（机械设计及理论专业论文）电加热熔融拉锥机的设计与研究.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。本文基于新发明的电阻加热器，设计制造了一种新型的熔融拉锥 机，旨在克服以上缺陷，提高耦合器性能的一致性。 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 式存在的问题，重点分析电阻加热器的结构和功能特点，并对熔融拉 锥机进行优化，设计与制造一台基于电加热的新型熔融拉锥机。 对所设计的熔融拉锥机主要部件电阻加热器工装进行热分 析。基于传热学理论建立工装的热分析模型，利用数值计算软件，求 得加热器工装初始结构的温度场。通过分析发现，初始工装的温度较 高，对其进行改进，对比改进前后工装结构的温度场，结果表明，改 进后的工装体积小，重量轻，满足电移台的工作要求。 对研制出的电加热式熔融拉锥机进行实验研究。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。结果表明，电加热式熔融 拉锥机成倍地提高了器件性能的一致性。 关键词：熔锥型光纤器件，熔融拉锥机，电加热器，光纤耦合器 本课题得剑国家自然科学基金重点项目光纤器佴：的弧微米制造理论与关键技术的资助 a b s t r a c t f 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 c o 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 r c 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 e s t r e s si n t e r p o l a t i o no ff i b e ri s r i s i n ga n dt h ep e r f o r m a n c e so ff i b e r d e v i c e sh a v eb a dc o n f o r m i t y i nt h i sp a p e ran e wt y p ef b tm a c h i n ei s f a b r i c a t e dt oe l i m i n a t et h ea b o v e d i s a d v a n t a g e sa n di m p r o v et h e p e r f o r m a n c e so ff i b e rd e v i c e s b a s e do nt h ed e s i g n e de l e c t r i c a lh e a t e r 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 db r i e f l yt h es t r u c t u r e sa n df u n c t i o n so f c o n v e n t i o n a lf b tm a c h i n e sa n da n a l y z e dt h ed i s a d v a n t a g e so fh e a t i n g m e t h o db yb u r n i n gt h ep u r eg a s e s p e c i a l l y f o rt h em a i nf i g u r e so f e l e c t r i c a lh e a t e r t h e r e f o r ean e wt y p eo ff b tm a c h i n ew i t he l e c t r i c a l h e a t e ri s d e s i g n e dt oc o n q u e rt h ea b o v ed i s a d v a n t a g e sb yn e c e s s a r y m o d i f y i n g h e a t e rf i x t u r ei sak i n do fi n t e g r a t ei n s t a l l a t i o n a n di ti sn e c e s s a r yt o p e r f o r i l lt h e r m a la n a l y s i st ot h es t r u c t u r ea n dm a t e r i a lo ft h ef i x t u r ef o r t h eh i g ht e m p e r a t u r eo ft h ee l e c t r i c a lh e a t e rd u r i n gi t sw o r k i n g t h e f i x t u r eh a st h r e e b a s i cm o d e so fh e a tt r a n s f e rw h o s ee q u a t i o n sa r e e s t a b l i s h e db a s e do nt h et h e o r yo fh e a tt r a n s f e r i nt h ep 印e rw e c o m p a r e dt h et h e r m a ld i s t r i b u t i o no ft h eo r i g i n a lm o d e la n dt h