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光纤连接器研磨工艺研究

时间:2017-12-12 16:26:40

 摘要:光纤连接器是构成光通信系统中最常见的光无源器件,其生产过程中研磨工艺对产品质量有直接影响,本文结合光纤连接器生产过程中出现的问题,分析研磨工艺对产品质量的影响,并根据试验进行研磨工艺的探讨。

关键词:光纤连接器   研磨   端面   插入损耗   回波损耗

引言:随着通信时代的到来,光进铜退大势所趋,FTTH成为通信时代的中流砥柱,相应的ODN产品日益增加。

目前,光纤连接器市场需求以SC型、FC型、LC型为主,其生产工艺较为简单,生产过程中对产品质量的控制较为困难,其中研磨工序对产品质量有直接的影响,本文就普通型号光纤连接器的研磨工艺对其产品的质量影响进行论述,并对研磨工艺进行研究验证。

1、光纤连接器生产过程中常见的质量问题及其原因分析

端面质量问题:常见的包括胶点、划痕、孔大、溢胶、无光点等,其中胶点和划痕均为研磨不到位造成,或是研磨后端头保护不当形成的缺陷,亦或是端面检测仪目镜与适配器不清洁粘取的脏污,需要重新研磨修正,后期粘上的脏污也可用无尘纸喷洒酒精擦拭清洁;孔大、溢胶问题为插芯内经偏大、光纤丝径偏小造成,溢胶品均为不合格品,孔大若同心度良好,互换性试验和重复性试验合格后可判定为合格品;无光点为断纤或光纤不良造成,此情况无法测试插入损耗,均为不合格品。图片1.png      合格端面

表一 端面判定标准

2.png 

端面几何尺寸问题:随着工艺技术的优化和改进,对光纤连接器的质量要求也在一步步的更加严格,目前,越来越多的客户对光纤连接器的端面几何尺寸提出了要求,而生产过程中,端面几何尺寸的一次合格率并不稳定。端面几何尺寸包括曲率半径、顶点偏移、光纤高度、角度(一般APC型连接器对此有要求),研磨工艺对这些尺寸的合格率有直接的影响。

表二 端面几何尺寸判定标准

3.png  

光纤凹陷最大允许量与曲率半径关系4.png 

插入损耗问题:插入损耗是光纤连接器的一项重要的指标,是指因光纤连接器的介入而引起传输线路有效光功率减小的量值,该值越小越好。插入损耗是光纤连接器性能好坏的一项重要体现,通常导致插入损耗超标的因素有很多,包括有操作、环境、材料、设备等因素,通过跟踪验证主要有以下原因影响:

①插芯同心度问题,对中时因横向位移会产生损耗,这种情况造成插入损耗超标的情况比较多;

②对接时端面间隙问题造成的损耗,这种情况一般为插芯长度达不到要求,或是端面几何尺寸中光纤凹陷较大造成;

③角度误差造成的损耗,一般为端面几何尺寸中顶点偏移较大造成;

④剥纤过程中因操作不当造成裂纤产生损耗;

⑤光纤胶中有杂质或气泡,热固化中因热胀冷缩造成光纤应变,产生损耗;

⑥光纤连接器与主缆压接后,主缆外护材料回缩造成内部光线弯曲,产生损耗;

……

影响光纤连接器插入损耗的因素较多,生产过程需规范控制工艺与操作的有效性。

回波损耗问题:回波损耗又称反射衰减,是影响传输信号质量的重要指标,光线在遇到两种折射率不同的界面时会导致一部分入射光变为反射光,反射光沿光纤反馈到系统的激光光源中,引起系统的不稳定和噪声,使光纤系统传输信息不可靠,影响激光光源使用寿命,因此该值越大越好。影响回波损耗的主要因素为光纤连接器的端面质量,端面上的胶点、划痕等都会对回波损耗有较大的影响,另,端面的几何尺寸亦会对回波损耗造成影响。

2、研磨过程对光纤连接器质量的影响

从上文论述中可以看出,研磨工序对光纤连接器产品质量的影响较大,研磨工艺的好坏在产品质量中有最直接的体现,相应的,我们可以优化改进研磨工艺来提升产品质量和一次合格率。研磨中可调整参数主要有研磨纸的型号、研磨垫的硬度、研磨时间、研磨压力、研磨介质、车间洁净度和温湿度等,以及不可调控的操作手法,这些都会对研磨质量造成较大的影响,另外,研磨纸研磨垫的制作材料、插芯的制作材料、散件的尺寸进度、研磨夹具的精度和研磨机运转的稳定性,也会对研磨质量有很大的影响。所以一个合理的研磨方案,要围绕“人、机、料、法、环”五大因素去进行设计,这些因素的合理性直接决定着光纤连接器的端面质量和端面几何尺寸的好坏,从而间接的影响光纤连接器的光学性能。

3、研磨工艺的研究

借助行业内的经验,最优研磨工艺分为去胶、粗磨、细磨、精磨、抛光五道工序。从上文论述中的可以看出影响研磨质量的因素有很多,因此,在进行研磨工艺设计的验证之前,需对一些可优势条件进行规定,进而对一些需验证的参数进行实验,以找出最优的研磨方案。

