波導(dǎo)耦合應(yīng)用一之光纖準(zhǔn)直器篇

發(fā)布時(shí)間：2025-09-19 13:44:57 人氣：

波導(dǎo)耦合應(yīng)用之

光纖準(zhǔn)直器篇

TECHNICAL REPORT

#前言#

光纖準(zhǔn)直器作為光通信、光傳感及激光系統(tǒng)中最為常見(jiàn)且重要的基礎(chǔ)器件，其作用不僅在于實(shí)現(xiàn)光纖與自由空間之間的高效光學(xué)耦合，更是各類光波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)與器件封裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著光通信速率不斷提升以及光子學(xué)研究的深入發(fā)展，對(duì)光纖準(zhǔn)直器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、耦合工藝和性能指標(biāo)方面提出了更高的要求。本文將系統(tǒng)介紹光纖準(zhǔn)直器的工作原理、核心組件，并詳細(xì)闡述典型的耦合工藝流程。

核心目標(biāo)

實(shí)物圖

示意圖

光纖準(zhǔn)直器的主要任務(wù)是：

正向：將單模光纖纖芯中發(fā)出的發(fā)散光束，經(jīng)透鏡轉(zhuǎn)換為發(fā)散角極小、近似平行的準(zhǔn)直光束；

反向：也能將空間中的準(zhǔn)直光束高效耦合回光纖。

因此，它既是光通信、光傳感、激光系統(tǒng)中的基礎(chǔ)器件，也是光波導(dǎo)耦合實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。

基本原理

其工作原理基于幾何光學(xué)中的準(zhǔn)直概念：

光纖作為點(diǎn)光源：以單模光纖為例（纖芯直徑約 8–10 μm），其出射光近似為點(diǎn)光源，發(fā)出高斯分布的球面波，發(fā)散角較大。

透鏡的變換作用：在光纖端面前方放置凸透鏡或漸變折射率透鏡（GRIN），即可改變波前形態(tài)。

焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)：當(dāng)光纖端面位于透鏡焦點(diǎn)上時(shí)，出射光束將轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)直光（平行光）；反之，外部準(zhǔn)直光聚焦到焦點(diǎn)時(shí)也能高效耦合進(jìn)光纖。

關(guān)鍵材料與組件

光纖準(zhǔn)直器組件示意圖

帶尾纖的插芯 (Pigtailed Ferrule)
插芯是光纖連接器的核心部件，通常為陶瓷管（也可用金屬或塑料），中間有精密微孔（直徑約 125 μm，與光纖包層匹配）。其作用是：

精準(zhǔn)固定和保護(hù)光纖；
在連接時(shí)實(shí)現(xiàn)超高精度對(duì)準(zhǔn)，降低插入損耗和回波損耗。

透鏡 (Lens)

GRIN 透鏡 (Gradient-Index Lens)：折射率從中心向邊緣漸變，常用 1/4 pitch 或 1/2 pitch 設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊、像差小，端面平整，便于與光纖或?yàn)V波片粘接。常用于 WDM 模塊。
C-Lens (球面透鏡)：由石英棒端面球面加工而成，加工簡(jiǎn)單、成本低。但存在球差，耦合效率略低于非球面透鏡，裝配緊湊性不足。
非球面透鏡 (Aspheric Lens)：能有效消除球差，獲得最佳準(zhǔn)直效果和最高耦合效率。但價(jià)格高、裝配精度要求極高，多見(jiàn)于科研或高端應(yīng)用場(chǎng)景。

補(bǔ)充說(shuō)明：0° 端面 GRIN 透鏡適合一般準(zhǔn)直；8° 端面切割的 GRIN 透鏡可降低反射回纖，提升回波損耗性能，因此常用于光通信模塊。

0°平面端 GRIN透鏡↑ 8° 斜面 GRIN透鏡↑

玻璃套管 (Mating Sleeve)
精密加工的金屬或玻璃管，用于固定光纖與透鏡的相對(duì)位置，保證同心度和機(jī)械強(qiáng)度。

膠水 (Adhesive)
常用低收縮環(huán)氧膠或紫外固化膠，要求低熒光、耐溫、耐潮濕。固化后能長(zhǎng)期保持光學(xué)穩(wěn)定性。

制作與耦合過(guò)程

光纖準(zhǔn)直器的組裝是一個(gè)高精度工藝，通常在潔凈環(huán)境中進(jìn)行。

1. 準(zhǔn)備與固定

使用光波導(dǎo)耦合系統(tǒng)，將帶尾纖的插芯和 GRIN 透鏡分別固定在六維位移臺(tái)上（XYZ 平移 + Pitch、Yaw、Roll 三個(gè)角度）。玻璃套管由獨(dú)立夾具固定，以保證精密對(duì)準(zhǔn)。

耦合平臺(tái)觀察系統(tǒng)中光纖準(zhǔn)直器部件成像示意圖↑

六軸位移臺(tái)以及玻璃套管位移臺(tái)示意圖↑

2. 粗調(diào)與主動(dòng)對(duì)準(zhǔn) (Active Alignment)

在光纖另一端接入激光光源（如 1550 nm DFB 激光器）。
在透鏡出射端放置光功率計(jì)或遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分析儀。
微調(diào)光纖與透鏡的相對(duì)位置，觀察光斑大小或輸出功率。
當(dāng)光束發(fā)散角最小、光功率最大時(shí)，即找到最佳焦點(diǎn)位置。
在實(shí)際生產(chǎn)中，也常通過(guò)“耦合到另一根參考光纖并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功率”來(lái)優(yōu)化位置。

0°角GRIN透鏡和帶尾纖的插芯對(duì)準(zhǔn)耦合示意圖↑

8°角GRIN透鏡和帶尾纖的插芯對(duì)準(zhǔn)耦合示意圖↑

3. 固化與封裝 (Curing)

在最佳位置點(diǎn)膠，將光纖與透鏡固定于套管內(nèi)。
使用紫外燈或加熱固化膠水，使結(jié)構(gòu)永久鎖定在最佳耦合狀態(tài)。
封裝完成后，還需進(jìn)行回波損耗與插入損耗測(cè)試，確保器件性能符合標(biāo)準(zhǔn)。

光纖準(zhǔn)直器示意圖↑

總結(jié)與應(yīng)用價(jià)值

光纖準(zhǔn)直器通過(guò)“帶尾纖插芯 + GRIN/C-Lens + 玻璃套管 + 膠水”的組合，實(shí)現(xiàn)了將微米級(jí)光纖出射光束轉(zhuǎn)化為宏觀可控的準(zhǔn)直光，是光通信器件、光纖傳感系統(tǒng)、激光器件和科研實(shí)驗(yàn)中不可或缺的核心元件。

在實(shí)際生產(chǎn)中，高精度光波導(dǎo)耦合系統(tǒng)是確保準(zhǔn)直器高效率與高一致性的關(guān)鍵。我司自主研發(fā)的光波導(dǎo)耦合系統(tǒng)，支持六維精密調(diào)節(jié)、可進(jìn)行功率監(jiān)控與點(diǎn)膠固化，能夠顯著提升準(zhǔn)直器及相關(guān)光學(xué)器件的生產(chǎn)效率與可靠性。