（机械设计及理论专业论文）新型电加热熔融拉锥机研制.pdf

摘要熔锥型光纤器件是全光器件中最具代表性，也是构成其它器件的一种基础器件，在光纤传感和光纤通信中得到了广泛使用。目前熔融拉锥设备通常采用气体火焰加热，这种加热方式温度场易受外界干扰，温度波动范围大，精确控制难，导致产品性能一致性差和成品率低。虽然旧电阻型加热器可以克服火焰加热方式的缺点，提高熔锥型光纤器件的光学性能，但是由于其自身结构等因素存在一系列问题，在应用推广上受到影响。本章将对旧加热器的优缺点进行综合分析，作出改进，提出一种新型电加热器，并将其嵌入熔融拉锥机，整合优化，促进电加热方式的推广和应用。主要研究内容如下：简述传统熔融拉锥机各部分的结构与功能，论述气体火焰加热方和i 日) j t j 热器的优缺点，从材料和结构上做出改进。在结构上，设计出一种新型电加热器，并将其嵌入熔融拉锥机，进行整合优化。基于传热学理论建立电加热器的热分析模型，利用数值计算软件，分析了新型电加热器的温度场分布，热应力分布情况。针对电加热器存在高温氧化、装配、接线、隔热等问题提出一套新的工装及工艺流程，并在此基础上对工装温度场分布进行了分析与改进。在嵌入新型电加热器的熔锥机上进行实验研究。分析拉锥工艺与熔锥型光纤器件损耗的相关规律，确定温度、拉锥速度、预拉伸长度、光纤预加热时间等工艺参数的最优值。最后对制备的光纤耦合器性能离散性进行分析。结果表明，新型电加热器的器件性能一致性优良与旧电加热器相当，均优于火焰加热方式。关键词：熔锥型光纤器件，熔融拉锥机，新型电加热器，光纤耦合器本课题得到国家自然科学基金重点项目l ：光纤器件的亚微米制造理论与关键技术的资助d e v e l o p m e n to nan e wt y p eo fe l e c t r i c a lf b tm a c h i n ea b s t r a c tf u s e d - t a p e ro p t i c a lf i b e rd e v i c e sa r et h em o s tt y p i c a la n db a s i co p t i c a lp a s s i v ed e v i c e s ，w h i c ha r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do ff i b e rc o m m u n i c a t i o na n df i b e rs e n s o r f o rm o s tf b t ( f u s e db i c o n i c a lt a p e r )m a c h i n e s ，t h ef u s e dt e m p e r a t u r eo ff i b e ri so b t a i n e db yb u r n i n gp u r eg a s ，w h i c hi se a s i l yd r i f t e da n dd i s t u r b e da n dh a r dt oc o n t r 0 1 t h e r e f o r et h es t r e s si n t e r p o l a t i o no ff i b e ri sr i s i n ga n dt h ec o n f o r m i t yo ft h ep e r f o r m a n c e so ff i b e rd e v i c e si sb a d a l t h o u g ht h eo l de l e c t r i c a lh e a t e rc a no v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ft h eg a s b u m i n gm e t h o d ，t h ep o p u l a r i z a t i o no fi t sa p p l i c a t i o ni sl i m i t e d ，d u et oi t ss e r i e so fq u e s t i o n s ，s u c ha ss t r u c t u r e i nt h i sp a p e r ，t h ep r o sa n dc o n so ft h eo l de l e c t r i c a lh e a t e rw i l lb es y n t h e t i c a l l ya n a l y z e d ，b a s e do nw h i c han e wk i n do fe l e c t r i c a lh e a t e rw i l lb ep u tf o r w a r da si m p r o v e m e n t a n dt h en e we l e c t r i c a lh e a t e rw i l lb ee m b e d d e di nt h ef b tm a c h i n eb yc o n f o r m i t ya n do p t i m i z a t i o nt h a tc a np r o m o