專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖的確定性切割的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖，具體涉及切割光纖以縮短其長(zhǎng)度并在纖維上產(chǎn)生平端。
背景技術(shù)：
經(jīng)由光纖波導(dǎo)發(fā)送光能有許多優(yōu)點(diǎn)，并且其用途是不同的?？梢院?jiǎn)單地使用單個(gè)或多個(gè)纖維波導(dǎo)，用于將可見(jiàn)光發(fā)送到遠(yuǎn)程位置。復(fù)雜的通信系統(tǒng)可以發(fā)送多個(gè)特定的光信號(hào)。這些設(shè)備常常需要將端至端關(guān)系的纖維與代表光損失的源的接合處相聯(lián)。被切割端部應(yīng)平滑且無(wú)缺陷。如果纖維的兩端參差不齊，則由于在切割的端面處(例如，接頭或接合區(qū)域)的光反射和光折射可導(dǎo)致光損失過(guò)大。對(duì)于絕大多數(shù)的光纖應(yīng)用，重要的是切割纖維，使得纖維的端部完全平坦，準(zhǔn)備用于聯(lián)接。當(dāng)以端至端的關(guān)系布置光纖時(shí)，為了使光損失最小化，期望使纖維的端面光滑且位于與纖維的軸線(xiàn)垂直或成特定角度的平面中?？傊?，被切割的纖維端面需要成為具有鏡面質(zhì)量的單一平面，以?xún)?yōu)化在可拆卸的連接器、永久接頭和光子器件中的纖維之間的聯(lián)接。通過(guò)使用機(jī)械切割或者激光切割來(lái)完成常規(guī)的切割。迄今為止，根據(jù)用于產(chǎn)生切割的一種常規(guī)的機(jī)械切割方法，首先將光纖置于軸向張力下，進(jìn)而給光纖刻痕以開(kāi)始切割。由此得到的切割角度和表面特征是刻痕質(zhì)量及軸向應(yīng)力和/或光纖中的應(yīng)變分布兩者的直接結(jié)果。施加軸向張力對(duì)擴(kuò)展切割是必要的。然而，太多的張力將導(dǎo)致切割擴(kuò)展過(guò)快，從而在被切割的端部中產(chǎn)生鋸齒。如果使用的張力過(guò)少，則需要將刻痕邊緣非常深地穿透到纖維中，以開(kāi)始切割，從而引起不良的切割。鑒于在纖維的被切割端部處產(chǎn)生的缺陷，目前的切割方法涉及的光纖常規(guī)切割，后面跟隨在通過(guò)將得到的端面機(jī)械拋光，以消除非平面形式的切割面的缺陷。替代方法是使用上述工藝，但用激光拋光取代機(jī)械拋光。這樣的拋光步驟可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但它需要復(fù)雜而昂貴的裝備以及相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，這限制在工廠(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室執(zhí)行該操作。此外，當(dāng)由于激光拋光工藝使纖維的端部熔化并重新固化時(shí)，纖維的形狀變形，往往增加直徑。激光切割可產(chǎn)生仍需要進(jìn)一步拋光以產(chǎn)生平坦的切割面的端部纖維表面，或產(chǎn)生在激光切割過(guò)程中已經(jīng)激光拋光的端面。激光切割在纖維的被切割端部處產(chǎn)生明顯更好的光學(xué)表面，但實(shí)施該工藝必須使用專(zhuān)用的切割裝備(例如見(jiàn)OpTek Systems公司經(jīng)銷(xiāo)的自動(dòng)且完全集成的激光切割系統(tǒng)；WWW.0pteksystems.com)。在通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和其它信號(hào)傳輸系統(tǒng)中相對(duì)廣泛且不斷增加地利用光纖已產(chǎn)生了對(duì)相互結(jié)合端子(inter-joining terminals)的令人滿(mǎn)意及有效的手段的需求。目前，大多數(shù)可拆卸的纖維連接器是在工廠(chǎng)安裝的。對(duì)于光纖的現(xiàn)場(chǎng)安裝，特別理想的是，開(kāi)發(fā)一種可以簡(jiǎn)單可靠地調(diào)配以正確切割光纖的工藝，以便當(dāng)隨后聯(lián)接纖維時(shí)使光損失最小化。有必要開(kāi)發(fā)一種有效、高效且可靠的方法來(lái)制備光纖端面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種工藝，其可以簡(jiǎn)單且可靠地調(diào)配，以正確地切割光纖來(lái)獲得平滑的端部，以便當(dāng)隨后聯(lián)接纖維時(shí)使光損失最小化。根據(jù)本發(fā)明的工藝提供了一種有效、高效且可靠的方法來(lái)制備光纖端面，無(wú)需拋光。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，將軸向張力施加至在預(yù)期的切割位置處已刻痕有初始表面裂紋的光纖，其中所施加的軸向張力被調(diào)節(jié)為將用于裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子維持在可接受的水平之內(nèi)，以便以合理的速率產(chǎn)生穩(wěn)定的裂紋生長(zhǎng)來(lái)切割纖維，無(wú)需對(duì)端面拋光。