单模激光器专用的透镜光纤 助力实现更高的激光耦合效率

透镜光纤，又称光纤透镜或光纤微透镜，是对光纤端面加工制成具有透镜功能的一类产品。它可用于改变光纤模场大小、形状从而提高系统耦合效率，改变光路传输路径，减少折反光，改变尖端形状来适应于不同环境的成像、传感等。

除了半导体激光器光纤耦合以外，透镜光纤在硅光芯片耦合、光波导耦合、光纤输出扩束和医疗内窥镜照明等领域的应用也逐步得到推广。

提升激光耦合效率的新办法

众所周知，半导体激光芯片发射的光源带有发散角，平行于芯片方向（慢轴）的发散角约为6～12°，垂直于芯片方向（快轴）的发散角约为30～40°（如图1），如果把一根光纤前端平磨后直接插到芯片的发光点去做耦合，在最好的情况下，也只能将30％左右的激光耦合到光纤，造成很大的激光损耗。

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图1 半导体激光芯片发射的激光有发散角

为了实现最高的激光耦合效率，传统的办法是在激光芯片和光纤耦合端之间依次放置快轴准直透镜、慢轴准直透镜和聚焦透镜，把芯片发出的激光先准直后再通过聚焦透镜将激光耦合到光纤中，这种办法可以实现超过80％的耦合效率，但同时需要增加三个透镜物料和装配成本。

目前有一种新型的办法，即在光纤端面做透镜加工，该透镜对芯片发出的激光具有一定聚焦功能，可实现超过75％的激光耦合效率。该方案与半导体激光芯片小型化的要求完美结合，实现小巧高能的目标。福津光电目前已经实现这种透镜光纤批量生产，为客户提供高性价比的激光光纤耦合解决方案。

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a．耦合效率＞80％          b．耦合效率≈30％         c．耦合效率＞75％

图2 三种不同的半导体激光器光纤耦合方案

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图3 光纤透镜耦合应用场景

光纤透镜设计经验与参数

光纤透镜主要是在光纤的前端先做锥形或者楔形处理，然后纤芯的部分做柱面镜或者球面镜精密加工。该光纤端的透镜可以把芯片发射的激光在近场做聚焦耦合处理，可有效提高激光耦合到光纤的效率，因此无论是锥形还是楔形，光纤前端的透镜是最为核心的。由于不同厂家设计的芯片快轴和慢轴发散角都不一样，光纤透镜设计需要与激光芯片近场光斑参数匹配才能达到较高的耦合效率。

光纤透镜设计一般需要考虑以下几个参数：

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图4 透镜光纤各项参数示意图

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图5 单模光纤楔形透镜的远场光斑

（1） 光纤类型Fiber Type：不同的单模光纤模场有差异（如SMF－28E和Hi1060）， 如果使用保偏光纤（PM fiber）还需要了解熊猫对应的轴向，光纤型号的选择主要根据客户终端应用来决定；

（2） 光纤前端透镜的工作距离WD：透镜工作距离太短则调光时容易撞到芯片，太远则与芯片近场光束不匹配，影响耦合效率；

（3） 光纤前端透镜的半径R：该半径直接决定透镜的工作距离和远场光斑；

（4） 光纤斜面夹角?：此夹角对透镜R有一定的约束；

（5） 腰束直径D： 该参数是由透镜半径R和工作距离WD关联；

（6） 剥除长度SL：该参数主要跟光纤固定和胶粘位置有关系；

（7） 透镜前端可以根据需要镀制减反光学薄膜（AR Coating），有效增加透射率。

 

光纤透镜在不同的应用场景需要根据实际用途设计不同的斜面形状，福津光电可以根据客户的需求加工出符合要求的产品。此外，还可以根据客户需求，在光纤透镜另一端装配各种连接头，如FC／PC连接头（带0．9mm松套管或3mm松套管）。

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图6 透镜光纤前端多种斜面形状设计

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图7 透镜光纤实际加工图

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图8 带连接头的透镜光纤

福津光电专注于光纤精密加工和光纤镀膜事业超过10年，可为激光器提供高耦合效率光纤透镜产品。