t et h ea p p l i c a t i o no ft h ee l e c t r i c a l b u r n i n gm e t h o d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti ss h o w na sb e l o w i nt h ep a p e r , i ti si n t r o d u c e dt h es t r u c t u r e sa n df u n c t i o n so fc o n v e n t i o n a lf b tm a c h i n e sw i l lb ei n t r o d u c e db r i e f l y a sw e l la st h ep r o sa n dc o n so ft h eg a s b u f i n gm e t h o da n dt h eo l de l e c t r i c a lh e a t e r b a s e do nt h i s t h em a t e r i a la n ds t r u c t u r eo ft h ee l e c t r i c a lh e a t e rw i l lb ei m p r o v e d e s p e c i a l l yo ns t r u c t u r e ，an e wk i n do fe l e c t r i c a lh e a t e rw i l lb ed e s i g n e da n de m b e d d e di nt h ef b tm a c h i n eb yc o n f o r m i t ya n do p t i m i z a t i o n b a s e d0 1 1h e a tt r a n s f e rt h e o r y t h eh e a ta n a l y s i sm o d e lo fe l e c t r i c a lh e a t e rw i l lb eb u i l t w i t ht h eh e l po ff e as o f t w a r e t h et e m p e r a t u r ea n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h en e we l e c t r i c a lh e a t e ra r ea n a l y z e d a i m i n ga tt h ee l e c t r i c a lh e a t e r se x i s t i n gq u e s t i o n ss u c ha sh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o n ，a s s e m b l e ，l i n ec o n n e c t i o n ，h e a ti n s u l a t i o na n ds oo n ，an e wh e a t e rf i x t u r ea n dt e c h n i c sf l o wa r eb r o u g h tf o r w a r d t h e nb a s e do nt h ea b o v e ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fh e a t e rf i x t u r ew i l lb ea n a l y z e da n di m p r o v e d ue x p e r i m e n t sa r ec a r r i e dt h r o u g ho nt h ef b tm a c h i n ew h i c hh a sb e e ne m b e d d e dt h ee l e c t r i c a lh e a t e r t oa n a l y z et h er e l a t e dl a w sb e t w e e nt h ed r a w i n gt e c h n i c sa n do p t i c a lp e r f o r m a n c es u c ha si n s e t i o nl o s s ，e x c e s sl o s s ，d i e c t i v i t y , u n i f o r m i t ya n ds oo n , t h et e c h n i c a lp a r a m e t e r ss u c ha sf u s e dt e m p e r a t u r e ，d r a w i n gv e l o c i t y , p r e - d r a w i n gl e n g t ha n dp r e - h e a t i n gt i m ea r ec o n f i r m e d l a s t l y , ag r e a td e a lo ff i b e rc o u p l