更具體地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，基本方法就是:在光纖外徑上完全繞纖維圓周或者在所選區(qū)域中繞該圓周將槽刻痕到光纖中，進(jìn)而施加與纖維縱軸共軸的時(shí)變力來(lái)切割纖維。當(dāng)纖維被刻痕時(shí)，它最初能夠或不能被保持在基本恒定的張力下。仔細(xì)控制的刻痕工藝僅提供了初始表面裂紋，沒(méi)有亞表層裂紋，這限定了橫過(guò)纖維的裂紋擴(kuò)展將接納足夠軸向張力的位置。通過(guò)刻痕工具或激光切割或者進(jìn)行諸如聚焦離子束的其它形式的切除，能夠以機(jī)械方式產(chǎn)生刻痕。將時(shí)變力施加至纖維會(huì)導(dǎo)致初始裂紋沿徑向向內(nèi)擴(kuò)展向纖維的中心。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)維持基本恒定的應(yīng)力強(qiáng)度因子，將對(duì)施加的隨時(shí)間的張緊力的仔細(xì)控制作用為對(duì)擴(kuò)展裂紋的速度的控制。在另一實(shí)施方式中，所施加的軸向張緊力隨著時(shí)間和/或裂紋生長(zhǎng)而減少(因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展)。結(jié)果，通過(guò)在無(wú)需拋光的情況下形成具有光學(xué)質(zhì)量表面的單一平面來(lái)釋放纖維材料中的應(yīng)變能。更具體地，在光纖的被切割端部處形成大致平坦的光學(xué)表面或增強(qiáng)質(zhì)量的面。通過(guò)適當(dāng)?shù)夭贾贸跏伎毯郏撁婵梢韵鄬?duì)于纖維的縱軸成角度地形成。


為了更充分地理解本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)以及所使用的優(yōu)選模式，應(yīng)參考結(jié)合附圖詮釋的以下詳細(xì)說(shuō)明。在下面的附圖中，相同的標(biāo)號(hào)表示在整個(gè)附圖中相同或類(lèi)似的部分。圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的使用模式I的光纖切割。圖2是在石英光纖上作為裂紋深度的函數(shù)的拉力的圖示。圖3是裂紋生長(zhǎng)速度隨應(yīng)力強(qiáng)度因子的圖表。圖4是在纖維上作為時(shí)間的函數(shù)的拉力的圖示。圖5是光纖的來(lái)自點(diǎn)裂紋的斷裂面的記錄圖(monograph)。
具體實(shí)施例方式下面，就各種實(shí)施方式參照附圖來(lái)描述本發(fā)明。雖然為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的而按照最佳模式描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，鑒于這些教導(dǎo)在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下可完成變型。本發(fā)明提供了一種可以簡(jiǎn)單可靠地調(diào)配以正確切割光纖而獲得光滑端部的工藝，以便當(dāng)隨后聯(lián)接(例如，接合或端至端地聯(lián)接)纖維時(shí)使光損失最小化。根據(jù)本發(fā)明的工藝提供了一種有效、高效且可靠的方法來(lái)制備光纖端面而無(wú)需拋光，這便于在工廠(chǎng)中進(jìn)行操作，并且也可便于在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行操作。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，施加至光纖(其在期望的切割位置處已被刻痕，以產(chǎn)生初始的表面裂紋)的軸向張力被調(diào)節(jié)成使得在纖維上與裂紋有關(guān)的應(yīng)力強(qiáng)度因子維持在可接受的水平，以便以合理的速率產(chǎn)生穩(wěn)定的裂紋生長(zhǎng)來(lái)切割纖維。在本發(fā)明的另一方面中，以時(shí)變方式施加軸向張力。
更具體地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，基本的方法是:在光纖外徑上完全繞纖維圓周或者在所選區(qū)域中繞該圓周將槽刻痕或劃線(xiàn)進(jìn)入光纖中，進(jìn)而施加與纖維縱軸共軸的時(shí)變力來(lái)切割纖維。當(dāng)纖維被刻痕時(shí)，它最初能夠或不能被保持在基本恒定的張力下。通過(guò)刻痕工具或激光切割或者進(jìn)行諸如離子束的其它形式的切除，能夠以機(jī)械方式產(chǎn)生刻痕。仔細(xì)控制的刻痕工藝僅提供了具有期望裂紋深度的初始表面裂紋，沒(méi)有亞表層裂紋(即，在被刻痕的槽的底面下方無(wú)裂紋)，這限定了一位置，其中橫過(guò)纖維的裂紋擴(kuò)展將接納足夠的軸向張力。具體而言，給槽刻痕產(chǎn)生具有幾十納米的初始表面裂紋，由此刻痕工具在韌性模式下切割纖維的材料，而不是脆性模式，從而避免了被刻痕的槽的底部下方的亞表層裂紋。