讓光纖耦合“穩”如磐石：從技術細節到實戰案例

光纖耦合真的能“一勞永逸"嗎？

在高速激光系統里，1?µm的對準誤差就可能讓輸出功率跌 5?%?–?10?%。

如果要把 偏振保持（PM）單模光纖 長久、穩固地連接到自由光束激光器，傳統的手工調節根本難以滿足長期可靠性的需求。

Sch?fter+Kirchhoff（以下簡稱 SK）推出的 60SMS 可調激光束耦合器，在亞微米級對準精度、近 90?% 耦合效率以及寬溫度范圍的穩定性之間找到了平衡。本文將從 技術原理 → 核心特性 → 實測數據 → 使用指南 四個維度，為你各方位拆解這款“耦合神器"。

一、單模光纖耦合的核心挑戰

1.為什么要用 NA?? 而非名義 NA？

光纖制造商通常給出 NA 的名義值（1?%?–?5?% 誤差），這僅是基于材料折射率的理論計算。SK 為每一批光纖 實測 出 有效 NA??（在 1/e2 強度水平的角分布），并在每一種工作波長上提供對應數值。實測 NA?? 的準確性往往提升 10?20?倍，在亞微米對準時可以避免因 NA 誤差導致的耦合效率下降。

2.MFD 與 NA?? 的關系

在單模光纖中，MFD 與 NA?? 的倒數成正比，其理論關系可寫作

例：λ?=?405?nm、NA???=?0.10 → MFD ≈ 2.6?µm。

這條公式是選取耦合透鏡焦距的關鍵依據。

3.PM 光纖的特殊性

標準單模光纖不保留光的偏振狀態，PM 光纖通過 內置應力元件（如 Panda、Bow?Tie 結構）將 “快軸" 與 “慢軸" 區分開來。若激光偏振方向沒能精確對準這兩條軸之一，光在兩軸間分配比例不均，導致偏振消旋（PER）下降，且隨溫度、應力變化而漂移。

二、60SMS 耦合器的設計哲學——“簡約?+?高精"

1.透鏡選擇——讓焦點恰好匹配 MFD

在 60SMS 中，內部可換透鏡組提供從 3?mm 到 15?mm 的焦距范圍。依據公式 (1) 計算理想焦距：

其中 ? 為入射激光的 1/e2 直徑。

示例：若激光直徑 ??=?2?mm、NA???=?0.10，則

因此在此情形下選用 10?mm 焦距 的阿司匹林玻璃透鏡即可實現優秀的匹配。若波長切換至 800?nm，MFD 增大至約 5?µm，焦距則相應調至 ≈?15?mm。

2.機械結構——把“必需的調節"濃縮到四大自由度

材料選用：關鍵對準結構使用 低膨脹系數合金（Invar），螺紋部件采用 不銹鋼，確保 +?/?–?10?°C 溫度波動下部件膨脹誤差低于 0.2?µm。

3.設計的核心理念——“越少越穩"

SK 在 60SMS 的機械設計上 刻意去除非必要的微調，只保留 軸向、傾斜、旋轉 三個必須的高精度調節，其余如光束中心的粗調通過 60A19.5?F 手動完成。這樣可以大幅降低部件間的相對松動，更有利于 長期熱漂移的抑制。

三、關鍵特性一：亞微米對準，耦合效率逼近 90?%

3.1 軸向（焦距）誤差對效率的影響

在 NA???=?0.10、波長 405?nm、400?nm、450?nm 條件下，10?µm 的軸向位移導致 5?%?–?10?% 的耦合功率下降。曲線呈近似 高斯 形，峰值對應較佳焦點。

細節：對 405?nm 光，10?µm 位移導致 約 8?% 的效率損失；對 450?nm 光，損失略小（≈?5?%），因為 MFD 隨 λ 增大稍寬松。

圖1：軸向位移或離焦：可見光譜內多個波長及光纖數值孔徑（NA）為 0.1 時離焦透鏡的耦合效率

3.2 橫向/角向誤差的敏感性

0.1?mrad（≈?0.04°） 的傾斜產生 0.5?µm 橫向偏移（約等于 1 個波長），耦合效率下降約 7?%。若傾斜 1?mrad（≈?0.06°），則橫向偏移 5?µm（相當于 10?λ），效率跌至 ≈?80?% 左右。

