一、核心目标

光纤准直器的核心目标是：将光纤纤芯中发出的发散光束，通过透镜转换为发散角极小（近乎平行）的准直光束；反之，也能将空间中的准直光束高效地耦合回光纤中。

二、基本原理：将光纤端面置于透镜焦点

其工作原理基于几何光学中的准直概念：

1. 光纤作为点光源：光从单模光纤的纤芯末端出射时，由于其尺寸极小（约9μm），可以看作是一个点光源，发出具有较大发散角的球面波（高斯光束）。

2. 透镜的变换作用：将一个凸透镜（或具有类似功能的自聚焦透镜）放置在这个点光源的前方。

3. 焦点对准：当光纤端面被精确地放置在透镜的焦点（Focal Point）上时，从透镜另一端出射的光就会变为准直光（平行光）。

三、关键组件与材料

1、带尾纤的插芯（Pigtailed Ferrule） ：就是一个光纤连接器（插芯）与一段光纤（尾纤）永久性地连接在一起形成的组件。插芯是光纤连接器的核心部件，是一个精密（通常是陶瓷，也可以是金属或塑料）的圆柱体，中间有一个极细的微孔（直径约125微米，和头发丝差不多）。

• 作用：它的唯一作用就是精准地固定和保护一根光纤，并使两根光纤在连接时能够实现超高精度的对准，从而最大限度地减少光信号在连接点的损耗（插入损耗）和反射（回波损耗）。

2、透镜 (Lens)：选择取决于性能、成本和尺寸要求。

• GRIN透镜 (Gradient-Index Lens)：最常见的选择。它是一种圆柱形透镜，折射率从中心到边缘渐变。优点是端面为平面，易于与光纤通过焊接或胶水方式永久固定，结构紧凑，像差小。

GRIN透镜准直透镜的出射光束示意图

0°面向角GRIN透镜示意图

8°面向角GRIN透镜示意图

• C-Lens (球面透镜)：一段加工了球面的石英棒。成本较低，但存在球差，性能略逊于GRIN透镜。

C-Lens准直透镜的出射光束示意图

• 非球面透镜 (Aspheric Lens)：性能最佳，能完美消除球差，获得最理想的准直光束和最高耦合效率。但成本最高，装配精度要求极严，常用于高性能场合。

C-lens的端面一端为球面，而G-lens的一端为平面，正是因为这个原因，G-lens准直器可以将某些光学器件直接粘接在该平面上，从而使得模块可以更紧凑，这是C-lens不具备的特点。在WDM器件中输入端使用G-lens其中一个原因主要是因为它的耦合面是平的，方便滤波片的粘接。

3、玻璃套管 (Mating Sleeve)：一个精密加工的金属或玻璃套管，用于精确固定光纤和透镜的相对位置，并保证其同心度。

4、胶水 (Adhesive)：高性能紫外固化胶（UV胶）或热固化胶，用于永久固定光纤和透镜。

光纤准直器由带尾纤的插芯+C/G-lens+玻璃套管组成，通过环氧树脂胶水固定。

G-lens光纤准直器组成示意图

C-lens光纤准直器组成示意图

注：

• Filber：光纤；

• Pigtailed Ferrule：带尾纤的插芯，由光纤+钻孔的玻璃管组成；

• Mating Sleeve：玻璃套管；

• C-Lens：C-Lens透镜

四、制作与耦合过程（以GRIN透镜为例）

这是一个精密的工艺过程，通常在洁净环境中进行：

1、准备与固定：

• 首先，需要一台光波导耦合系统，将带尾纤的插芯与GRIN透镜固定再2侧的6维位移台上，且用夹具夹持玻璃套管如下图1显示屏中所示。

图1

六轴位移台以及玻璃套管位移台示意图

2、粗调距离 (Active Alignment - 主动对准)：

（1）这是最关键的一步。在光纤另一端接入激光光源（如1550nm DFB激光器）。

（2）在透镜的出光口前方放置一个光束质量分析仪或光功率计（远场测量）。

（3）通过精密三维调整架，细微地移动光纤或透镜，改变它们之间的间距。

（4）同时观察远场光斑或功率计读数，找到光束发散角最小（光斑尺寸最稳定）或耦合回光纤的能量最大时的位置。这个位置就是理论上的焦点位置。

8°角GRIN透镜和带尾纤的插芯对准耦合示意图

0°角GRIN透镜和带尾纤的插芯对准耦合示意图

0°角和8°角GRIN透镜插芯、光纤示意图

3、固化 (Curing)：

• 一旦找到最佳位置，立即使用点胶设备在光纤与套筒、透镜与套筒的接合处点上一小滴UV胶。

• 用紫外灯照射，使胶水瞬间固化，将整个结构永久锁定在最佳耦合状态。

光纤准直器示意图

光波导耦合系统示意图

光波导耦合系统实拍示意图

光波导耦合系统实拍示意图