通過(guò)精密地進(jìn)給刻痕工具或用輕微的彈簧力將該工具壓在纖維上，可實(shí)現(xiàn)在刻痕過(guò)程中的淺的切割深度(在幾十納米以下)。將時(shí)變力施加至纖維會(huì)導(dǎo)致初始裂紋沿徑向向內(nèi)擴(kuò)展向纖維的中心。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)在纖維上維持用于裂紋的可接受的應(yīng)力強(qiáng)度因子(例如，基本恒定的應(yīng)力強(qiáng)度因子，其低于特定加載模式下的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子)，將對(duì)施加的隨時(shí)間的張緊力的仔細(xì)控制作用為對(duì)擴(kuò)展裂紋的速度的控制。結(jié)果，通過(guò)在無(wú)需拋光的情況下形成具有光學(xué)質(zhì)量表面的單一平面來(lái)釋放纖維材料中的應(yīng)變能。更具體地，在光纖的被切割端部處形成大致平坦的光學(xué)表面或增強(qiáng)質(zhì)量的面，無(wú)需拋光。通過(guò)適當(dāng)?shù)夭贾贸跏伎毯?例如，相對(duì)于纖維的縱軸在平面上成一角度(例如，8度)的橢圓刻痕)，該面可以相對(duì)于纖維的縱軸成角度地形成。在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，在所施加的軸向張緊力開(kāi)始上升到足以引發(fā)裂紋生長(zhǎng)的水平之后(切割過(guò)程中的峰值軸向張力，同時(shí)維持用于裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子低于臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子)，所施加的軸向張緊力然后從這樣的峰值軸向張力隨著時(shí)間減少，同時(shí)牽拉纖維的端部以繼續(xù)裂紋生長(zhǎng)。從另一個(gè)角度，在通過(guò)使軸向張力開(kāi)始上升到峰值軸向張力而引發(fā)裂紋擴(kuò)展之后，隨著裂紋深度進(jìn)一步增長(zhǎng)，所施加的軸向張緊力減少。在下文中描述的所公開(kāi)的實(shí)施方式中，所施加的軸向張緊力單調(diào)遞減，并進(jìn)一步以隨時(shí)間或裂紋生長(zhǎng)減小的速率而減小。應(yīng)注意，峰值軸向張緊力可大于引發(fā)裂紋生長(zhǎng)所需的張緊力，并且峰值軸向張緊力可在短暫的時(shí)期內(nèi)保持恒定，在軸向張緊力減少之前作為上升的一部分。雖然這對(duì)理解本發(fā)明不是必需的，但下面要簡(jiǎn)要討論支持本發(fā)明改進(jìn)方案所提出的理論。纖維斷裂有三種基本模式:模式I (開(kāi)放模式)、模式II (滑動(dòng)模式)和模式III (撕裂模式)。對(duì)于光纖在該獨(dú)創(chuàng)的確定性纖維切割過(guò)程中的受控?cái)嗔?，?yīng)用模式I。參照?qǐng)D1，示出了示例性的光纖10的截面。對(duì)于圖1中的圖示，僅示出了裸纖維(即，包括芯部和包層)，并且省略了保護(hù)性聚合物涂層。纖維10是圓柱形的，具有圓形的橫截面。纖維10具有摻雜二氧化硅的芯部，該芯部涂覆有二氧化硅包層。如圖所示，外部周向裂紋12設(shè)置在光纖10周?chē)?B卩，位于包層的表面上)，以引發(fā)裂紋擴(kuò)展用于使用模式I加載進(jìn)行切割。例如，在纖維繞其軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)或硬質(zhì)合金刀尖繞纖維旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，通過(guò)用金剛石或刀尖對(duì)纖維刻痕或劃線(xiàn)，制備在纖維上具有裂紋深度a的周向裂紋。當(dāng)由時(shí)變拉力F (即，大小相等且方向相反的軸向張緊力F)沿軸向牽拉纖維10的一端同時(shí)保持纖維10的另一端時(shí)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的裂紋生長(zhǎng)擴(kuò)展條件，其中纖維上的周向裂紋在穩(wěn)定的裂紋生長(zhǎng)速度之內(nèi)沿徑向向內(nèi)朝向中心生長(zhǎng)。
考慮變量和基本方程，包括以下內(nèi)容:變量:K1=應(yīng)力強(qiáng)度因子σ=所施加的應(yīng)力a=裂縫深度a0=初始裂紋深度α=乘以的因子F=所施加的拉力A=未斷裂的纖維面積r0=纖維的半徑(從包層表面)V=裂紋生長(zhǎng)速度t=時(shí)間C=擬合參數(shù)η=擬合參數(shù)(疲勞恒定)應(yīng)注意，乘以的因子α可引用Α.Y.Τ.Leung和R.K.L.Su的“軸對(duì)稱(chēng)裂紋的二級(jí)有限兀研究(Two-Level Finite Element Study of Axisymmetric Cracks), ”國(guó)際斷裂雜志(International Journal of Fracture),89,193-203 (1998)?；痉匠?
