陳 濤， 劉德福， 嚴(yán)日明， 余 青

(1. 中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410083；2. 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410083)

光纖陣列(Fiber Array，F(xiàn)A)是集成光電子器件的關(guān)鍵組成部分，采用直接對(duì)接耦合法與光電子芯片的光路相連接，傳輸光信號(hào)。集成電子器件中的光纖與波導(dǎo)芯片耦合的對(duì)準(zhǔn)精度要求十分嚴(yán)格，高平坦化、超光滑的端面是減小信號(hào)損耗，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連接的保證[1-3]。

光纖陣列端面是由多種不同材料組成的非均質(zhì)表面，涉及的材料包括硅V型槽(單晶硅Si)、光纖(SiO2石英玻璃)、上蓋板(硼硅酸鹽耐熱玻璃)、光固化膠等[4]。單晶硅、玻璃均屬難加工的硬脆材料，而且它們的加工性質(zhì)存在差異，導(dǎo)致光纖陣列端面的這兩種材料難以均勻去除，造成光纖陣列端面不平坦，最終導(dǎo)致波導(dǎo)器件的對(duì)接質(zhì)量低下?；瘜W(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)雖是一種廣泛應(yīng)用的獲得光整表面的工藝，但面對(duì)脆硬性材料的加工時(shí)，常規(guī)的化學(xué)機(jī)械拋光工藝的拋光效率仍不能滿足要求。超聲振動(dòng)輔助加工在提高脆硬性材料的生產(chǎn)效率、降低表面粗糙度等方面表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)越性[5-7]，故本文將超聲振動(dòng)引入到光纖陣列組件非均質(zhì)端面的化學(xué)機(jī)械拋光加工中，以期獲得一種光纖陣列組件非均質(zhì)端面的高效率和高質(zhì)量的拋光工藝。

1 縱彎復(fù)合型超聲橢圓振動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

超聲振動(dòng)有三種基本振動(dòng)模式：縱向振動(dòng)、彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。單一振動(dòng)模式的超聲振動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，而復(fù)合振動(dòng)在加工制造中的優(yōu)勢(shì)正日漸凸顯[8-9]。通過復(fù)合兩種振動(dòng)于一套超聲振動(dòng)裝置中，即可實(shí)現(xiàn)工件的二維超聲振動(dòng)。在復(fù)合振動(dòng)的研究中，一般復(fù)合兩種振動(dòng)模式，即：縱彎復(fù)合、縱扭復(fù)合或彎扭復(fù)合超聲振動(dòng)[10-12]。本文采用桿件的縱彎復(fù)合振動(dòng)方式，設(shè)計(jì)一套實(shí)現(xiàn)超聲橢圓振動(dòng)的裝置，并將其用于光纖陣列端面的化學(xué)機(jī)械拋光。

通過圓柱形桿的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)方程，確定在共同的超聲振動(dòng)頻率下，換能器能實(shí)現(xiàn)縱向和彎曲復(fù)合振動(dòng)，以最終實(shí)現(xiàn)超聲橢圓振動(dòng)。超聲加工領(lǐng)域普遍使用的超聲振動(dòng)頻率范圍為20～60 kHz，本文選擇36 kHz的超聲振動(dòng)頻率為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

本文所用換能器和變幅桿的材料采用6061鋁合金，電極片為銅，壓電陶瓷為PZT-8。主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 超聲橢圓振動(dòng)裝置材料參數(shù)

1.1 縱彎復(fù)合型超聲橢圓振動(dòng)換能器設(shè)計(jì)

縱彎復(fù)合型超聲橢圓振動(dòng)換能器主要元件包括前蓋板、壓電陶瓷、電極片、中蓋板、后蓋板和連接螺栓，其簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 超聲振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic of ultrasonic elliptical vibration device

對(duì)于圓柱形結(jié)構(gòu)的超聲換能器，結(jié)合縱向振動(dòng)頻率方程

(1)