em o d i f i e d m o d e lr e s p e c t i v e l yb yn u m e r i c a ls o f t w a r e a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h e m o d i f i e dm o d e lh a ss m a l lv o l u m ea n ds i m p l es t r u c t u r e w h i c hm e e t st h e m o t i o nr e q u i r e m e n to fp r e c i s i o nm o t o r i z e ds t a g e s a tt h ee n do ft h ep a p e r , w ed ol o t so fe x p e r i m e n t st ot e s tt h en e w m a n u f a c t u r e df b tm a c h i n ea n dd e t e r m i n et h et e c h n i c a lp a r a m e t e r ss u c h a sf u s e d t 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 h a n d p r e h e a t i n gt i m e ag r e a td e a lo f f i b e rc o u p l e r sr e s p e c t i v e l ym a n u f a c t u r e d b yt h es a m p l ea n dt h ec o n v e n t i o n a lm a c h i n e ( h e r ex y g d s a 2 0 0 2 ) a r e a 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 d n t h er e s u l t ss h o wt h a t t h e p 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 s m a n u f a c t u r e db yn e wf b tm a c h i n ea r ei m p r o v e d s i g n i f i c a n t l y k e y w 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 ，e l e c t r i c a lh e a t e r , f i b e rc o u p l e r 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：逖日期：丛年且月上日 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。 期：丝! 垒年也月王日 中南人学硕 ：论文 第一章绪论 第一章绪论 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一种基础 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。随着光纤通信技术、光纤用户网、光纤c a t v 、无源光网络、光 纤传感技术等领域的迅猛发展，熔锥型纤器件的应用也越来越广泛。 1 1 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萨 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凹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 2 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， 中南人学硕i ：论义第一章绪论 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。 1 、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 - 1 所示) 口川。 非输入端 输入端 耦合臂 直通臂 图卜1 光纤耦合器示意图 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 ) 和图卜2 ( b ) ，以及光波长分 配( 合分波) 耦合器( w d mc o u p l e r ) ，如图卜2 ( d ) ；从端口形式上划分，它包 括x 形( 2 2 ) 耦合器，如图卜2 ( b ) ，y 形( 1 2 ) 耦合器，如图卜2 ( a ) ，星 形( n n ，n 2 ) 耦合器，如图i - 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( s t a n d a r dc o u p l e r ) 、 单工作窗口的宽带耦合器( w a v el e n g t hf l a t t e n e dc o u p l e r ，简称w f c ) 和双 工作窗口的宽带耦合器( w a v e l e n g t hi n d e p e n d e n tc o u p l e r ，简称w l c ) ：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拍一。 