e r sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h ea s p e c to fp e r f o r m a n c ed i s t r i b u t i o n ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c ec o n f o r m i t yo fd e v i c e sm a n u f a c t u r e db yn e wf b tm a c h i n ea r et h es a m ea st h eo l do n e ，b o t hb e t t e rt h a nt h a to ft h eg a s b u r n i n gm e t h o d k e yw o r d s ：f u s e d - t a p e rf i b e rd e v i c e ，f b tm a c h i n e ，n e we l e c t r i c a lh e a t e r , f i b e rc o u p l e ri l l原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。中南大学硕士论文第章绪论1 1 课题来源及意义1 1 1课题来源第一章绪论课题“熔锥型光纤耦合器制造的关键技术研究”，来源于国家自然科学基金重点项目“光纤器件的亚微米制造理论与关键技术一( 资助号：5 0 2 3 5 0 4 0 ) 。本课题的目标是针对熔锥型光纤耦合器制造理论与关键技术，研究其制造工艺，探索光波传输界面与制造界面的融合机制，获得光纤器件功能机械精度制造工艺制造能量与运动状态的相关规律，提出光纤器件性能升级的典型制造技术与设备的解决方案。1 1 2 课题研究背景与意义自二十世纪八十年代以来，光通信技术以其频带宽、信息容量大、传输损耗低、抗电磁干扰等显著优点带来了通信业革命性的大发展。2 0 0 2 年世界光电子产业的市场总额超过2 5 0 0 亿美元，预计2 0 1 0 年为5 0 0 0 亿美元，平均年增长率9 ，2 0 1 5 年为9 0 0 0 亿美元，年增长率可达1 1 ，呈现逐步上升的趋势【1 1 。光纤器件作为光技术的载体，其发展尤为迅速，据有关资料，仅光纤耦合器的全球市场在1 9 9 9 - 2 0 0 8 年间将从3 9 4 亿美元增长到1 7 5 亿美元，年均增长率达6 4 【2 1 。目前我国光纤器件仍基本依赖进口或进口散件国内组装，国内的器件生产设备与技术全部依靠进口。国内光纤耦合器的生产设备与技术基本全部依靠进口，最具代表性的武汉邮电研究所和上海凯通电讯设备厂，均采用日本n ，丌公司制造的熔融拉锥设备，信息产业部2 3 所采用美国阿斯特公司的熔融拉锥设备p j 。我国要发展光通信产业，必须对光纤器件制造原理和关键制造技术进行研究，提高光纤器件高精度制造的能力。光纤器件的制造是光学原理融合于制造科学的高精度、高难度的特殊制造技术，器件的功能由光学设计和制造精度确定。目前光纤器件的种类、结构形式十分丰富，各种不同功能的器件不断推陈出新，但有关器件制造过程的诸多机理性、规律性科学问题尚未得到充分认识，尚未形成连续、自动化的集成制造工艺流程，相应的装备水平也不能反映复杂的工艺原理，器件的损耗偏大、性能一致性欠佳、生产效率和成品率低、生产成本较高。对器件光学性能与制造过程参数的相关机制以及制造工艺与装备的运动、能量输运规律进行深层次研究是当前光纤器件制造从技艺走向科学的必须。中南大学硕士论文第一章绪论而光纤耦合器是光纤通信中最关键的器件之一，其用量在光无源器件中居第二位。它的功能是使传输中的光信号从一个端口输入，然后在特殊结构的耦合区发生耦合，进行功率再分配，最后从另外的一个或几个端口输出。目前，9 5 以上的光纤耦合器采用熔融拉锥法制作。从国内外研究的现状来看，对耦合器的光学原理分析与设计较多，而从制造科学角度，对制造过程的机理与规律研究不足，尤其对熔融拉锥工艺参数与器件光学性能的相关机制认识不够，基本上处于一种基于经验的技艺阶段，生产耦合器也基本处于手工操作阶段，自动化程度低。图1 1 光纤耦合器光纤耦合器的制造方法有二种：研磨法【6 ，7 】和熔融拉锥法 8 1 0 】。前者属于冷加工法，即用传统的光学冷加工工艺，沿保偏光纤偏振主轴将光纤磨去一部分，然后将磨去一部分的光纤用胶粘合在一起，这种方法工艺复杂、难度大、要求高、且制成的耦合器体积大、温度稳定性差、实用价值不大，目前己很少采用；后者属于热加工法，自1 9 8 5 年起，研究人员利用单模光纤间的消逝场相互耦合的机理，利用熔融拉锥工艺，使一根光纤内的一部分光耦合到另一根光纤中，实现特定分光比，从而制成光纤耦合器；熔融拉锥技术制成的光纤耦合器性能稳定、附加损耗低，从而被广泛采用l 。目前光纤耦合器的制造大都是通过熔融拉锥法手工完成的，即将两根光纤中部长约2 0 。3 0 m m 部分的涂覆层剥去，擦拭干净，再置于专用微火炬上进行熔融拉锥，使两根光纤融合在一起，形成一双锥体，实现光的横向耦合，最后手工封装，形成耦合器。图1 2 是熔融拉锥制造参数与光纤器件性能间的关系。