當(dāng)換能器材料為6061鋁合金材料時(shí)，計(jì)算得到各階參數(shù)見表2，換能器的超聲縱向振動(dòng)的諧振曲線如圖2虛線所示。

表2 圓柱形超聲換能器縱向振動(dòng)階次

據(jù)Timoshenko桿理論，圓柱形桿件的彎曲振動(dòng)頻率方程[13]

(2)

式中：w為角頻率,rad/s；A為橫截面積，m2；ρ為材料密度，kg/m3；I為慣性矩，m4；k’G為有效抗剪模量，N/m2；υ為泊松比。

可得到等截面圓柱形桿件的超聲彎曲振動(dòng)的諧振曲線如圖2實(shí)線所示。

圖2 圓柱形桿件縱向振動(dòng)、彎曲振動(dòng)的諧振曲線(Li-第i階縱向振動(dòng)，F(xiàn)i-第i階彎曲振動(dòng))Fig.2 Longitudinal and flexural vibration curves of cylinder (Li, i-th order longitudinal vibration; Fi, i-th order flexual vibration)

為了使得換能器能實(shí)現(xiàn)同一個(gè)振動(dòng)頻率下的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，可分別通過圓柱形桿的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)方程得到兩種振動(dòng)模式下的諧振曲線，求得兩條曲線的交點(diǎn)，該點(diǎn)能同時(shí)滿足縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的要求，從而以該交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)完成換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后考慮加入壓電陶瓷后的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行相應(yīng)的尺寸調(diào)整，即可達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

對(duì)于縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，超聲振動(dòng)換能器與變幅桿的結(jié)構(gòu)可依據(jù)對(duì)應(yīng)振動(dòng)的半波長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而彎曲振動(dòng)并不滿足，因此不能獨(dú)立設(shè)計(jì)縱彎復(fù)合型超聲橢圓振動(dòng)裝置的換能器與變幅桿，而需要一體化設(shè)計(jì)換能器與變幅桿。要求桿件同時(shí)實(shí)現(xiàn)縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，即同時(shí)在縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)諧振曲線上，所以只有縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)諧振曲線的交點(diǎn)能滿足該要求。根據(jù)圖2所示的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)理論所得振動(dòng)曲線，求得圓柱形換能器縱彎同頻共振特征交點(diǎn)，如表3所示。

表3 圓柱形換能器縱彎同頻共振特征參數(shù)

根據(jù)以上交點(diǎn)所求得的桿件都能實(shí)現(xiàn)縱向和彎曲同頻振動(dòng)，然而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要考慮限制因素，主要有：

(1)換能器要求縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)都應(yīng)在2階次及以上。因?yàn)樾枰辽賰蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)用用來(lái)放置縱向振動(dòng)的壓電陶瓷，另一個(gè)結(jié)合變幅桿上的節(jié)點(diǎn)用來(lái)固定超聲裝置。

(2)換能器及整個(gè)超聲裝置不能太長(zhǎng)、太粗，以免阻抗過大。

(3)對(duì)于超聲拋光、超聲鉆孔以及超聲焊接輕負(fù)載的換能器，其長(zhǎng)度需要使得其可在縱向振動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置安裝縱向振動(dòng)壓電陶瓷，且在該節(jié)點(diǎn)位置沒有彎曲振動(dòng)，以發(fā)揮壓電陶瓷的縱向振動(dòng)的效能。在彎曲振動(dòng)波峰位置安裝彎曲振動(dòng)壓電陶瓷，并滿足末端與變幅桿連接位置為彎曲振動(dòng)的波峰位置。

基于上述原則及表3，選擇換能器振動(dòng)形式為：縱向振動(dòng)2階次，彎曲振動(dòng)6階次。本文選擇超聲振動(dòng)頻率為36 kHz，此時(shí)從諧振曲線取2階縱向振動(dòng)模式和6階彎曲振動(dòng)模式的交點(diǎn)，其交點(diǎn)坐標(biāo)為fd1=518.622 kHz·mm，fl=5 055.250 kHz·mm。根據(jù)共振頻率f=36 kHz，可以得到換能器的直徑d1=14.41 mm，換能器長(zhǎng)度l=140.423 6 mm。

