前应用比较少 。 图直线纳米电机平台 扭轮摩擦平台 这也是一种大行程 , 高分辨率的运动平台 。 它是利用相交成很小角度的两轴来构成一个导

14、程很小 的 “ 丝杠 ”, 并且这种丝杠没有爬行和反向间隙 , 从而可 以实现很高分辨率的运动 , 理论分辨率可以达 到纳米 。 这种机构目前还处于研究阶段 , 实用的产品还不多见 。 向 典型光纤对接平台 为实现光纤的对接 , 一个对接平台必须有到自由度的超精密定位能力 。 上述的定位平台是光 纤对接平台的基础部件 , 光纤对接平台就是 由这些基础平台构成的多维运动平台 。 光纤对接平台的种 类很多 , 如手动平台 、 电动平台熔接平台 、 焊接平台串联平台 、 并联平台自由度平台 、 自由 度平台 、 自由度平台等 , 以下将对一些典型的光纤对接平台进行介绍 。 一一 手动平台 手动平台是

15、相对电动平台而言的 , 它只是用在的对光纤进行一些简易操作中 , 如显徽观侧 , 距离 调节等方面 。 手动平台一般用螺杆加导轨构成 , 精度为微米左右 , 成本低 , 国内外都有成熟的产品 光纤熔接平台 光纤熔接平台是实现光纤与光纤对接的重要平台 。 光纤的熔接是指通过放电的方法使两根光纤受 热熔合在一起 , 这是一种目前普遍采用的光纤与光纤的对接方法 , 其基本结构如图 。 由于采用形槽的定位 , 光纤熔接平台一般只需要个 自由度的超精密运动 。 每个 自由度上主要采用步进电机加导 轨 、 电机加弹性铰链或者压 电陶瓷加弹性铰链等方式构成体积 小精度高的微位移平台 。 光纤熔接平台加上检测

16、以及控制系统 就构成一个光纤熔接机 , 目前生产光纤熔接机的厂家较多 , 但 主要是国外的公司 , 如藤仓 , 住友 , 爱立信 , 阿克斯等公司 , 国内主要有南京吉隆以及电子部所等单位生产 , 如图是 一些熔接机产 品 。 图光纤熔接平台原理图 光纤焊接平台 光纤焊接平台是实现光纤与激光二极管对接的重要平台 。 其基本原理是采用多束激光从不同角度 对已经对准的光纤与激光二极管组件进行焊接 , 如图所示 。 图光纤熔接机 为实现光纤与激光二极管的对接一般需要个自由度的超精密定位 , 其每一自由度运动平台一般 也都是采用上述的亚微米定位平台 。 一个完整的光纤激光焊接系统还包括高功率激光器 , 光功率计 、 图象检测以及计算控制系统 , 其成本比光纤熔接机要昂贵的多目前该系统主要是国外的产品 , 如美国的 , 山争公司以及日本的骏河精机等 。 如图 向为 州阳 , 印 公司的产品 。 伪 图激光焊接机 并联对接平台 传统的光纤对接平台一般都是采用各种徽定位平台串联而成的 , 这样组成的多 自由度运动平台体 积大 , 累计误差大 , 刚度也相应差 。 并联机构由于其刚度大 , 精度高