国内研究光纤耦合器的单位不是很多，北京玻璃研究所、电子工业部2 3 所、国防科技大学、深圳朗光科技等单位都开展了光纤耦合器的研究工作，器件制作基本上是手工操作，部分实现了半自动化，产量低，成品率也低。在技术水平与产业程度上与国际先进水平相比存在一定的差距，不能形成规模化，主要是缺乏自主知识产权的先进技术和创新成果，缺乏对光纤器件关键制造技术和装备的基础与系统研究，自动化程度低，从而成为制约我国光纤器件制造水平和能力的颈瓶。中南大学硕士论文第一章绪论1 2 熔融拉锥技术自1 9 8 5 年起，许多专家利用熔融拉锥法对两根单模光纤进行处理，使一根光纤内的一部分光耦合到另一根光纤中来实现特定分光比，成为光纤熔锥耦合器。熔锥型光纤耦合器是先将两根光纤稍微扭绞一下，然后加热，最后拉细成型。在实际的操作过程中，要对耦合比进行监控，并通过控制拉丝过程来进行调节。由于熔合区的纤芯的面积已经小到了无法维持各自导模的程度，因而熔融区( 耦合腰) 就成为一个新的合成波导，信号也就被耦合成这一波导的两个基模( 也称最低次模) 对称模和不对称模，这两个模( 与纤芯模式不同)之间的涨落导致了能量的转移，由于耦合腰周围外部介质的折射率会影响相互作用模的相对相速度，因而也会影响耦合比。此外，熔锥型耦合器的光学特性对熔合区的横截面的形状是高度敏感的，特别是当采用哑铃形的熔合区横截面时，就可以显著减小对折射率的依赖，而对于相同面积的矩形或椭圆截面则正好相反。在加工过程中，通过调整光纤的熔合程度就可以控制截面的形状，从而也就控制了器件的温度灵敏度。熔融拉锥工艺经过了二十多年的不断提高和发展，已经成为一门对光器件的开发具有举足轻重的技术熔融型全光纤器件技术。从理论上讲，除了光非互易器件以外，它可以开发其它所有同类器件。到目前为止，它可以生产各类混合器分路器、衰减器、宽带窄带甚至密集波分复用器和全光纤i n t e r l e a v e r ，另外还有基于熔融光纤技术的光调衰减器、光开关、光纤光栅、o a d m 、全光纤滤波器和频移器等。同时，器件的高集成度、高可靠性、小的体积和工艺的稳定性等方面仍是下一步研究的目标比1 。由此可见熔融拉锥法在光纤器件制造领域已成为了一种非常重要的方法，熔融拉锥工艺的先进与否对于光纤器件产品的质量，可靠性和工艺稳定性等方面至关重要。1 3 熔融拉锥技术的国内外现状以及发展趋势1 3 1 熔融拉锥技术的国内外现状随着科技的发展和工艺的逐渐成熟，熔融拉锥技术的具体的拉制过程已经基本实现了工位自动化或半自动化，但耦合器制作的各个辅助动作仍然是人工完成，如剥线、切断、插孔、清洁、光纤的绞合与放置等。熔融拉锥型耦合器的产能与生产率的提高仍然在很大程度上受制于这些手工操作n 训。这种对于操作者技术熟练程度的依赖，使得许多熔融拉锥型耦合器的生产厂家利用国内较3中南大学硕士论文第一章绪论低的劳动力成本进行了大规模生产并开始了价格战，因此很多原先在美国硅谷及台湾地区的公司为降低生产成本、适应竞争形势都纷纷开始在大陆地区设厂在这种形势下，熔融拉锥制造技术开始在国内得到广泛使用，这种应用大大推动了我国对熔融拉锥制造技术及其设备的研究。熔融拉锥系统的制造商已经不只存在于美国硅谷以及日韩和台湾等发达国家和地区了，我国的部分高校和科研机构如上海交大、信息产业部第2 3 所以及一些上海的生产厂家对熔融拉锥系统都作了深入研究并自主开发了熔融拉锥系统。我国研制的熔融拉锥系统已经完全可以实现熔融拉锥生产的熔融拉锥过程以及之后的封装，并且在对熔融拉锥工艺、熔融温度、封装工艺和材料等方面逐渐深入的研究和了解之后，这些自主研发的熔融拉锥系统开始越来越多地投入生产。产品基本的光学性能已经与国际先进水平相当，同时大大缩小了国产设备在工艺过程控制和产品质量的稳定性方面与进口设备的差距，因此国产设备的市场份额有了明显的提高但是，我国现阶段的熔融拉锥系统仍然呈现出一种简单、自动化程度低的现状。一方面，大量的手工工序直接影响着光功率的损耗；另一方面，自动控制程序的停机点往往只体现了分光比的要求，没有反映光功率损耗、隔离度等性能参数，很多耦合器因为光功率损耗等因素没有达到要求而不得不报废。1 3 2 熔融拉锥技术的发展趋势熔锥型光纤器件的生产不仅是一个劳动力密集型的产业，同时也是一个知识密集型产业。随着光纤耦合器在军事、航天等高新技术领域的大量应用，对于耦合器在插入损耗的平坦度、偏振灵敏度、工作带宽和工作功率等方面提出的要求越来越高；同时，保偏光纤耦合器、宽带光纤耦合器等特种耦合器的需求也越来越大，这些耦合器的制造工艺相对繁琐、形成机理比较复杂，它们的制作过程关系着一系列生产工艺和控制方面的问题。为了满足这些应用的要求以及不断发展的需要，近年来科技工作者和专家们对工艺过程的分析越来越深入通过理论分析和各种实验，他们认识到，提高耦合器光学性能的关键工艺参数主要有拉伸速度、拉伸长度、熔融温度、熔融区域等。要完成对这些工艺参数的精确控制，熔融拉锥系统的机械结构和控制方式又有一种向复杂化、精确化方向发展的趋势。其次，熔融拉锥系统中的自动化程度也越来越高。为了更好的完成封装动作，有些熔融拉锥系统在封装运动平台的旁边配有显微镜来辅助进行。我国自主研制的熔融拉锥系统也有一种向自动化程度越来越高的方向发展4中南大学硕士论文第一章绪论的趋势。