分路器( 3 端l 】) 合路器( 3 端t - i ) ( a ) 3 端口分路器和合路器 2 中南人学硕l ：论文第一章绪论 1 2 二二二 卜 二耦合器c 4 端u ， ( b ) 4 端口耦合器 m 或nn 星形耦合器( 多端i - ) ( c ) 多端口星形耦合器 分波器 合波器 ( d ) 合波器和分波器 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。现己形成门类齐全、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盯刮。 光纤通信系统未来的发展趋势是“宽带化 ，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 l o 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 m ( 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) 。 中南人学硕i ：论文 第一章绪论 9 8 0 n m 1 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2 的相位延迟。这样在空臂2 中的光强是相位为顺时针传输光和 相位为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u 们： 图1 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j 下交的 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 4 中南人学硕 ：论文第一章绪论 止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 3 典型光纤器件性能要求 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，主要由熔融拉锥系统进行制造，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。除了在光学器件领域内的一般技术术语所定 义的性能外，它还另有一些体现自身特点的参数陆3 。 l 插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ) 就光耦合器而言，插入损耗是指输出端口的光功率相对全部输入光功率的 减少值。该值通常以分贝( d b ) 表示，数学表达式为： ，l ，= 一l o l g 孚( 招) ， ( 1 1 ) 其中，i l ，是第i 个输出端口的插入损耗；己c 历是第i 个输出端口测到的光 功率值；，是输入端的光功率值。 插入损耗表示的是各个输出端口的输出功率状况，不仅有固有损耗的因素， 更考虑了分光比的影响。因此不同种类的光纤耦合器之间，插入损耗的差异， 并不能反映器件制作质量的优劣。 2 附加损耗( e x c e s sl o s s ) 附加损耗是指所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小 值。该值以分贝( d b ) 表示的数学表达式为： 弋d e 三：一1 0 l g 7 , r u t ( 1 - 2 ) 对于光纤耦合器，附加损耗是体现器件制造工艺质量的指标，反映的是器 件制作过程带来的固有损耗。 3 回波损耗( r e t u r nl o s s ) 回波损耗又称后向发射损耗。它是指输入信道中后向反射光功率p r 与此输 入通道中输入功率p i 之比 d r l2 1 0 1 。g 茜( a 8 ) ( 卜3 ) 回波损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响。 5 十m 上学i 硷i媳绪论 4 分光比( c o u p l i n gr a t i o ) 分光比是光耦台器所特钉的技术术语它是指耦台器备输出端1 1 的输m 功 率的比值，在具体应用中常常用相对输出总功率的日分比柬表示 。“童嚣圳蝴 ( 】一4 ) 例如对于标准x 形耦台器，1 ：l 或5 0 ：5 0 代表丁叫样的分光比，即输出为 均分的器件。实际工程应用巾，往律需要各种坷；同分光比的器件，这可以通过 控制制作过程的停机点柬得到。如图卜5 所示肖分光比逃g q 预设值5 0 ：5 0 时 系统发 ；停机指令，停l 卜熔融和拉锥。 霉卜5 分光比实时监测图 5 疗向性( d i r e c t i v i t y ) 疗向性也是光耦合器所特有的个技术术语，它是衡景器件定向化输特性 的参数。以标准x 形耦合器为例，方向性是指在耦台器限常工作时，输入一侧 非i ：t 入光的端的输出光功率t j 仝部注入光功率的比较值，以分叭( d b ) 为单 位的数学表达式为 p n = - 1 0 ) g 笔2 ( 加) 1 ( 卜5 ) 其中z 代表注入光功率， z 代表输入侧非注入光的一端的输出光功率。 6 均匀性( u n i f o r m i t y ) 对j + 要求均匀分光的光纤耦台器( 手要是树j 移和星形器件) ，实际制作时， 因为l 艺的局限往往不可能做到绝对的均分。均匀性就是用柬衡量均分器件 的“不均匀程度”的参数。