3.1研磨环境的要求

环境是影响研磨端面质量的重要因素之一,洁净度低的环境,研磨后易有胶点划痕脏污等端面缺陷,因此,我们对研磨环境洁净度要求在10万级(0.5μm在350万个以下),另外,温湿度是影响研磨的一个潜在因素,我们要求研磨环境温度18-26℃,湿度40%-60%。

3.2研磨机和研磨夹具的选用

研磨机运转的稳定性和研磨夹具的精度均对研磨效果影响较大,尤其是端面几何尺寸方面,目前行业内研磨设备较多选用四角加压研磨机,该研磨机四角上装有弹簧加压,通过调节四角压力均等,使夹具上各插芯受力均匀,行星轨道运行轨迹研磨稳定。本实验选用行业内较普遍的四角加压研磨机、高精度研磨夹具。

3.3光纤连接器材料的选用

为保证研磨工艺设计的有效性和合理性,选用目前市场最普通的二氧化锆陶瓷插芯(UPC型)和普通散件(SC型)制作光纤连接器。

3.4研磨工艺的研究

3.4.1物料准备

待研磨的光纤连接器、日本精工高精度研磨垫(硬度60/70/80/90)、金刚石磨料的研磨纸(30um、9um、6um、3um、1um)、ADS抛光纸、纯净水、研磨液、酒精、端面检测仪、插回损检测仪、3D干涉仪。

3.4.2研磨工艺研究思路

由于影响研磨质量的因素很多,研磨工艺可规定调整的参数比较复杂,在研磨工艺的研究中,为梳理研究思路以便清晰可行,我们把各项参数分步试验,以便找出最优参数,在试验中得出数据(测试数据需符合《YDT 2152-2010 光纤活动连接器 可靠性要求及试验方法》的规定),并汇总分析,去除异常数据。

表三为摘录部分汇总数据,经过分析得出最优的研磨方案:研磨机四角压力2.5mm,研磨介质选用研磨液,研磨垫的精度70°(去胶)、70°(粗磨)、80°(细磨)、80°(精磨)、70°(抛光),研磨纸的型号D30um(去胶)、D9um(粗磨)、D3um(细磨)、D1um(精磨)、ADS(抛光),研磨时间50s(去胶)、50s(粗磨)、50s(细磨)、50s(精磨)、50s(抛光)。

表三 摘录部分汇总数据

5.png 

表四 部分几何尺寸数据

6.png 

3.4.3研磨工艺调整思路

上述研磨工艺的研究试验,指定了研磨环境、设备和光纤连接器的材料,从而得出的最佳的研磨工艺,但随着指定条件的改变,研磨工艺也要相应的调整,因此,我们要根据经验总结研磨工艺的调整思路。

研磨工艺的调整需以汇总的数据为依据,针对主要不合格项做出调整,研磨对产品质量的直接影响体现在端面质量(主要包括胶点、划痕、脏污)和端面几何尺寸(主要包括曲率半径、顶点偏移、光纤高度)。当胶点为主要不合格项时,应对去胶工序时间进行延长,相应的后面工序研磨时间也需适当延长,或可更换去胶研磨纸;当划痕为主要不合格项时,可适当增加后几道研磨工序研磨时间,或更换后几道研磨工序的研磨纸,研磨工序切换时,插芯端面和研磨纸表面清洁不干净,也会导致划痕出现;脏污抛光后插芯端面清洁不干净,或后期端头保护不当造成,应规范过程操作;曲率半径主要受研磨垫硬度影响,若曲率半径过大,应减小研磨垫硬度,反之,增加研磨垫硬度;顶点偏移主要受研磨夹具和散件尺寸精度影响,研磨压力过大也有可能造成顶点偏移量过大,应适当减小研磨压力,问题得不到缓解时,建议更换夹具或散件;光纤高度不合格时,应适当的调整抛光时间。

4、工业中研磨工艺的现状

目前行业内面临残酷的竞争,廉价和高性能是立足的两个根本,很多企业在保证产品性能的前提下,围绕廉价高效对研磨工艺进行了改进,主要在材料替代和流程简化两个方面。材料替代中,采用纯净水替代研磨液作为研磨介质的改进方案使用较为普遍,还有很多光纤连接器制作厂家采用1000-1500目的细砂纸代替D30um研磨纸去胶,流程简化方面的改进目前较为普及的为去胶(D30um/细砂纸)、粗磨(D9um)、细磨(D1um)、抛光(ADS)四步研磨方案,而有部分制作厂家研磨流程已经简化为去胶(D30um)、细磨(D3um)、抛光(D0.02um)三步,当然相应的需要增加研磨时间,上述方案使用较为普遍,产品质量与性能也可保证。

5、结束语

本文主要论述光纤连接器的研磨工艺,根据本人这方面的工作经验和实际操作试验,总结了个人对研磨工艺的认知。

 

参考文献

[1]《YDT 2152-2010 光纤活动连接器 可靠性要求及试验方法》

[2]《1272.3-2015 SC光纤活动连接器》

[3]《1272.1-2003 LC光纤活动连接器》

[4]《1272.4-2007 FC光纤活动连接器》



  山东太平洋光纤光缆有限公司  李来发 郭俊国  齐伟
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