我国的生产厂家和科研机构正在努力完善熔融拉锥系统的机械结构和控制系统，以便进一步提高运动的精确度和准确度以满足当前科研实验的要求以及将来发展的需要。1 4 熔锥型光纤器件分类熔锥型光纤器件是光器件中最具代表性也是构成其它器件的一种基础器件，在光纤通信中得到了广泛应用，其相应的制造工艺已经成为一门对光器件开发具有举足轻重的技术熔融拉锥技术。熔融拉锥技术几乎可以开发所有其它各类光无源器件，如光纤耦合器、光波分复用器、光纤反射器、光纤偏振分束器、光衰减器等，其中以光纤耦合器应用最广，以下分别讨论几种光纤器件。l 、光纤耦合器光纤耦合器是光纤网络中的关键无源器件，其作用是实现光信号的分路合路，一般是对同一波长的光功率进行分路与合路，因此相应的又称分路器与合路器。现常用熔融拉锥法制作，其制作过程是将两根单模( 或多模) 除去涂覆层的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耦合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( 如图1 - i 所示) 胁铂。非输入端输入端耦合臂直通臂目前，光纤耦合器已形成为一个多功能、多用途的产品系列。从功能上看，它可分为光功率分配器( s p l i t t e r ) ，如图1 - 2 ( a ) 和图1 - 2 ( b ) ，以及光波长分配( 合分波) 耦合器( w d mc o u p l e r ) ，如图1 - 2 ( d ) ；从端口形式上划分，它包括x 形( 2 2 ) 耦合器，如图1 - 2 ( b ) ，y 形( 1x2 ) 耦合器，如图1 - 2 ( a ) ，星形( n x n ，n 2 ) 耦合器，如图卜2 ( c ) ，以及树形( 1 n ，n 2 ) 耦合器等；从工作带宽的角度划分，它分为单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器和双工作窗口的宽带耦合器；另外由于传导光模式的不同，它又分为多模耦合器和单模耦合器口一】。中南大学硕士论文第一章绪论l2m 或n分路器( 3 靖口)合路器( 3 端口)( - ) 3 端口分路器和合路器3耦合器( 4 端口)4( b ) 4 端口耦合器n 星形耦合器( 多端口)c ) 多端口星形耦合器td ) 合泼器和分波器图1 - 2 不同类型的光纤耦合器近年来，随着光纤通信、光纤用户网、光纤传感技术等领域的迅猛发展，它的应用也越来越广泛，以往只应用在骨干网络中的光纤耦合器，如今已广泛的应用到小区通讯网络中。现已形成门类齐全、品种繁多的产品系列，成为用量上仅次于连接器的关键光无源器件。不仅如此，对于近在咫尺的光纤到家( f t t h ) 时代，其显著的程度更扮演着超高速全光网络缔造者的关键角色口卅。光纤通信系统未来的发展趋势是“宽带化一，所以对光通信器件的工作带宽提出了越来越高的要求，相应的器件技术也将实现向宽带技术的过渡，光纤耦合器也不例外。全波耦合器的带宽覆盖了光通信系统的o + e + s + c + l 波段，在即将全面展开的应用全波光纤的c w d m 城域网建设中会被广泛应用。2 、光波分复用器光波分复用器是指通过调谐波源的调制，将几路不同的信号用不同波长的光波在同一根光纤中传输，执行把不同波长光波合在一起，以及在终端分开任务的器件。利用熔锥型光纤器件对波长敏感的特性，常用来制作双波长的复用：如1 3 1 0 n m 1 5 5 0 的w d m 系统、掺铒光纤放大器( e d f a ) 应用的9 8 0 n m 1 5 5 0 n m6中南大学硕士论文第一章绪论( 如图1 3 所示) 和1 4 8 0 n m 1 5 5 0 n m w d m 系统、光学监控系统应用的1 5 1 0 n m 1 5 5 0 n m w d m ( 其中1 5 5 0 为信号光波长，1 5 1 0 为监控光波长) 。9 8 0 n m1 5 5 0 n m耦合区图1 3 双窗口w d m 光纤耦合器示意图3 、光纤反射器熔锥型光纤反射器由具有一个光纤环和两个输出端的定向耦合器所组成，如图1 - 4 所示其工作原理是：假定光由注入臂i 注入，由于单模光纤定向耦合器的耦合系数k = 0 5 ，为此注入光的一半就进入直通臂3 ，且按图示以顺时针方向传输；注入光的另一半耦合进入耦合臂4 ，且按图示以逆时针方向传输，它相对注入光有冗2 的相位延迟。这样在空臂2 中的光强是相位为巾顺时针传输光和相位为中一的逆时针传输光的和，由于上述两个传输光的相位差1 8 0 。( 即相位相反，且振幅相等，这样，顺时针光与逆时针光相干涉的结果使空臂2 中的光强为零。由于能量是守恒的，因此所有注入光就反射回注入臂i ，其工作原理图如下n o 】：图卜4 熔锥型光纤反射器4 、光纤保偏分束器利用光纤耦合器的偏振特性，已经制作出全光纤熔锥型偏振分束器。这种偏振分束器是由两根标准的单模光纤经熔融拉锥后制作而成的，它能对两正交的偏振光进行分束或合束，已应用于光纤传感器及相干通信系统中。熔锥型偏振分束器最初采用在耦合器拉锥过程中加大其拉伸长度制作而成，在这个过程中要经历很多功率转换周期后才能达到第一个偏振调制点。e i s n m a n n 和w e i d e 则通过测量耦合器拉伸过程中两输出端的偏振度( d o p ) ，并在耦合器达到最大的d o p 时停止熔拉操作来制作偏振分束器。