它是指在器件的【：作宽带范u 4 内，备输 h 端u 输出 光功率的母大变化量。其数学表达式为 中南人学硕i ：论文第一章绪论 f = 一1 。l g 丽m i n ( 【p 屹。i c r 盯r ) ) ( d b ) ( 1 6 ) 7 偏振相关损耗( p o l m i z a t i o nd e p e n d e n tl o s s ) 偏振相关损耗是衡量器件性能对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参 量，俗称偏振灵敏度。它是指当传输光信号的偏振态发生3 6 0 。变化时，器件各 输出端口输出光功率的最大变化值。其数学表达式为 p d l ：一1ol g ( 招) j m i n ( p o , r r j ) 。 9 m a x ( e o f 仍) 、 ( 卜7 ) 在实际应用中，光信号偏振态的变化是经常发生的，因此，往往要求器件 有足够小的偏振相关损耗，否则将直接影响器件的使用效果。 表1 1目前典型熔锥型光纤耦合器的性能指标 1 4 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2 j 。 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 7 # 绪沧 地k 的公司为降低生产成本、适应竞争形势都纷纷扑始在太陆地区设厂1 。 张这种形势下，熔融拉锥制造技术j f ：始在周内得到广泛使用，这大人推动 了我凼对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 于美同舭谷以及开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l ：海交大、信息产业部第2 3 所以及一些上海的生产厂家对髂融拉锥系统都作 了深入研究并自主开发了熔融拉锥系统。我州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，j f = 且存对熔融拉锥工艺、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3 - 研发的 熔融拉锥系统开始越来越多地投入生产。产晶基本的光学性能已经与国际先进 水平相当，i 刊时大大缩小了国产设备在工艺过程控制和产品质屠的稳定性方m i ，进| 1 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，我幽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，大量豹手工工序直接影响着光助率的损耗；另一方面，自 动控制程件的停机点往往j 体现了分光比的要求，没有反映光功率损耗、龋离 度等性能参数，很多耦合器冈为光功率损耗等冈素没有达到要求而1 ；得不报废。 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 装的潍定何以及拉伸的一维动作。然而，髓着对熔融拉锥- 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仲运动。 1 是在一些趋丁简使化的熔融拉锥系统中，自动控制减少到了鼍维，即仅仪 自础挣制拉仲动作和火焰的而后及t 下运动：而有些熔融托锥系统甚至略掉了 火焰上f 的舟山度控制，仅仪自动控n - - 维自由度以完成拉锥和火焰日口后这两 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| 茎| l - 6 和图l - 7 所示。 围卜6 熔融拉雄机足焰杀和拉伸夹具 十m i 论*#m论 困卜7 琼肚扛惟机整体图 l 述方式增加了工人的劳动强度和调整时f b f ，但对十熟练【：人束| 兑并小 定会降低耦合器的成品率，在某种场合下甚至有利f 他们对熔融拉锥工艺进行 更便捷的调整，同时太大h 约了熔融拉锥系统的成本。对于制作十日对简单的普 通祸合器米l 兑，这种形式的熔融特锥系统完全可以满足罐本要求，因此订扎存 在的合珲性。随着昔通耦合器在光纤通信技术、光纤用户网、光纤c a t v 、七源 光网络等领域的大量使用，熔融拉锥系统这种简单化的趋势存劳动力比较丰富 的我国还将有厂阔的应j j 空削。 熔锥型光纤器件的，l 产不仅是个劳动力密集刑的产业，旧时也是个j j l 讨 离集型产业。随着光纤耦合器在簟! m 、航天等高新技术领域的大量应用对 丁耦含器在插入损耗的平坦度、偏振灵敏度、工作带宽和工作功牢等方面的提 出的要求越柬越高；同时，保偏光纤耦台器、宽带光纤耦台器等特种耦台器的 需求也越柬越大这些耦合器1 1 勺制造工z 榭对繁琐、形成机邢比较复杂，它们 的制作过程关系楷。系列l 产工艺和控制方面的u j 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t 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 高耦合器光学件能的关键i 。艺参数主要有拉伸述度、拉伸长度、熔融温度、熔 融区域等。要完成对这些i ：艺参数的精确控制，熔融拉锥系统的机械结构和控 制山式义有种向复杂化、精确化发腱的趋势。 加热装置中，由于普通的火焰加热郜是预先调立气体流量_ i | _ ! 难真i 二对温 度加以控制。