在確定總體結(jié)構(gòu)尺寸后，需考慮壓電陶瓷的安裝位置。由此，需要對(duì)超聲振動(dòng)裝置的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的振型進(jìn)行分析。由于要求縱向振動(dòng)壓電陶瓷片在縱向振動(dòng)模式中位于共同節(jié)點(diǎn)位置，彎曲振動(dòng)壓電陶瓷片在彎曲振動(dòng)模式中處于最大彎矩處，根據(jù)如圖3所示的簡(jiǎn)化的振型圖，將縱向振動(dòng)壓電陶瓷放在1處，彎曲振動(dòng)壓電陶瓷放在2處，3處為兩種振型共有的節(jié)點(diǎn)位置，用于換能器的安裝和固定。

根據(jù)圖3可得，前蓋板長(zhǎng)度l1=35 mm，中間板長(zhǎng)度l2=35 mm，后蓋板長(zhǎng)度l3=70 mm。在1、2位置分別放置縱向、彎曲超聲振動(dòng)壓電陶瓷片后，換能器的長(zhǎng)度需要進(jìn)行調(diào)整?？v向振動(dòng)模式下，根據(jù)壓電陶瓷的放置引起的修正長(zhǎng)度

(3)

彎曲振動(dòng)模式下，由于壓電陶瓷的放置引起的修正長(zhǎng)度

Δtf=lM=lC

(4)

其中，lM和lC滿足[14]

(5)

算得，Δtl=1.2 mm，Δtf=3.5 mm。從而得到修正后的換能器相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表4所示。

圖3 超聲振動(dòng)換能器的振型簡(jiǎn)化圖Fig.3 Simplified vibration type of ultrasonic transducer

表4 換能器相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

1.2 階梯形縱彎復(fù)合型超聲橢圓振動(dòng)變幅桿設(shè)計(jì)

對(duì)于圓柱形的階梯式結(jié)構(gòu)超聲變幅桿的縱向振動(dòng)，當(dāng)材料為6061鋁合金時(shí)，其縱向振動(dòng)頻率方程與換能器相同。在設(shè)計(jì)階梯形圓柱變幅桿時(shí)，要使變幅桿起到變幅的作用，在截面變化的位置須為節(jié)面，故每一節(jié)要采用1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍來(lái)設(shè)計(jì)，從而各階參數(shù)如表5所示。

表5 變幅桿縱向振動(dòng)階次

只有當(dāng)截面變化的部位處于橫波傳播的波腹位置時(shí)，階梯形圓柱變幅桿才能發(fā)揮放大彎曲振動(dòng)振幅的作用。根據(jù)兩端自由的邊界條件下的振動(dòng)頻率方程

(6)

可得其諧振曲線如圖4虛線所示。

結(jié)合等截面桿的縱向振動(dòng)諧振曲線和彎曲振動(dòng)諧振曲線，得到變幅桿縱彎復(fù)合諧振曲線及其交點(diǎn)，如圖4實(shí)線所示。取圖中交點(diǎn)，得到縱彎同頻共振的結(jié)構(gòu)特征交點(diǎn)坐標(biāo)，如表6所示。

圖4 超聲振動(dòng)變幅桿的縱彎復(fù)合振動(dòng)諧振曲線(Li為第i階縱向振動(dòng)，F(xiàn)i為第i階彎曲振動(dòng))Fig.4 Longitudinal and flexural vibration curves of horn (Li, i-th order longitudinal vibration; Fi, i-th order flexual vibration)

表6 變幅桿縱彎同頻共振特征參數(shù)