實用經驗：在現場對準時，肉眼觀察往往難以分辨 0.1?mrad 的傾斜，建議使用 螺紋調節器并配合 功率計實時監測，以確保誤差在 ≤?0.05?mrad 范圍內。

圖2：模場與激光光斑的橫向調節：光束傾斜傳播時的耦合效率。光纖端面的橫向位移由光束的角度失準導致。本圖為波長 405 nm、光纖 NAe2 0.1 及焦距 5 mm 條件下的示例。

3.3 光束中心偏移（軸向不對齊）

在 5?mm?–?15?mm 焦距范圍的透鏡中，光束中心偏移 對效率的影響相對寬松，需要 0.1?mm?–?0.4?mm 級別的偏移才會產生與軸向 10?µm 類似的效率損失。換言之，中心偏移的容忍度約為 100?倍于軸向誤差。

圖3：激光光束耦合器與光軸的對準：f’5–15 m 透鏡對未對準平行光束的耦合效率。本圖為波長 405 nm、光纖 NAe2 0.1 條件下的示例。

3.4 偏振軸旋轉誤差

若 旋轉誤差為 1°，在假設原始偏振消旋比（PER）為 40?dB（1:10?000）的情況下，實際 PER 降至約 32?dB（1:3200）。對多數需求來說仍屬“很高"，但在高保偏應用（如量子通信）會顯著降低系統魯棒性。

圖4：偏振軸的對準：當光源偏振軸與光纖偏振軸未對準時的偏振消光比（PER）

四、關鍵特性二：各方位調校，一鍵搞定

1.調校流程（配合具體工具）

提示：全程使用 功率計（分辨率 0.1?%）與 溫度計（±?0.1?°C）同步監控，防止因環境漂移誤判。

2.SK010PA 偏振分析儀的配合使用

• 工作原理：旋轉四分之一波片（轉速 300?rpm） + 靜態偏振片 → 光電二極管。軟件解析輸出 Stokes 參數，在 Poincaré 球 上繪出數據點形成 圓形云。

• 關鍵指標：

數據圓半徑 → 代表光纖軸與光源偏振軸的角度誤差；半徑越小，偏振保持越好。

中心偏離赤道的距離 → 直接對應 PER（dB），偏離越近 PER 越高。

典型結果：經手動調節后，圓半徑可降至 0.02?rad（對應偏差 <?1.1°），PER 達 38?dB（1:6300）。

圖5：SK010PA 偏振分析儀適用于保偏光纖（PM fiber）的對準及自由光束應用。保偏光纖的對準：目標是最小化數據圓半徑。
a) 當光纖對準不佳時（例如彎曲光纖時），偏振態會發生顯著變化。
b) 當光纖角度對準更優時，偏振變化及數據圓半徑都會變小。

五、關鍵特性三：溫度循環與長期穩定性驗證

1.實驗裝置概覽

• 雙耦合器對比法：兩臺相同型號 60SMS 分別作為 發射 與 接收，中間使用 溫度穩定的 405?nm 激光源（外接 Faraday 隔離器）。

• 光路：激光 → 第壹個耦合器 → PM 光纖 → 第二個耦合器 → 同一根 PM 光纖回傳 → 光電探測器。

• 溫控：耦合系統放置在 熱控板（15?°C?–?35?°C）上，溫度每 5?°C 循環一次，循環次數 ≥?5。

2.結果解讀

• 功率隨溫度：在 20?°C、25?°C、30?°C 處功率分別為 稍高點 +?≈?0?%、稍低 -?0.8?%、再下降 -?1.2?%。整體呈 拋物線，峰值恰好位于 25?°C（即設備標稱工作溫度）。

• 重復性：同一溫度點的功率波動 <?1?%，六次循環的 功率偏差 只 3?%。說明在 ±?10?°C 的溫度波動中，耦合器的 指向性保持 與 光路穩定性 均表現出熱惰性。

3.溫度對偏振的二次影響

在相同實驗中，使用 SK010PA 監測 PER 變化，發現 PER 在 15?°C?–?35?°C 之間波動 ≤?1.5?dB，即 PER?≈?38?dB?±?1.5?dB。這說明 溫度 對 偏振保持 的二次影響極小，主要仍由 光纖本體的應力與彎曲 決定。

