波导耦合应用之光纤准直器篇

发布时间：2025-09-19 13:44:57 人气：

波导耦合应用之

光纤准直器篇

TECHNICAL REPORT

#前言#

光纤准直器作为光通信、光传感及激光系统中最为常见且重要的基础器件，其作用不仅在于实现光纤与自由空间之间的高效光学耦合，更是各类光波导实验与器件封装的关键环节。随着光通信速率不断提升以及光子学研究的深入发展，对光纤准直器在结构设计、耦合工艺和性能指标方面提出了更高的要求。本文将系统介绍光纤准直器的工作原理、核心组件，并详细阐述典型的耦合工艺流程。

核心目标

实物图

示意图

光纤准直器的主要任务是：

正向：将单模光纤纤芯中发出的发散光束，经透镜转换为发散角极小、近似平行的准直光束；

反向：也能将空间中的准直光束高效耦合回光纤。

因此，它既是光通信、光传感、激光系统中的基础器件，也是光波导耦合实验与生产的重要环节。

基本原理

其工作原理基于几何光学中的准直概念：

光纤作为点光源：以单模光纤为例（纤芯直径约 8–10 μm），其出射光近似为点光源，发出高斯分布的球面波，发散角较大。

透镜的变换作用：在光纤端面前方放置凸透镜或渐变折射率透镜（GRIN），即可改变波前形态。

焦点对准：当光纤端面位于透镜焦点上时，出射光束将转化为准直光（平行光）；反之，外部准直光聚焦到焦点时也能高效耦合进光纤。

关键材料与组件

光纤准直器组件示意图

带尾纤的插芯 (Pigtailed Ferrule)
插芯是光纤连接器的核心部件，通常为陶瓷管（也可用金属或塑料），中间有精密微孔（直径约 125 μm，与光纤包层匹配）。其作用是：

精准固定和保护光纤；
在连接时实现超高精度对准，降低插入损耗和回波损耗。

透镜 (Lens)

GRIN 透镜 (Gradient-Index Lens)：折射率从中心向边缘渐变，常用 1/4 pitch 或 1/2 pitch 设计，结构紧凑、像差小，端面平整，便于与光纤或滤波片粘接。常用于 WDM 模块。
C-Lens (球面透镜)：由石英棒端面球面加工而成，加工简单、成本低。但存在球差，耦合效率略低于非球面透镜，装配紧凑性不足。
非球面透镜 (Aspheric Lens)：能有效消除球差，获得最佳准直效果和最高耦合效率。但价格高、装配精度要求极高，多见于科研或高端应用场景。

补充说明：0° 端面 GRIN 透镜适合一般准直；8° 端面切割的 GRIN 透镜可降低反射回纤，提升回波损耗性能，因此常用于光通信模块。