透鏡光纖，又稱光纖透鏡或光纖微透鏡，是對光纖端面加工制成具有透鏡功能的一類產(chǎn)品。它可用于改變光纖模場大小、形狀從而提高系統(tǒng)耦合效率，改變光路傳輸路徑，減少折反光，改變尖端形狀來適應于不同環(huán)境的成像、傳感等。

除了半導體激光器光纖耦合以外，透鏡光纖在硅光芯片耦合、光波導耦合、光纖輸出擴束和醫(yī)療內(nèi)窺鏡照明等領(lǐng)域的應用也逐步得到推廣。

提升激光耦合效率的新辦法

眾所周知，半導體激光芯片發(fā)射的光源帶有發(fā)散角，平行于芯片方向（慢軸）的發(fā)散角約為6～12°，垂直于芯片方向（快軸）的發(fā)散角約為30～40°（如圖1），如果把一根光纖前端平磨后直接插到芯片的發(fā)光點去做耦合，在最好的情況下，也只能將30％左右的激光耦合到光纖，造成很大的激光損耗。

圖1 半導體激光芯片發(fā)射的激光有發(fā)散角

為了實現(xiàn)最高的激光耦合效率，傳統(tǒng)的辦法是在激光芯片和光纖耦合端之間依次放置快軸準直透鏡、慢軸準直透鏡和聚焦透鏡，把芯片發(fā)出的激光先準直后再通過聚焦透鏡將激光耦合到光纖中，這種辦法可以實現(xiàn)超過80％的耦合效率，但同時需要增加三個透鏡物料和裝配成本。

目前有一種新型的辦法，即在光纖端面做透鏡加工，該透鏡對芯片發(fā)出的激光具有一定聚焦功能，可實現(xiàn)超過75％的激光耦合效率。該方案與半導體激光芯片小型化的要求完美結(jié)合，實現(xiàn)小巧高能的目標。福津光電目前已經(jīng)實現(xiàn)這種透鏡光纖批量生產(chǎn)，為客戶提供高性價比的激光光纖耦合解決方案。

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

圖2 三種不同的半導體激光器光纖耦合方案

圖3 光纖透鏡耦合應用場景

光纖透鏡設(shè)計經(jīng)驗與參數(shù)

光纖透鏡主要是在光纖的前端先做錐形或者楔形處理，然后纖芯的部分做柱面鏡或者球面鏡精密加工。該光纖端的透鏡可以把芯片發(fā)射的激光在近場做聚焦耦合處理，可有效提高激光耦合到光纖的效率，因此無論是錐形還是楔形，光纖前端的透鏡是最為核心的。由于不同廠家設(shè)計的芯片快軸和慢軸發(fā)散角都不一樣，光纖透鏡設(shè)計需要與激光芯片近場光斑參數(shù)匹配才能達到較高的耦合效率。

光纖透鏡設(shè)計一般需要考慮以下幾個參數(shù)：

圖4 透鏡光纖各項參數(shù)示意圖

圖5 單模光纖楔形透鏡的遠場光斑

（1） 光纖類型Fiber Type：不同的單模光纖模場有差異（如SMF－28E和Hi1060）， 如果使用保偏光纖（PM fiber）還需要了解熊貓對應的軸向，光纖型號的選擇主要根據(jù)客戶終端應用來決定；

（2） 光纖前端透鏡的工作距離WD：透鏡工作距離太短則調(diào)光時容易撞到芯片，太遠則與芯片近場光束不匹配，影響耦合效率；

（3） 光纖前端透鏡的半徑R：該半徑直接決定透鏡的工作距離和遠場光斑；

（4） 光纖斜面夾角?：此夾角對透鏡R有一定的約束；

（5） 腰束直徑D： 該參數(shù)是由透鏡半徑R和工作距離WD關(guān)聯(lián)；

（6） 剝除長度SL：該參數(shù)主要跟光纖固定和膠粘位置有關(guān)系；

（7） 透鏡前端可以根據(jù)需要鍍制減反光學薄膜（AR Coating），有效增加透射率。

光纖透鏡在不同的應用場景需要根據(jù)實際用途設(shè)計不同的斜面形狀，福津光電可以根據(jù)客戶的需求加工出符合要求的產(chǎn)品。此外，還可以根據(jù)客戶需求，在光纖透鏡另一端裝配各種連接頭，如FC／PC連接頭（帶0．9mm松套管或3mm松套管）。

圖6 透鏡光纖前端多種斜面形狀設(shè)計

圖7 透鏡光纖實際加工圖

圖8 帶連接頭的透鏡光纖

福津光電專注于光纖精密加工和光纖鍍膜事業(yè)超過10年，可為激光器提供高耦合效率光纖透鏡產(chǎn)品。