一、核心目標

光纖準直器的核心目標是：將光纖纖芯中發(fā)出的發(fā)散光束，通過透鏡轉(zhuǎn)換為發(fā)散角極?。ń跗叫校┑臏手惫馐环粗?，也能將空間中的準直光束高效地耦合回光纖中。

二、基本原理：將光纖端面置于透鏡焦點

其工作原理基于幾何光學中的準直概念：

1. 光纖作為點光源：光從單模光纖的纖芯末端出射時，由于其尺寸極?。s9μm），可以看作是一個點光源，發(fā)出具有較大發(fā)散角的球面波（高斯光束）。

2. 透鏡的變換作用：將一個凸透鏡（或具有類似功能的自聚焦透鏡）放置在這個點光源的前方。

3. 焦點對準：當光纖端面被精確地放置在透鏡的焦點（Focal Point）上時，從透鏡另一端出射的光就會變?yōu)?span style="font-size: 20px; font-weight: bold;">準直光（平行光）。

三、關鍵組件與材料

1、帶尾纖的插芯（Pigtailed Ferrule） ：就是一個光纖連接器（插芯）與一段光纖（尾纖）永久性地連接在一起形成的組件。插芯是光纖連接器的核心部件，是一個精密（通常是陶瓷，也可以是金屬或塑料）的圓柱體，中間有一個極細的微孔（直徑約125微米，和頭發(fā)絲差不多）。

• 作用：它的唯一作用就是精準地固定和保護一根光纖，并使兩根光纖在連接時能夠?qū)崿F(xiàn)超高精度的對準，從而最大限度地減少光信號在連接點的損耗（插入損耗）和反射（回波損耗）。

2、透鏡 (Lens)：選擇取決于性能、成本和尺寸要求。

• GRIN透鏡 (Gradient-Index Lens)：最常見的選擇。它是一種圓柱形透鏡，折射率從中心到邊緣漸變。優(yōu)點是端面為平面，易于與光纖通過焊接或膠水方式永久固定，結構緊湊，像差小。

GRIN透鏡準直透鏡的出射光束示意圖

0°面向角GRIN透鏡

8°面向角GRIN透鏡

• C-Lens (球面透鏡)：一段加工了球面的石英棒。成本較低，但存在球差，性能略遜于GRIN透鏡。

C-Lens準直透鏡的出射光束示意圖

• 非球面透鏡 (Aspheric Lens)：性能最佳，能完美消除球差，獲得最理想的準直光束和最高耦合效率。但成本最高，裝配精度要求極嚴，常用于高性能場合。

C-lens的端面一端為球面，而G-lens的一端為平面，正是因為這個原因，G-lens準直器可以將某些光學器件直接粘接在該平面上，從而使得模塊可以更緊湊，這是C-lens不具備的特點。在WDM器件中輸入端使用G-lens其中一個原因主要是因為它的耦合面是平的，方便濾波片的粘接。

3、玻璃套管 (Mating Sleeve)：一個精密加工的金屬或玻璃套管，用于精確固定光纖和透鏡的相對位置，并保證其同心度。

4、膠水 (Adhesive)：高性能紫外固化膠（UV膠）或熱固化膠，用于永久固定光纖和透鏡。

光纖準直器由帶尾纖的插芯+C/G-lens+玻璃套管組成，通過環(huán)氧樹脂膠水固定。

G-lens光纖準直器組成示意圖

C-lens光纖準直器組成示意圖

注：

• Filber：光纖；

• Pigtailed Ferrule：帶尾纖的插芯，由光纖+鉆孔的玻璃管組成；

• Mating Sleeve：玻璃套管；

• C-Lens：C-Lens透鏡

四、制作與耦合過程（以GRIN透鏡為例）

這是一個精密的工藝過程，通常在潔凈環(huán)境中進行：

1、準備與固定：

• 首先，需要一臺光波導耦合系統(tǒng)，將帶尾纖的插芯與GRIN透鏡固定再2側(cè)的6維位移臺上，且用夾具夾持玻璃套管如下圖1顯示屏中所示。

圖1

六軸位移臺以及玻璃套管位移臺示意圖

2、粗調(diào)距離 (Active Alignment - 主動對準)：

• （1）這是最關鍵的一步。在光纖另一端接入激光光源（如1550nm DFB激光器）。

• （2）在透鏡的出光口前方放置一個光束質(zhì)量分析儀或光功率計（遠場測量）。

• （3）通過精密三維調(diào)整架，細微地移動光纖或透鏡，改變它們之間的間距。

• （4）同時觀察遠場光斑或功率計讀數(shù)，找到光束發(fā)散角最?。ü獍叱叽缱罘€(wěn)定）或耦合回光纖的能量最大時的位置。這個位置就是理論上的焦點位置。

8°角GRIN透鏡和帶尾纖的插芯對準耦合示意圖

0°角GRIN透鏡和帶尾纖的插芯對準耦合示意圖

0°角和8°角GRIN透鏡插芯、光纖示意圖

3、固化 (Curing)：

• 一旦找到最佳位置，立即使用點膠設備在光纖與套筒、透鏡與套筒的接合處點上一小滴UV膠。

• 用紫外燈照射，使膠水瞬間固化，將整個結構永久鎖定在最佳耦合狀態(tài)。

光纖準直器示意圖

光波導耦合系統(tǒng)示意圖

光波導耦合系統(tǒng)實拍示意圖

光波導耦合系統(tǒng)實拍示意圖