最近，m o r i s h i t a和t a k a s h i n a 也对熔锥型耦合器的偏振特性及熔锥型偏振分束器在不同熔拉条件7中南大学硕士论文第一章绪论下进行了详细的实验研究。这些研究方法都要经历很多功率转换周期后才能制作完毕，功率转换的周期短，转换速度快，因此较难精确控制熔拉过程中在到达预定点时的停止m 1 。北方交通大学光波技术研究所提出了一种新型的制作方法，其最大优点就是制作简便，在拉伸过程中，能在很少的几个功率转换周期后就到达了第一个偏振调制点，且功率转换周期长，很容易控制熔拉过程在预定点停止。1 5 熔锥型光纤器件的制造设备光纤熔融拉锥系统是一项集成了计算机软硬件、精密机械、检测与控制工程、光学器件等相关技术的高科技产品，是制造熔锥型光纤器件的通用制造设备。其主要作用是使得两根平行放置并绞合在一起的光纤实现主拉伸动作且被熔融。目前市场上主要的熔融拉锥系统由机械运动平台、运动控制模块、光功率输出与检测模块、氢气流量控制及监测模块、封装装置等组成n 2 】。虽然随着科技的发展和工艺的逐渐成熟，熔融拉锥技术的具体的拉制过程已经基本实现了工位自动化或半自动化，但耦合器制作的各个辅助动作仍然是人工完成，如剥线、切断、插孔、清洁、光纤的绞合与放置等。熔融拉锥型耦合器的产能与生产率的提高仍然在很大程度上受制于手工操作。这种对于操作者技术熟练程度的依赖，使得许多熔融拉锥型耦合器的生产厂家利用国内较低的劳动力成本进行了大规模生产并开始了价格战，很多原先在美国硅谷及台湾地区的公司为降低生产成本、适应竞争形势都纷纷开始在大陆地区设厂n 阳。在这种形势下，熔融拉锥制造技术开始在国内得到广泛使用，这大大推动了我国对f b t 制造技术及其设备的研究。熔融拉锥系统的制造商已经不只存在于美国硅谷以及日韩和台湾等发达国家和地区了，我国的部分高校和科研机构如上海交大、信息产业部第2 3 所以及一些上海的生产厂家对熔融拉锥系统都作了深入研究并自主开发了熔融拉锥系统。我国的熔融拉锥系统已经完全可以实现熔融拉锥生产的熔融拉锥过程以及之后的封装，并且在对熔融拉锥工艺、熔融温度、封装工艺和材料等方面逐渐深入的研究和了解之后，这些自主研发的熔融拉锥系统开始越来越多地投入生产。产品基本的光学性能已经与国际先进水平相当，同时大大缩小了国产设备在工艺过程控制和产品质量的稳定性方面与进口设备的差距，因此国产设备的市场份额有了明显的提高。但是，我国现阶段的熔融拉锥控制系统仍然呈现出一种简单、自动化程度低的现状。一方面，大量的手工工序直接影响着光功率的损耗；另一方面，自动控制程序的停机点往往只体现了分光比的要求，没有反映光功率损耗、隔离度等性能参数，很多耦合器因为光功率损耗等因素没有达到要求而不得不报废。8中南大学硕士论文第一章绪论耦合器的生产率和产能依然在很大程度上取决于具体操作者。自动控制的应用的局限性和具体操作人员的能动性使得熔融拉锥系统有一种简便化的趋势。大多数的熔融拉锥系统都实现了对六轴的自动控制，即火焰的三维定位、封装的二维定位以及拉伸的一维动作。然而，随着对熔融拉锥工艺和耦合理论的深入研究，了解到熔融拉锥动作的关键往往在于火焰的定位与光纤的拉伸运动。于是，在一些趋于简便化的熔融拉锥系统中，自动控制减少到了三维，即仅仅自动控制拉伸动作和火焰的前后及上下运动；而有些熔融拉锥系统甚至略掉了火焰上下的自由度控制，仅仅自动控制二维自由度以完成拉锥和火焰前后这两个最重要的动作，其它方向的运动则采用手动定位光纤耦合器熔融拉锥机实物如图1 - 6 和图1 7 所示。图1 - 6 熔融拉锥机火焰头和拉伸夹具图l 一7 熔融拉锥机整体图上述方式增加了工人的劳动强度和调整时间，但对于熟练工人来说并不一定会降低耦合器的成品率，在某种场合下甚至有利于他们对熔融拉锥工艺进行更便捷的调整，同时大大节约了熔融拉锥系统的成本。对于制作相对简单的普通耦合器来说，这种形式的熔融拉锥系统完全可以满足基本要求，因此有其存在的合理性。随着普通耦合器在光纤通信技术、光纤用户网、光纤c a t v 、无源9中南大学硕士论文第一章绪论高耦合器光学性能的关键工艺参数主要有拉伸速度、拉伸长度、熔融温度、熔融区域等。要完成对这些工艺参数的精确控制，熔融拉锥系统的机械结构和控制方式又有一种向复杂化、精确化发展的趋势。加热装置中，由于普通的火焰加热都是预先调好气体流量，很难真正对温度加以控制。同时，火焰的漂移对于耦合区的双锥体结构有较大的不良影响，从而制约光纤耦合器的分光比、附加损耗、偏振相关损耗等重要技术指标。为了精确控制火焰的温度，提高耦合器的性能，日本的n t t 公司采用了专门的电加热器来取代传统的气体加热，这种电加热方式的通过电压能够更好的实现熔融温度的实时控制n 们。另外，熔融拉锥系统中的自动化程度也越来越高。为了更好的完成封装动作，在封装台的旁边配有显微镜来辅助进行；甚至有报道称美国的某光通信协会已经研制出自动清洁、自动打结的熔融拉锥系统，这都将大大提高熔锥型产品的成品率。我国的生产厂家和科研机构也正在向国外的这些自动化程度和可控制度越来越高的熔融拉锥系统的方向发展。机械结构的合理化、控制系统的进一步完善，都将进一步提高运动的精确度和准确度以满足当前科研实验的要求以及将来发展的需要。