作者姓名：帥詞俊
論文題目：熔錐型光纖器件的流變成形機理、規(guī)律與技術研究
作者簡介：帥詞俊，男，1976年10月出生，2002年9月師從于中南大學鐘掘教授，于2006年12月獲博士學位。

中文摘要
熔錐型光纖器件是光纖通信中最具代表性也是構(gòu)成其他器件的基礎器件，熔融拉錐流變成形是制造光纖耦合器、波分復用器、光濾波器等光纖器件的通用方法。從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，目前對熔錐型光纖器件的光學原理與光學設計分析較多，而從制造科學角度研究熔融拉錐流變制造過程的機理與規(guī)律仍不足，尤其對制造工藝參數(shù)與器件的微觀結(jié)構(gòu)及光學性能的相關機制缺乏基礎研究，使制造過程某些工藝效果仍由技藝和經(jīng)驗決定。以致器件的性能不理想，效率和成品率低，成本高。我國目前的熔錐型光纖器件的制造技術、熔融拉錐裝備主要依賴進口。
熔錐型光纖器件中最為典型的器件是光纖耦合器，其用量在光無源器件中居第二位，其功能是使傳輸中的光信號在特殊結(jié)構(gòu)的熔錐區(qū)發(fā)生耦合，實現(xiàn)分（合）光。其制造過程為：將兩根去除涂覆層的單模（或多模）光纖以一定的方式靠攏，在高溫下加熱熔融，同時向兩側(cè)拉伸，最終產(chǎn)生一段雙向圓錐結(jié)構(gòu)，入射的光功率在這個雙錐體結(jié)構(gòu)的熔錐區(qū)發(fā)生光功率再分配，一部分光功率從“直通臂”繼續(xù)傳輸，另一部分光從“耦合臂”傳輸?shù)搅硪还饴?，實現(xiàn)光功率的分配。
論文以光纖耦合器為代表，針對目前市場上廣為應用的光纖器件存在的性能問題，如合格產(chǎn)品的光學性能差異，成品率不高所反映的制備工藝優(yōu)化與穩(wěn)定問題，如何進一步降低附加損耗等，從光纖耦合器流變成形制造的角度，分析了流變制造工藝參數(shù)如拉錐速度與熔融溫度及其擾動對流變制造成形過程、微觀結(jié)構(gòu)與器件光學性能的影響，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有燃燒氣體火焰的加熱方式不能滿足高性能光纖器件的流變制造技術要求，提出、設計并制造了一種新型的電阻加熱系統(tǒng)和熔融拉錐機。
論文具體的創(chuàng)新性研究有：
1．在熔融拉錐機上，實驗獲得了溫度外場、拉錐速度等制造工藝參
數(shù)對器件光功率損耗、分光比等性能參數(shù)的影響規(guī)律。
2．在掃描電子顯微鏡下，實驗發(fā)現(xiàn)了光纖耦合器表面存在微裂紋與析晶等缺陷，獲得了工藝參數(shù)對熔錐區(qū)微觀形貌的影響規(guī)律，找到了微觀形貌與器件性能之間的關聯(lián)規(guī)律。
3．以光纖玻璃微觀結(jié)構(gòu)的基本單元Si－O－Si鍵為研究對象，基于分子振動與紅外光譜理論，建立了1100cm－1紅外特征峰與Si－O－Si鍵角的關聯(lián)數(shù)學模型。
4．利用顯微紅外光譜儀，實驗發(fā)現(xiàn)并查明了器件折射率分布不均勻、分光比一致性差等光學性能變異的根本原因在于制造過程材料分子結(jié)構(gòu)的變化。
5．針對光纖玻璃在轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域的流變行為與粘彈松弛特性，提出了面向有限元分析的松弛函數(shù)的轉(zhuǎn)換算法，解決了理論模型中粘彈松弛模量的表達和數(shù)值分析中的參數(shù)變換問題。
6．建立了光纖耦合器熔融拉錐有限元計算模型，實現(xiàn)了光纖拉錐流變?nèi)^程數(shù)值仿真，可預測分析器件制造參數(shù)對流變制造過程的影響。
7．發(fā)現(xiàn)制造過程影響熔融拉錐體光傳輸性能提高的物理本質(zhì)是：現(xiàn)有生產(chǎn)裝備與工藝所提供的流變外場不能提供符合熔錐均勻連續(xù)流變的三維能場狀態(tài)，熔錐流變不均勻使分子結(jié)構(gòu)參數(shù)變化差異，內(nèi)應力的產(chǎn)生與殘留影響光學性能的部分喪失。
8．提出一種制造區(qū)光纖溫度均勻化，內(nèi)應力極小化的溫度外場模型和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，研制了一種新型電阻加熱器和其溫控系統(tǒng)，將熔融溫度的穩(wěn)定性由原來的5~30℃提高到小于1.5℃。
9．基于新型的電阻加熱器，研制了一種高品質(zhì)的新型熔融拉錐機，成倍地提高了器件性能的一致性，其中光功率損耗的一致性提高5倍、分光比的一致性提高4倍、拉錐長度的一致性提高20倍。

關鍵詞：??熔融拉錐，光纖耦合器，流變成形，粘彈性，非晶體