權(quán)利要求
1.一種切割光纖的方法，包括: 在所述光纖的表面處提供初始裂紋； 施加初始力，以從所述初始裂紋引發(fā)裂紋生長(zhǎng)；以及 在引發(fā)裂紋生長(zhǎng)之后，將軸向力以時(shí)變的方式施加至所述光纖，以擴(kuò)展裂紋生長(zhǎng)來(lái)切割所述光纖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，以單調(diào)遞減的方式施加所述軸向力。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，以隨時(shí)間減小的方式施加所述軸向力。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，通過(guò)以一速率減小的方式施加所述軸向力，所述速率隨時(shí)間減小。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，以隨裂紋生長(zhǎng)減小的方式施加所述軸向力。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，通過(guò)以一速率減小的方式施加所述軸向力，所述速率隨裂紋生長(zhǎng)逐步減小。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中，施加所述軸向力，以產(chǎn)生介于I(T6和l(T4m/s之間的裂紋生長(zhǎng)速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，施加所述軸向力，以在所述光纖上產(chǎn)生用于裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，當(dāng)所述軸向力減小時(shí)，所述應(yīng)力強(qiáng)度因子維持基本恒定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，施加所述軸向力，以在所述光纖上產(chǎn)生用于裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，所述應(yīng)力強(qiáng)度因子介于0.750MPa-m°_5和0.35MPa_m°_5之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，施加所述軸向力，以便以合理的速率產(chǎn)生穩(wěn)定的裂紋生長(zhǎng)，以在無(wú)需拋光的情況下獲得具有光學(xué)質(zhì)量的被切割端面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述具有光學(xué)質(zhì)量的被切割端面相對(duì)于標(biāo)稱(chēng)平面具有小于IOOnm的最大變化量，并且具有小于5nm的表面峰-谷粗糙度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述初始裂紋在所述光纖周?chē)菆A周的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在不產(chǎn)生超出所述初始裂紋的亞表層裂紋的情況下產(chǎn)生所述初始裂紋。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在張緊狀態(tài)下施加所述軸向力。
15.一種切割光纖的方法，包括: 在所述光纖的表面處提供初始裂紋； 施加初始力以引發(fā)裂紋生長(zhǎng)；以及 將軸向力施加至所述光纖，以便以合理的速率產(chǎn)生穩(wěn)定的裂紋生長(zhǎng)，以在無(wú)需拋光的情況下獲得具有光學(xué)質(zhì)量的被切割端面。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法,其中,施加所述軸向力，以在所述光纖上產(chǎn)生用于裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，所述應(yīng)力強(qiáng)度因子等于或低于產(chǎn)生穩(wěn)定的裂紋生長(zhǎng)的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述應(yīng)力強(qiáng)度因子介于0.750MPa-m°_5和0.35MPa-ma5 之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，以時(shí)變的方式施加所述軸向力。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，以隨時(shí)間減少的方式施加所述軸向力。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，以隨裂紋生長(zhǎng)減少的方式施加所述軸向力。
全文摘要
將軸向張力施加至在預(yù)期的切割位置(12)處已刻痕的光纖(10)，其中以時(shí)變的方式施加軸向張力，以便將纖維上用于裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子維持在可接受的水平之內(nèi)，從而以合理的速率產(chǎn)生穩(wěn)定的裂紋生長(zhǎng)來(lái)切割纖維，無(wú)需對(duì)端面拋光。通過(guò)維持基本恒定的應(yīng)力強(qiáng)度因子，將對(duì)施加的隨時(shí)間的張緊力的仔細(xì)控制作用為對(duì)擴(kuò)展裂紋的速度的控制。所施加的軸向張緊力隨著時(shí)間和/或裂紋生長(zhǎng)而減少(因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展)。結(jié)果，通過(guò)在無(wú)需拋光的情況下形成具有光學(xué)質(zhì)量表面的單一平面來(lái)釋放纖維材料中的應(yīng)變能。在光纖的被切割端部處形成具有增強(qiáng)光學(xué)質(zhì)量的大致平坦的光學(xué)表面。
文檔編號(hào)G02B6/25GK103119488SQ201180041554
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者M.K.巴諾基, S.T.古拉蒂, K-F.希, D.科克, W.R.伯維爾, R.R.瓦蘭斯 申請(qǐng)人:毫微精密產(chǎn)品股份有限公司