光纤微透镜制造方法的研究

    半导体激光器(LD)到单模光纤的耦合是光纤通信、光电子器件领域的一项关键技术。几乎所有的光纤系统都涉及到光纤端面耦合的问题,研究表明,光纤端面的形状对耦合效率有很大影响,按照模式耦合理论[1],LD到单模光纤的耦合,实质是两者之间的模场匹配。目前采用的耦合方法有单透镜耦合、复合透镜耦合和光纤微透镜耦合三大类,其中光纤微透镜耦合因其结构紧凑、操作方便、性能可靠、耦合效率较高,得到广泛应用。

    所谓光纤微透镜就是在光纤端面加工制成某种类似透镜的形状,使其在光纤系统中达到光路改变或模式转换作用^[2]。不同的耦合对象要求不同的光纤微透镜形状,光纤微透镜的形状一般有锥形、楔形、斜面、球面、斜球面等,如图1所示。光纤微透镜型式的多样性对其制造方法提出更高的要求。笔者介绍研磨抛光法的光纤微透镜制造,并设计出一种新型的研磨装置。借助Matlab语言对该机构的轨迹进行仿真。

    2　光纤微透镜的研磨抛光制造法

    光纤微透镜制造的主要方法有蚀刻法、熔融拉伸法和研磨抛光法,前两种存在一些问题,可加工的光纤微透镜类型很少,应用不多,故不多述,主要讨论广泛应用的研磨抛光法。

    在硬脆性材料的超精密加工中,广泛采用研磨、抛光为代表的磨料加工技术。在现代微电子、信息、光学等领域,为实现先进工程陶瓷材料,光学脆硬材料的固有功能,超精密研磨抛光作为最终加工方法,超精密研磨抛光加工涉及的材料范围很广,例如:硅、砷化钾等半导体材料,铌酸锉、氧化铝等光电子材料和压电水晶材料,石英光纤及光学玻璃等^[3]。

    超精密研磨抛光属于游离磨粒切削加工,目前比较认可的定义是:用注入磨料的研磨盘或其它工具去除微量的工件材料,达到高级几何精度(优于0. 1μm)和优良的表面粗糙度(优于Ra0. 01μm)的方法^[3]。

    研磨抛光法是一种相对比较完善成熟的微加工法,是比蚀刻法和熔融拉伸法更完善的加工方法。采用研磨抛光法可以制造不同型面的光纤微透镜,如锥形、楔形、斜面、球面、斜球面等,因此这制造方法相对前两种法而言是一种柔性制造方法。研磨抛光法制造的不同型面的光纤微透镜,辅以光纤熔接机放电方式融出尖端圆弧。不仅可以实现良好的物理接触,还可将后项反射光加以旁路,从而增大其回波损耗,减少微透镜对光源的影响。但是研磨抛光的工艺也比较难控制,对加工设备的精度要求也较高。

    研磨工艺是一个很精细的过程,单模裸光纤直径为0.125mm,要在其端面研磨加工成锥形、楔形或其它面型的难度很高,由于影响研抛精度的因素很多,例如研磨速度,接触压力,砂纸材料、粒度,时间控制等诸多因素影响,对不同的研磨方式有不同的加工工艺。所以对不同加工方式优化出好的加工参数至关重要^[4]。