圖6：
a) 用于測量兩個激光光束耦合器（焦距 f=4.5 mm，波長 λ=405 nm）在 15°C 至 35°C 連續溫度循環過程中穩定性的測試裝置。
b) 相對功率（相對于平均功率歸一化）呈現出隨下方溫度變化的重復模式，較大偏差為 ±1.5%。
c) 相對功率曲線（相對于較大功率歸一化）幾乎重合，證實了溫度循環過程中指向穩定性的高重現性，較大偏差僅為 3%。

六、實戰可靠性：從降落塔到零重力

示例：某光學實驗室在 800?nm 雙光子顯微鏡中使用 60SMS，原來手工對準需 3?h 以上，改用 60SMS 后 對準 12?min，隨后 連續運行 120?h 功率漂移僅 0.6?%。

七、快速檢測：SK010PA 偏振分析儀深度剖析

1.光學前端：旋轉四分之一波片（0?90°）+ 固定偏振片 → 產生隨角度變化的光強信號。

2.電子后端：光電二極管輸出經 低噪聲放大，進入 DSP 進行 FFT 分析，提取 I、Q 分量。

3.軟件處理：將 I/Q 歸一化后映射到 Stokes 向量，在 Poincaré 球 上繪制 點云。

4.數據輸出：自動擬合 最小二乘圓，給出 圓心（對應 PER）與 半徑（對應軸偏差）。

使用技巧：在進行 溫度或彎曲擾動測試 時，保持光纖 固定夾具，只對光源或激光器做微調，防止外部機械位移污染測量。

八、上手指南：三步實現優秀耦合

步驟1：選定匹配焦距鏡頭

• 通過激光直徑 ? 與 NA?? 計算理想焦距 f（公式 (2)）。

• 在 60SMS 的透鏡庫中挑選接近的焦距，裝入耦合器。

步驟2：軸向?傾斜?中心三維調校

• 粗對準：使用 60A19.5?F 適配器把光纖大致放到光束上。

• 軸向微調：轉動調焦螺紋，實時監測功率計，找到較大功率點。

• 傾斜調節：逐步轉動傾斜螺紋，在 0.05?mrad 步進下觀察功率變化，直至較高。

• 中心校正：輕微移動光纖端面，使光束中心與光纖軸重合。

步驟3：偏振軸精調（僅針對 PM 光纖）

• 將 SK010PA 連接在光纖輸出端，觀察 Poincaré 球 上的 數據圓。

• 旋轉耦合器的 偏振對準座，使圓半徑最小且圓心貼近赤道，記錄此時的 PER（通常 >?35?dB）。

鎖定：完成上述三步后，用 螺紋膠或 金屬鎖緊螺母固定所有可動部件，防止長期溫漂導致的微位移。

九、為何選擇 60SMS？價值與優勢一覽

• 高耦合效率：實驗較高 ≈?89?%（λ?=?405?nm，NA???=?0.1）。

• 亞微米對準：軸向 ±?5?µm、傾斜 ±?0.05?mrad，滿足 λ/10 級別的誤差容限。

• 溫度循環穩態：±?10?°C 以內功率波動 ≤?3?%，PER 變化 ≤?1.5?dB。

• 易用性：四大自由度調節配合 SK010PA，新手 15?min 完成對準，經驗豐富者 5?min 達到較佳。

• 材料可靠：關鍵部件采用 Invar、不銹鋼，熱膨脹系數 <?1.2?×?10???/K，確保長期熱穩定。

• 行業認可：已在 Bremen Drop?Tower、Zero?G 航空實驗、光纖激光泵浦系統、LIDAR、量子通信等多領域交付百余套。

• 持續迭代：傾斜機制已進入 沖擊 & 振動 驗證階段，目標提升傾斜分辨率至 0.01?mrad，并計劃集成 壓電自動對準。

圖7：60SMS 型可調激光光束耦合器 —— 擬長久安裝于激光器。箭頭標示出所需的對準特性（聚焦或軸向對準未示出）。光束的橫向對準可通過亦如圖中所示的 60A19.5-F 型適配器完成。

結語——讓耦合“不掉鏈"

從 亞微米級對準 到 寬溫度范圍的熱穩，再到 一鍵完成的偏振保持，60SMS 把“單模光纖長久耦合"從 實驗室難題 變成 工業級常規操作。無論你是科研實驗室、航空航天項目，還是工業生產線的光纖泵浦系統，都可以憑借這套方案大幅提升 功率利用率 與 系統可靠性，實現 “一次調試、長期運行" 的理想狀態。