變幅桿首尾端都為縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的波峰位置，變幅桿本身截面變化位置為縱向振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)位置、彎曲振動(dòng)的波峰位置，另一般要求變幅桿直徑不大于換能器直徑，因此，選擇縱向振動(dòng)1.5階次，彎曲振動(dòng)5階次，從而得到變幅桿第一節(jié)長(zhǎng)度為105 mm，直徑11.19 mm。同理，變幅桿第二節(jié)選擇縱向振動(dòng)1.5階次，彎曲振動(dòng)2階次，得到變幅桿第二節(jié)長(zhǎng)度為35 mm，直徑8.8 mm。最終確定的縱彎復(fù)合型超聲振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表7 縱彎復(fù)合型超聲振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 縱彎復(fù)合型超聲橢圓振動(dòng)裝置的有限元分析

換能器系統(tǒng)的有限元分析基于結(jié)構(gòu)離散化為單元與節(jié)點(diǎn)的方式能形象直觀反映整個(gè)系統(tǒng)可能存在的振動(dòng)模態(tài)和不同激勵(lì)下的響應(yīng)，從而更直觀地分析其振動(dòng)特性，驗(yàn)證換能器設(shè)計(jì)。

本節(jié)將分析縱彎復(fù)合型超聲橢圓振動(dòng)裝置的振型，計(jì)入壓電陶瓷材料特性，在ANSYS有限元分析軟件平臺(tái)上構(gòu)建超聲橢圓振動(dòng)裝置的動(dòng)力學(xué)模型，研究裝置的固有振動(dòng)特性、模態(tài)和諧響應(yīng)行為。

2.1 超聲橢圓振動(dòng)裝置的振型分析

超聲橢圓振動(dòng)裝置主要由換能器和變幅桿組成。本文所設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)系統(tǒng)中，換能器產(chǎn)生2階縱向振動(dòng)和6階彎曲振動(dòng)，而超聲變幅桿產(chǎn)生2階縱向振動(dòng)和7階彎曲振動(dòng)，整個(gè)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的振型簡(jiǎn)化圖如圖5所示。其中，位置1處為縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的共同節(jié)點(diǎn)位置，用于安裝縱向振動(dòng)壓電陶瓷；位置2處為彎曲振動(dòng)波峰位置，用于安裝彎曲振動(dòng)壓電陶瓷；位置3處為縱向振動(dòng)彎曲振動(dòng)共有的節(jié)點(diǎn)位置，用于換能器的安裝固定，位置4為近似共有節(jié)點(diǎn)位置，用于施加拋光壓力。

圖5 超聲振動(dòng)裝置的振型簡(jiǎn)化圖Fig.5 Simplified vibration type of ultrasonic elliptical vibration device

2.2 超聲橢圓振動(dòng)裝置有限元分析

基于上述過程在ANSYS平臺(tái)中對(duì)所設(shè)計(jì)的換能器和變幅桿建模并進(jìn)行分析。采用Block Lanczos模態(tài)分析方法計(jì)算所得36 kHz左右的振動(dòng)模態(tài)分析結(jié)果如圖6所示，軸向各點(diǎn)的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)振型如圖7所示。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了頻率為36 kHz下的縱彎復(fù)合振動(dòng)。當(dāng)該振動(dòng)系統(tǒng)受到外界對(duì)應(yīng)頻率的激勵(lì)時(shí)，振動(dòng)模態(tài)就會(huì)被激發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)。

(a)35.516 kHz下縱向振動(dòng)模態(tài) (b)36.153 kHz下彎曲振動(dòng)模態(tài)圖6 振動(dòng)模態(tài)Fig.6 Vibration mode

(a)35.516 kHz下4階縱向振動(dòng)振型

(b)36.153 kHz下13階彎曲振動(dòng)振型圖7 振型Fig.7 Vibration type

對(duì)縱彎復(fù)合型超聲振動(dòng)系統(tǒng)在30 kHz和40 kHz之間進(jìn)行諧響應(yīng)分析，所得分析結(jié)果如圖8所示?？芍?5.5 kHz左右，可以基本實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的縱彎復(fù)合同頻共振。

圖8 超聲縱彎復(fù)合振動(dòng)系統(tǒng)諧響應(yīng)分析Fig.8 Harmonic response analysis of ultrasonic elliptical vibration device