1 6 论文的内容安排本课题来源于国家自然科学基金重点项目“光纤器件的亚微米制造理论与关键技术一( 资助号：5 0 2 3 5 0 4 0 ) 。本文分析熔融拉锥系统的结构和功能特点，针对传统熔融拉锥机利用燃烧高纯气体方式获得熔融温度，具有温度易受环境干扰，漂移现象严重，制造的器件性能一致性较差等缺陷，基于已发明的电阻型微加热器设计制造了一种新型电加热器。本论文的内容安排如下：第一章绪论，介绍本课题的来源及研究背景，熔融拉锥技术的工作原理和发展现，并概述了几种常用熔锥型光纤器件的原理和应用，最后阐述了熔融拉锥制造设备的现状和发展趋势及论文的内容安排。第二章分析了火焰加热方式与电加热方式的优缺点。针对电加热方式，分析旧电加热器存在的问题，即热应力分布不合理。主要从材料和结构上做出改进。在结构上，设计出一种新型电加热器。第三章基于传热学理论建立了新型电加热器的基本传热方程，分析了电加热器存在的三种基本传热方式。利用数值计算软件，分析了新型电加热器的温1 0中南大学硕士论文第一章绪论度场分布，找出了新型电加热器的最佳熔融拉锥位置。结果表明，该位置满足了匹配光纤熔融拉锥的温度场要求。比较分析了新型电加热器与旧电加热器，火焰加热方式在温度场上的分布，表明该新型电加热器温度场分布与旧电加热器相当，均优于火焰加热方式。在耦合区部分，温度剃度变化较小，温度场分布合理。另外又分析新型电加热器的热应力场分布。结果表明该新型电加热器热应力较旧电加热器大大改善，克服了旧电加热器热应力分布相对集中的问题。第四章设计新的工装解决电加热器高温氧化问题、装配问题、接线问题、隔热问题等。利用数值计算软件，分析了电加热器工装初始结构和改进后结构的温度场分布，结果表明，改进后的工装可以有效阻隔热量的传导，工装铝基板温度降至4 0 以下，满足电移台的工作要求，可以整合至熔融拉锥机。第五章根据电阻加热体本身的特点，参考传统熔锥机的技术指标，对拉锥机结构改进，设计制造适用于电阻加热器的新型熔锥机。一一第六章将新型电加热器嵌入熔融拉锥机进行实验研究，确定制造低损耗、高一致性光纤耦合器的各项参数，分析温度、速度、预热时间等参数与光纤耦合器损耗的影响规律，并对试制的耦合器进行性能离散性分析总结。第七章为全文的结论和展望。中南大学硕士论文第二章新型电加热熔融拉锥机加热器的设计第二章新型电加热熔融拉锥机加热器的设计熔融拉锥机是制造熔锥型光纤器件的通用制造设备。传统熔融拉锥机利用高纯气体火焰加热方式获得光纤熔融温度，这种加热方式易受环境干扰，温度漂移严重，器件性能一致性较差。而旧电阻型加热器可以克服火焰加热方式的缺点，提高熔锥型光纤器件的光学性能，但是由于其自身结构等因素存在一系列问题，在应用推广上受到影响。本章将对i e t n 热器的优缺点进行综合分析，作出改进，提出一种新型电加热器。2 1 传统熔融拉锥机工作原理及缺陷光纤熔融拉锥机是一项集成了计算机软硬件、精密机械、检测与控制工程、光学器件等相关技术的高科技产品，是制造熔锥型光纤器件的通用制造设备。熔融拉锥机主要采用熔融拉锥技术( f u s e db i c o n i c a lt a p e r ) ，在高温下熔融拉锥两根平行绞合在一起的单模光纤，产生一段双向圆锥结构，实现器件的光功率耦合n 町目前市场上主要的熔融拉锥系统常用燃烧高纯气体获得高温温度场，由机械运动平台、运动控制模块、光功率输出与检测模块、气体流量控制及监测模块、封装装置等组成。其结构原理如图2 1 所示。图2 - 1 熔融拉锥系统结构示意图熔融拉锥机制造光纤耦合器分手动和自动两个过程。其中光纤的剥覆，打结，清洁，均用手工完成。在自动过程中，光功率探测器将探测到的光功率转换成电信号，经过数模转换电路转换成数字信号传送到计算机系统，计算机将这些数据处理后，计算出相应的分光比、插入损耗、附加损耗等参数，并实时显示出来，当输出端达到操作者预先设定的分光比时，计算机发出停机指令，主拉锥平台自动停止拉锥，并且退出热源，对耦合器进行测试，合格后封装n 引。其主要实现过程如图2 2 所示。1 2中南大学硕士论文第二章新型电加热熔融拉锥机加热器的设计图2 2 耦合器的制作流程图熔融拉锥机主要的制造商集中在美国硅谷地区、日本、韩国等发达国家，目前我国也有了熔融拉锥工作台的供应商，已经完全可以实现熔锥型光纤器件的制造与封装，并且在对熔融拉锥工艺、熔融温度、封装工艺和材料等方面逐渐深入的研究和了解之后，这些自主研发的熔融拉锥机开始越来越多地投入生产。产品基本的光学性能已经与国际先进水平相当，同时大大缩小了国产设备在工艺过程控制和产品质量的稳定性方面与进口设备的差距，因此国产设备的市场份额有了明显的提高。熔锥型光纤耦合器的制造是光学原理融合于机械科学的高精度、高难度的特殊制造技术。实验表明：要使光纤器件的损耗小，就必须有一个稳定的温度场与熔融拉锥工艺相匹配，要保证光纤器件的性能一致性，就必须保证温度场的稳定n 帕。而目前熔融拉锥系统普遍采用火焰加热的方式，不可避免的存在以下缺点：( 1 ) 火焰加热不稳定，易受环境的干扰，容易飘移，从而造成光纤器件的性能一致性差，它还受罐内气体压强的影响，需经常调节两种气体的百分比；( 2 ) 火焰的温度调节范围狭窄且难以控制，经常达不到预期的要求；( 3 ) 火焰加热会产生 0 h 一，它进入光纤会造成光纤器件的损耗加大，降低了可靠性；( 4 ) 高纯气体不安全，且价格昂贵。