同舯火焰的漂移对于耦合区的烈锥体结构有较大的不良影响， 从而制约光纤猫器的分光比、跗加损耗、偏振相天授耗等殖婪技术指杯。为 了精确控制火焰的温度，提高耦合器的性能n 本的n t l 公司粟用了0 门的电 加热器柬墩代传统的气体加热，这种电加热方式的通过电压能够更好的实现熔 中南人学顾i j 论文 第一章绪论 融温度的实时控制们。 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 5 课题来源及论文的内容安排 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”( 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 型的熔融拉锥。 本论文的内容安排如下： 第一章绪论，介绍熔融拉锥技术的工作原理和发展概要。概述了几种常用 熔锥型光纤器件的原理和应用，重点分析了典型器件光纤耦合器的各项性 能指标，阐述了熔融拉锥制造设备的现状和发展趋势。最后介绍了本课题的来 源及论文的内容安排。 第二章根据电阻加热材料的电热特性，以新设计的电阻型加热器取代传统 气体加热装置，迸一步分析熔锥机的结构与功能，并提出合理优化设计方案， 研制一种新型的熔融拉锥机。 第三章基于传热学理论建立加热器工装的热分析模型，分析了工装存在的 三种基本传热方式。利用数值计算软件，分析加热器工装初始结构温度场，发 现工装温度过高，对结构进行改进。对比改进前后的工装温度场，结果表明， 改进后的工装结构温度场分布合理的工装体积小，重量轻，满足电移台的工作 要求。 第四章对所设计的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。 1 0 中南人学硕士论文第一章绪论 第五章为全文的结论和展望。 中南人学硕十论文第二章电加热熔融拉锥机的设计 第二章电加热熔融拉锥机的设计 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的熔融温度，而这种加热方式易受环境干扰， 产生的温度漂移严重，导致器件性能一致性较差。为提高熔锥型光纤器件的光 学性能，利用一种特殊材料制成了电阻型加热器，取代传统气体加热装置，研 制出一种新型的熔融拉锥机。本章重点分析熔锥机的各部分的结构与功能，并 做出合理的改进。 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n5 f 。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。 ：夹具|光探测器 7 7 一i r i 上 丛南每旨手一 火焰 ， 出制电路j 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 6 。1 8 1 。 其主要实现过程如图2 2 所示。 1 2 中南人学硕土论文第一二章电加热熔融拉锥机的设计 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、r 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n9 | 。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，易受坏境的干扰，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，来满足生产的要求心伽。 2 2 电阻加热器 本文应用本课题发明的一种用于制造光纤耦合器的电阻型微加热器对熔锥 机进行优化和改进。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， 中南大学硕：l 论文第二章t t i i j t l 热熔触拉锥机的设汁 温度可以直接用热电偶进行监控，并可以根据耦合器熔融程度和锥体剖面进行 精确调节。 材料选择： 用熔融拉锥法制造光纤耦合器需要在高温下( 1 2 0 0 以上的高温) 进行， 一般的金属及其合金或者化合物都存在熔点过低或氧化性的问题，而这种材料 是一种耐高温、抗氧化、低老化的新型特种材料，是光纤高温烧结的理想发热 材料。 这种材料具有以下特点： 1 ) 耐高温、使用寿命很长。在高温下可持续使用8 0 0 0 h 以上，其原因是该 材料能在空气中直接加热到1 7 0 0 ，在氧化气氛中其产品表面生成一层致密的 能自封的保护膜，元件与外界空气隔绝，从而阻止了材料的进一步氧化，其反应 方程式如下瞳卜2 引： s i c + 0 2 一c 0 个+ s i 0 2 s i c + 0 2 一c 0 2 个+ s i 0 2 2 ) 具有较小的电阻率，但其随着温度的升高而增加，在1 7 0 0 9 c 时是常温下 的1 6 倍，在使用电压不变的情况下，其使用功率随着温度的升高而减少，这自 然保护了这种材料电热元件在不超负荷的情况下正常运行，因此利用该材为制 作的电阻加热器有自我保护的功能心1 | 。 3 ) 在常温下具有硬而脆的特性。这种材料的机械性能与加工性能良好，其 抗拉强度和弯曲强度不低于一般会属材料和某些氧化物材料( 如a l ：o 。) ，而硬度 和抗压强度比金属高。它可以用于不同的加热环境，表面温度高，热辐射能力 强，加热速度快，能迅速使置放光纤槽内的温度上升瞳引。 结构设计： 由于光纤器件本身的体积很小，在熔融拉锥时只需要对光纤很短一段( 约 2 0 - - 3 0 m m ) 进行加热，而且加热器还要受到机器本身结构空间的限制。