3 縱彎復(fù)合型超聲橢圓振動(dòng)裝置的驗(yàn)證與測(cè)試

3.1 阻抗分析

利用PV70A型超聲阻抗分析儀對(duì)所設(shè)計(jì)的縱彎復(fù)合型超聲橢圓振動(dòng)裝置進(jìn)行掃頻激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試其諧振頻率。通過開關(guān)分別控制縱向和彎曲振動(dòng)的啟停，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表8所示，實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)值與理論設(shè)計(jì)和有限元分析較為吻合，滿足設(shè)計(jì)要求。

表8 縱彎復(fù)合型超聲橢圓振動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率理論值與測(cè)試結(jié)果

3.2 縱彎復(fù)合型超聲橢圓振動(dòng)裝置的振動(dòng)位移測(cè)試

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的縱彎復(fù)合型超聲振動(dòng)裝置是否能使得工件產(chǎn)生橢圓振動(dòng)，采用KEYENCE公司的LK-G5001V型激光位移傳感器對(duì)工件位移進(jìn)行測(cè)試。聲波發(fā)生器為深圳綠源軒電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的X3-D型。測(cè)量時(shí)超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲振動(dòng)頻率為35.3 kHz，功率為480 W。

通過非接觸式的位移傳感器分別測(cè)出變幅桿末端的豎直方向振動(dòng)位移和水平方向振動(dòng)位移，結(jié)果如圖9所示，縱向超聲振動(dòng)的振幅為3 μm，彎曲超聲振動(dòng)的振幅為2.5 μm。

4 超聲橢圓振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光實(shí)驗(yàn)

4.1 超聲振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光光纖陣列實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)前述的超聲橢圓振動(dòng)裝置，設(shè)計(jì)了一套光纖陣列組件端面的超聲橢圓振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光(Ultrasonic Elliptic Vibration Assisted Chemical Mechanical Polishing, UEV-CMP)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

(a)豎直方向振動(dòng)位移(Z向)

(b)水平方向振動(dòng)位移(X向)圖9 振動(dòng)位移測(cè)試結(jié)果Fig.9 Vibration distance

圖10 超聲橢圓振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光系統(tǒng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of UEV-CMP system

拋光實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由超聲振動(dòng)裝置和拋光機(jī)組成，超聲振動(dòng)裝置包括超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿等組成部分。超聲波發(fā)生器能將50 Hz的普通電信號(hào)轉(zhuǎn)換成20～50 kHz的高頻交流電信號(hào)。拋光過程中的拋光壓力可通過改變施加在變幅桿節(jié)點(diǎn)位置的配重進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)開關(guān)1和2保持?jǐn)嚅_狀態(tài)時(shí)，沒有壓電陶瓷被激勵(lì)，安裝在變幅桿末端的工件也無(wú)法產(chǎn)生超聲振動(dòng)，此時(shí)的拋光即為常規(guī)化學(xué)機(jī)械拋光；當(dāng)開關(guān)1閉合，開關(guān)2斷開時(shí)，只有縱向振動(dòng)壓電陶瓷被激勵(lì)，工件也只能沿水平方向做超聲振動(dòng)，此時(shí)的拋光稱為水平超聲振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光(Ultrasonic Horizontal Vibration Assisted Chemical Mechanical Polishing, UHV-CMP)；當(dāng)開關(guān)1斷開，開關(guān)2閉合時(shí)，只有彎曲振動(dòng)壓電陶瓷被激勵(lì)，工件也只能沿豎直方向做超聲振動(dòng)，此時(shí)的拋光即為豎直方向超聲振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光(Ultrasonic Vertical Vibration Assisted Chemical Mechanical Polishing, UVV-CMP)；當(dāng)開關(guān)1和2同時(shí)閉合時(shí)，縱向振動(dòng)壓電陶瓷和彎曲振動(dòng)壓電陶瓷同時(shí)被同頻電信號(hào)激勵(lì)，超聲振動(dòng)裝置產(chǎn)生縱彎復(fù)合振動(dòng)，帶動(dòng)變幅桿末端的工件實(shí)現(xiàn)超聲橢圓振動(dòng)，此時(shí)的拋光即為超聲橢圓振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光(UEV-CMP)。

