探針臺(tái)
Probe Stations
一、核心目標(biāo)
光纖準(zhǔn)直器的核心目標(biāo)是：將光纖纖芯中發(fā)出的發(fā)散光束，通過透鏡轉(zhuǎn)換為發(fā)散角極小（近乎平行）的準(zhǔn)直光束；反之，也能將空間中的準(zhǔn)直光束高效地耦合回光纖中。
二、基本原理：將光纖端面置于透鏡焦點(diǎn)
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：光從單模光纖的纖芯末端出射時(shí)，由于其尺寸極小（約9μm），可以看作是一個(gè)點(diǎn)光源，發(fā)出具有較大發(fā)散角的球面波（高斯光束）。
透鏡的變換作用：將一個(gè)凸透鏡（或具有類似功能的自聚焦透鏡）放置在這個(gè)點(diǎn)光源的前方。
焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)：當(dāng)光纖端面被精確地放置在透鏡的焦點(diǎn)（Focal Point）上時(shí)，從透鏡另一端出射的光就會(huì)變?yōu)?span style="color: rgb(0, 0, 0); font-size: 20px; font-weight: bold;">準(zhǔn)直光（平行光）。
三、關(guān)鍵組件與材料
1、帶尾纖的插芯（Pigtailed Ferrule） ：就是一個(gè)光纖連接器（插芯）與一段光纖（尾纖）永久性地連接在一起形成的組件。插芯是光纖連接器的核心部件，是一個(gè)精密（通常是陶瓷，也可以是金屬或塑料）的圓柱體，中間有一個(gè)極細(xì)的微孔（直徑約125微米，和頭發(fā)絲差不多）。
作用：它的唯一作用就是精準(zhǔn)地固定和保護(hù)一根光纖，并使兩根光纖在連接時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)超高精度的對(duì)準(zhǔn)，從而最大限度地減少光信號(hào)在連接點(diǎn)的損耗（插入損耗）和反射（回波損耗）。
2、透鏡 (Lens)：選擇取決于性能、成本和尺寸要求。
GRIN透鏡 (Gradient-Index Lens)：最常見的選擇。它是一種圓柱形透鏡，折射率從中心到邊緣漸變。優(yōu)點(diǎn)是端面為平面，易于與光纖通過焊接或膠水方式永久固定，結(jié)構(gòu)緊湊，像差小。
GRIN透鏡準(zhǔn)直透鏡的出射光束示意圖
0°面向角GRIN透鏡示意圖
8°面向角GRIN透鏡示意圖
C-Lens (球面透鏡)：一段加工了球面的石英棒。成本較低，但存在球差，性能略遜于GRIN透鏡。
C-Lens準(zhǔn)直透鏡的出射光束示意圖
非球面透鏡 (Aspheric Lens)：性能最佳，能完美消除球差，獲得最理想的準(zhǔn)直光束和最高耦合效率。但成本最高，裝配精度要求極嚴(yán)，常用于高性能場(chǎng)合。
C-lens的端面一端為球面，而G-lens的一端為平面，正是因?yàn)檫@個(gè)原因，G-lens準(zhǔn)直器可以將某些光學(xué)器件直接粘接在該平面上，從而使得模塊可以更緊湊，這是C-lens不具備的特點(diǎn)。在WDM器件中輸入端使用G-lens其中一個(gè)原因主要是因?yàn)樗鸟詈厦媸瞧降模奖銥V波片的粘接。
3、玻璃套管 (Mating Sleeve)：一個(gè)精密加工的金屬或玻璃套管，用于精確固定光纖和透鏡的相對(duì)位置，并保證其同心度。
4、膠水 (Adhesive)：高性能紫外固化膠（UV膠）或熱固化膠，用于永久固定光纖和透鏡。
光纖準(zhǔn)直器由帶尾纖的插芯+C/G-lens+玻璃套管組成，通過環(huán)氧樹脂膠水固定。
G-lens光纖準(zhǔn)直器組成示意圖
C-lens光纖準(zhǔn)直器組成示意圖
注：
Filber：光纖；
Pigtailed Ferrule：帶尾纖的插芯，由光纖+鉆孔的玻璃管組成；
Mating Sleeve：玻璃套管；
C-Lens：C-Lens透鏡
四、制作與耦合過程（以GRIN透鏡為例）
這是一個(gè)精密的工藝過程，通常在潔凈環(huán)境中進(jìn)行：
1、準(zhǔn)備與固定：
首先，需要一臺(tái)光波導(dǎo)耦合系統(tǒng)，將帶尾纖的插芯與GRIN透鏡固定再2側(cè)的6維位移臺(tái)上，且用夾具夾持玻璃套管如下圖1顯示屏中所示。
圖1
六軸位移臺(tái)以及玻璃套管位移臺(tái)示意圖
2、粗調(diào)距離 (Active Alignment - 主動(dòng)對(duì)準(zhǔn))：
（1）這是最關(guān)鍵的一步。在光纖另一端接入激光光源（如1550nm DFB激光器）。
（2）在透鏡的出光口前方放置一個(gè)光束質(zhì)量分析儀或光功率計(jì)（遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量）。
（3）通過精密三維調(diào)整架，細(xì)微地移動(dòng)光纖或透鏡，改變它們之間的間距。
（4）同時(shí)觀察遠(yuǎn)場(chǎng)光斑或功率計(jì)讀數(shù)，找到光束發(fā)散角最小（光斑尺寸最穩(wěn)定）或耦合回光纖的能量最大時(shí)的位置。這個(gè)位置就是理論上的焦點(diǎn)位置。
8°角GRIN透鏡和帶尾纖的插芯對(duì)準(zhǔn)耦合示意圖
0°角GRIN透鏡和帶尾纖的插芯對(duì)準(zhǔn)耦合示意圖
0°角和8°角GRIN透鏡插芯、光纖示意圖
3、固化 (Curing)：
一旦找到最佳位置，立即使用點(diǎn)膠設(shè)備在光纖與套筒、透鏡與套筒的接合處點(diǎn)上一小滴UV膠。
用紫外燈照射，使膠水瞬間固化，將整個(gè)結(jié)構(gòu)永久鎖定在最佳耦合狀態(tài)。
光纖準(zhǔn)直器示意圖
光波導(dǎo)耦合系統(tǒng)示意圖
光波導(dǎo)耦合系統(tǒng)實(shí)拍示意圖
光波導(dǎo)耦合系統(tǒng)實(shí)拍示意圖