在不影 响耦合器性能和质量的前提，为减小器件体积，通常要尽量缩短其耦合长度， 因此电阻加热器熔融区的长度也就相应缩短。在结构设计时，一方面要保证电 阻加热器接线方便，另一方面要求置放光纤槽内的温度能够达到1 2 0 0 。c 以上， 这就要求发热体置放光纤的部分和电极的设计非常合理。槽的宽度如果太大将 会导致槽内空气中心温度偏低，达不到光纤器件熔融所需温度，如果过窄又不 方便放入光纤和测温装置。电极宽度如果过大，将使整个电阻加热器体积增大， 不便于安装，反之则不方便接线。此外还要从力学( 强度和刚度) 和电学( 功 1 4 中南上学坝l 论业 第一章l “加热瑞触 锥帆的啦计 率、电阻、电流和电眶) 方面考虑发热体的结构设训。 这种材料是1 种良好的导热材料。为防止在光纤熔融过枰中电极温度过高 熔化导线，就要求降低电极接线处的温度，存结构设计时尽量延k 电极的k 度 以减小电极部分的电阻，适当增大电极横截而积与氏度协调，其结构为一槽型。 发热槽是热氐产q ：和秘聚的主要部分，也是裸兜纤的放胃位氍。为了尽可能提 高这部分的电阻，在应力允许的条件下需尽量减小其截面积，外加大电极端饿 而积。发热槽截而j t 寸如图2 - 3 所示。 图2 - 3 发热槽截面足 山传热学理沦和有限元热分析分析可知，高温下发热体与空气的辐射功率 较大，采用这种结构设计方案，在一定的电流下发热伴空气槽内中心温度最 高只有1 0 0 0 ( 2 左右。为了提高发热体熔融区整体温度，并减少发热体向空问的 热辐射，在此结构设计的基础上对发热体加盖陶瓷保护层，其结构如图2 - 4 所 不。改进后，发热体几何尺、j 不变，其高温部分不直接与陶瓷接触，l m 足用空 气把两者隔丌，整个电阻加热器通过电极j 部分与陶瓷的配合进行约束。这样不 仅有效的提高了槽内温度，对发热体本身也起到了良好的保护作用。 图2 - 4 发热体结构( 加陶瓷保护层 中南人学硕i ：论文第二章i 乜加热熔融拉锥机的改汁 2 3 熔融拉锥机设计 利用已发明的电阻加热器取代传统的气体加热装置，传统熔融拉锥机的结 构设计与运动方式不能适用于新的熔锥设备，因此，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。主要设计要求如表2 - 1 所示。 表2 - 1 熔锥机主要设计要求 主要技术指标 光源波长 光源稳定度 光探测器波长范围 光探测器功率范围 夹具间距 单边拉伸速度 夹具拉锥运动精度 光纤同定方法 加热器移动范围 加热器运动精度 封装台运动精度 探测器类型 封装装置 电源 1 3 1 0 n m 肃i1 5 5 0 n m 0 0 5 d b 1 5 m i n 1 1 0 0 1 7 0 0 衄 一5 0 0 d b m 4 2 1 2 0 m m 0 4 0 0 um s 0 0 2u m s t e p 机械压夹式 0 - 一5 0 m m 5 m s t e p 5 斗m s t e p i n g a a s 自动，环氧胶，光吲化 a c 2 2 0 v ，5 0 t t z 熔融拉锥机按功能可以分为机械运动系统、光功率检测系统、发热体温控 系统和计算机控制系统四大部分。其结构示意如图2 5 所示。机械运动系统是整 个熔融拉锥( f b t ) 工作台中较重要的结构，可分成主拉锥运动、加热装置运动 和封装台运动三大部分，通过对三部分运动的精确控制实现光纤器件的制作。 光功率探测器将探测到的光信号转换成电信号，经过数模转换电路转换成数字 信号传送到计算机系统；计算机控制系统将这些数据处理后，计算出相应的分 光比、插入损耗、附加损耗等参数，并实时地显示出来，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 退出加热器；发热体温控系统主要用来控制熔融光纤的所用温度场，以满足制 造不同耦合器件所要求的温度。 1 6 十南 口m i z m 十l u 加鸺镕m m # l 醴* 目2 - 5 培融扛锥系统结构示意躅 23 1 机械运动系统 机械运动系统( 见图2 6 ) 足整个熔触拉锥( f b t ) 作台- p 最艰耍的部分t 拨功能其”r 分为t 拉锥运动、加热装胃运动和封装台运动大i i 分。通过对 f ； f 分运动的精确控制共旧实现光纤器件的制作。雠个运动副按功能和结构对精 度的要求有所不同，其巾因双锥区形状的粹制主要依赖1 二e 拉锥运动的精度t 所以对拉锥运动精度的要求很高。 囤2 - 6 拉雒机运动系统示意围 十嘲 蛳i 论第，章 u 加热镕胜r 钲帆的计 2311 光纤主拉锥运动部分 1 光纤拉锥i 乜控平移台 试验表明，对十一定的熔融温度场光纤熔融拉锥速度及其稳定牲对光纤 器件性能有显著的影响，因此对拉锥平移台的运动精度有较高要求。差拉伸平 台是山驰动电机和移动轴丰组成，电机提供动力由移动轴杆传动，带动光纤 火其移动，从而完成扣锥动作。k 拉锥平台的移动精度山驱动电机的解析度和 移动轴柑的精度共i 川决定的。f b 机的解析度足指电机的步进长度，步进长度越 小，电机的解析度越高，电机的成本也就越高。移动轴杆的作用是完成传动功 能，它的设计重点是控制拉伸平台的回转，保证电机的步进长度在转变成拉伸 平行移动长度时，具有尽可能小的偏若。 在现代数字运动控制系统中大多采h 】步进电机或全数字式交流伺服电机 作为执行叱动机。按照 拉锥平台的精度饕求，假如采用伺服电机驱动，荽求 电机要柯较大的编码器线数以获得小步距角，同时对驱动器脉冲频率要求很高 ( 2 0 0 k p p