為了探究超聲振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光工藝對(duì)光纖陣列非均質(zhì)端面拋光效果的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了一組拋光實(shí)驗(yàn)，拋光工藝參數(shù)如表9所示。拋光試件為8芯光纖陣列，每組試樣為20個(gè)。通過控制如圖10所示的開關(guān)1和2的通斷，從而控制施加于工件上的超聲振動(dòng)類型。

表9 超聲振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.2 光纖陣列端面的拋光質(zhì)量

采用常規(guī)CMP、UHV-CMP、UVV-CMP和UEV-CMP拋光工藝分別拋光20個(gè)光纖陣列組件，應(yīng)用Vecoo測(cè)得陣列端面的表面粗糙度平均值圖11所示，采用常規(guī)CMP、UHV-CMP、UVV-CMP、UEV-CMP等不同工藝光纖陣列端面進(jìn)行拋光，光纖陣列端面的表面粗糙度依次降低，加工效果依次提升。

圖11 不同拋光工藝下光纖端面的表面粗糙度Fig.11 The relations between MRR, roughness and polishing process

圖12所示為每組隨機(jī)抽取單個(gè)樣件的端面形貌和粗糙度輪廓。對(duì)比不同拋光工藝下光纖陣列端面纖芯區(qū)域表面形貌可以發(fā)現(xiàn)，采用常規(guī)CMP工藝拋光造成光纖纖芯區(qū)域下凹，纖芯端表面劃痕較多；采用UHV-CMP工藝拋光，纖芯端表面的不規(guī)則劃痕有所改善，但是仍然會(huì)引起纖芯區(qū)域的下凹；采用UVV-CMP工藝拋光，光纖纖芯區(qū)域的下凹有明顯改善，但纖芯端表面仍存在許多小凹點(diǎn)；采用UEV-CMP工藝拋光，既能解決光纖纖芯區(qū)域的凹陷問題，也能使纖芯端面表面的微觀缺陷得到明顯改善，能實(shí)現(xiàn)光纖陣列端面的全局平坦化和表面質(zhì)量的提高。

圖12 不同拋光工藝下光纖端面的表面形貌和粗糙度輪廓Fig.12 Surface morphology and roughness profile of fiber array end-face after the different polishing process

5 結(jié) 論

本文通過研究桿件的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種縱彎復(fù)合型超聲橢圓振動(dòng)裝置，并將其用于光纖陣列端面的CMP工藝。通過實(shí)驗(yàn)探究了超聲對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光過程和拋光效果的影響，證明超聲橢圓振動(dòng)輔助化學(xué)機(jī)械拋光既能加快表面材料的去除速率，又能改善光纖陣列非均質(zhì)端面的表面質(zhì)量，是一種較為理想的拋光工藝。得到了以下主要結(jié)論：

(1)基于圓柱形桿的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)基本方程，研制了一種縱彎復(fù)合型超聲橢圓振動(dòng)裝置，并對(duì)其進(jìn)行了有限元方法的模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，結(jié)果驗(yàn)證了超聲振動(dòng)系統(tǒng)分別在36.124 kHz和35.524 kHz下實(shí)現(xiàn)振動(dòng)系統(tǒng)13階次的彎曲振動(dòng)和4階次的縱向振動(dòng)。

(2)通過對(duì)加工后的振動(dòng)裝置進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了超聲振動(dòng)系統(tǒng)在35.3 kHz下分別實(shí)現(xiàn)了水平方向3 μm和豎直方向2.5 μm的同頻超聲振動(dòng)。

(3)將該縱彎復(fù)合型超聲橢圓振動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于光纖陣列的化學(xué)機(jī)械拋光過程，拋光后石英玻璃光纖的表面粗糙度低至27.58 nm，相較于常規(guī)CMP工藝極大提高了表面質(zhì)量，基本實(shí)現(xiàn)了光纖陣列端面的全局平坦化。

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