由于火焰加热本身存在的缺陷，必定影响产品的性能，因此必需设计一种新型的加热方式以克服火焰加热的不足，来满足生产的要求嘲。2 2 旧电阻加热器旧电阻加热器是针对上述火焰加热方式存在的诸多问题而提出的。这种加热器在光纤耦合器的制造过程中具有很大的优越性，即使在空气中也能获得光纤熔融所需的温度，而且操作安全简单，温度易控制。加热器的加热范围足够宽，可以将光纤拉锥而不需要移动它。在制造过程中，温度可以直接用热电偶进行1 3中南大学硕士论文第二章新型电加热熔融拉锥机加热器的设计监控，并可以根据耦合器熔融程度和锥体剖面进行精确调节。结构设计：在新型熔融拉锥电加热器的设计中，应满足如下要求：( 1 ) 熔融温度高达1 2 0 0 ( 2 以上，发热体要能耐1 5 0 0 ( 2 以上高温。这就要求电加热器发热体选用高温耐火材料，并且应优化其结构设计，尽量避免产生过大的局部热应力。( 2 ) 要求熔融温度场的均匀一致性( 火焰加热的温度场呈高斯分布，温度不均匀) 。( 3 ) 电加热器的设计必须满足空间体积小，结构紧凑，保温性能良好的要求。( 4 ) 要求小电压( 不大于3 v ) 的情况下，产生大电流( 6 0a 以上) ，进而产生局部高温。相应的，对电加热器发热端的发热截面积提出要求。如图2 3 所示，当电流导通时，在发热体发热端产生局部高温，中间凹槽空气的温度将达到1 2 0 0 以上。利用该温度区域，即可用于光纤器件的熔融拉锥。如图2 - 4 所示，发热端的截面s 大小非常关键，因为根据q = 1 2 r ，r 的大小取决于截面s 的大小，若截面s 太大，则r 交小，功率q 变小，不足以产生熔融所需的高温；若截面s 太小，则导致r 变大，功率q 变大，温度过高，导致局部热热应力过大，致使发热体加热过程中容易发生断裂。因此截面s 的大小应取适中。此外还要从力学( 强度和刚度) 和电学( 功率、电阻、电流和电压) 方面考虑发热体的结构设计。一3 发热体结构图图2 - 4 发热槽截面尺2 3 新型电加热器在实验加热过程中，上述加热器常常因为热应力过大，在棱角处断裂，不利于其实际应用和推广。原因主要有两点。其一，该加热器所采用的材料属于金属陶瓷，脆性比较大，塑性低，抗热冲击能力有限，在温度变化较大的情况下，产生温度热应力。当集中热应力达到一定程度，将导致加热器整体断裂。1 4讯m|划毗粒龃t中南大学硕士论文第二章新型电加热熔融拉锥机加热器的设计其二，该加热器在结构设计上只考虑匹配光纤熔融温度场均匀一致性的要求，忽略了结构热应力分布不合理等因素，导致实际加热过程中，热应力集中严重，容易产生断裂，可操作性低。因此，新型加热器的改进可以从以上两方面加以考虑。在实验加热过程中，上述加热器常常因为热应力集中，分布不合理，常常在棱角处断裂，不利于其实际应用和推广。针对上述缺点，进行结构改进，提出一种新型的电加热器，发热端采用平行环状圆弧过度结构，如下图2 5 所示。为确保加热器在发热端能够有效发热，前端直径取3 m ，截面大小以上述加热器相当，末端电极直径取6 m 。图2 - 5 电阻加热器结构图表2 - i 电阻加热器电参数计算公式电参数发热端( 高温端)电极( 低温端)电阻加热器电阻r ( q )即岛2 惫未署口r 2 = l ，) - 翮- 22r = 蜀+ r 2电流，( a )，一2 v 10 d 岛3 0 2 -ll电压以v )u = r lu 2 = r 2u = 阢+ u 2功率尸( w )p 1 2 r 1p 一1 2 r 2 p = 丑+ 最1l 一1 0 0 01一21 0 0 0式中：岛发热端电阻率，q m m 2 m ，办电极端电阻率，q m m 2 m ，如图2 - 6 所示，电阻率为温度的函数。彩表面负荷，w c m 2 。按公式彩= 4 ( 斋击) 4 一意击) 4 】计算，互为高温端的温度，砭为发热体附近空气的温度。口中心距，这里取值1 3 r a m 。中南大学硕士论文第二章新型电加热熔融拉锥机加热器的设计5赫 m m 7 ，m1 3奎o。，n，- ，o 箕坶6 0 q 副 1 2 0 01 5 口o1 & 9 0 屯图2 - 6m o s i 2 电阻率温度特性设r 热、r 锥、r 冷分别表示加热器发热端、锥区、电极冷端的电阻。由表可得：r 热= n 三等，欠锥= 岛三笔詈云三；主，足冷= 反三鲁量云三三要l | 曩热端的发热功率为= 1 瓜0 0 0( 2 一1 )锥区发热功率为= r r 乡不0 0 ( 2 - 2 )冷端发热功率为p 冷= r r 夕磊0 0( 2 3 )所以加热器热端有效发热效率为，7 热。1 夕+ 户镶+ 珞一r 执r 热+ r 锥+ r 冷= 半。2lm+057a。2la+057a2l热+057a( 2 4 )氐2+；+ 怕纠2d 热一d 镶d 冷一首先，从图2 - 6 可以看出加热器材料的电阻率虽温度的升高而增加，但是从上式可以看出加热器发热端的有效发热效率与电阻率无关，不随温度的变化而变化，完全取决于加热器的结构和尺寸。因此，只要加热器的结构设计合理，尺寸选取恰当，完全有可能避免不必要的热量损耗，进而提高热端温度，降低冷端温度( 延长电极连接导线的寿命) 。该新型加热器发热端尺寸选取如下：热端长度氐= 6 3