让光纤耦合“稳”如磐石：从技术细节到实战案例

光纤耦合真的能“一劳永逸"吗？

在高速激光系统里，1 µm的对准误差就可能让输出功率跌 5 % – 10 %。

如果要把 偏振保持（PM）单模光纤 长久、稳固地连接到自由光束激光器，传统的手工调节根本难以满足长期可靠性的需求。

Schäfter+Kirchhoff（以下简称 SK）推出的 60SMS 可调激光束耦合器，在亚微米级对准精度、近 90 % 耦合效率以及宽温度范围的稳定性之间找到了平衡。本文将从 技术原理 → 核心特性 → 实测数据 → 使用指南 四个维度，为你各方位拆解这款“耦合神器"。

一、单模光纤耦合的核心挑战

1.为什么要用 NAₑ₂ 而非名义 NA？

光纤制造商通常给出 NA 的名义值（1 % – 5 % 误差），这仅是基于材料折射率的理论计算。SK 为每一批光纤 实测 出 有效 NAₑ₂（在 1/e² 强度水平的角分布），并在每一种工作波长上提供对应数值。实测 NAₑ₂ 的准确性往往提升 10‑20 倍，在亚微米对准时可以避免因 NA 误差导致的耦合效率下降。

2.MFD 与 NAₑ₂ 的关系

在单模光纤中，MFD 与 NAₑ₂ 的倒数成正比，其理论关系可写作

例：λ = 405 nm、NAₑ₂ = 0.10 → MFD ≈ 2.6 µm。

这条公式是选取耦合透镜焦距的关键依据。

3.PM 光纤的特殊性

标准单模光纤不保留光的偏振状态，PM 光纤通过 内置应力元件（如 Panda、Bow‑Tie 结构）将 “快轴" 与 “慢轴" 区分开来。若激光偏振方向没能精确对准这两条轴之一，光在两轴间分配比例不均，导致偏振消旋（PER）下降，且随温度、应力变化而漂移。

二、60SMS 耦合器的设计哲学——“简约 + 高精"

1.透镜选择——让焦点恰好匹配 MFD

在 60SMS 中，内部可换透镜组提供从 3 mm 到 15 mm 的焦距范围。依据公式 (1) 计算理想焦距：

其中 Ø 为入射激光的 1/e² 直径。

示例：若激光直径 Ø = 2 mm、NAₑ₂ = 0.10，则

因此在此情形下选用 10 mm 焦距 的阿司匹林玻璃透镜即可实现优秀的匹配。若波长切换至 800 nm，MFD 增大至约 5 µm，焦距则相应调至 ≈ 15 mm。

2.机械结构——把“必需的调节"浓缩到四大自由度

材料选用：关键对准结构使用 低膨胀系数合金（Invar），螺纹部件采用 不锈钢，确保 + / – 10 °C 温度波动下部件膨胀误差低于 0.2 µm。

3.设计的核心理念——“越少越稳"

SK 在 60SMS 的机械设计上 刻意去除非必要的微调，只保留 轴向、倾斜、旋转 三个必须的高精度调节，其余如光束中心的粗调通过 60A19.5‑F 手动完成。这样可以大幅降低部件间的相对松动，更有利于 长期热漂移的抑制。

三、关键特性一：亚微米对准，耦合效率逼近 90 %

3.1 轴向（焦距）误差对效率的影响

在 NAₑ₂ = 0.10、波长 405 nm、400 nm、450 nm 条件下，10 µm 的轴向位移导致 5 % – 10 % 的耦合功率下降。曲线呈近似 高斯 形，峰值对应较佳焦点。

细节：对 405 nm 光，10 µm 位移导致 约 8 % 的效率损失；对 450 nm 光，损失略小（≈ 5 %），因为 MFD 随 λ 增大稍宽松。

图1：轴向位移或离焦：可见光谱内多个波长及光纤数值孔径（NA）为 0.1 时离焦透镜的耦合效率

3.2 横向/角向误差的敏感性

0.1 mrad（≈ 0.04°） 的倾斜产生 0.5 µm 横向偏移（约等于 1 个波长），耦合效率下降约 7 %。若倾斜 1 mrad（≈ 0.06°），则横向偏移 5 µm（相当于 10 λ），效率跌至 ≈ 80 % 左右。

实用经验：在现场对准时，肉眼观察往往难以分辨 0.1 mrad 的倾斜，建议使用 螺纹调节器并配合 功率计实时监测，以确保误差在 ≤ 0.05 mrad 范围内。

图2：模场与激光光斑的横向调节：光束倾斜传播时的耦合效率。光纤端面的横向位移由光束的角度失准导致。本图为波长 405 nm、光纤 NAe2 0.1 及焦距 5 mm 条件下的示例。

3.3 光束中心偏移（轴向不对齐）

在 5 mm – 15 mm 焦距范围的透镜中，光束中心偏移 对效率的影响相对宽松，需要 0.1 mm – 0.4 mm 级别的偏移才会产生与轴向 10 µm 类似的效率损失。换言之，中心偏移的容忍度约为 100 倍于轴向误差。

图3：激光光束耦合器与光轴的对准：f’5–15 m 透镜对未对准平行光束的耦合效率。本图为波长 405 nm、光纤 NAe2 0.1 条件下的示例。

3.4 偏振轴旋转误差

若 旋转误差为 1°，在假设原始偏振消旋比（PER）为 40 dB（1:10 000）的情况下，实际 PER 降至约 32 dB（1:3200）。对多数需求来说仍属“很高"，但在高保偏应用（如量子通信）会显著降低系统鲁棒性。

图4：偏振轴的对准：当光源偏振轴与光纤偏振轴未对准时的偏振消光比（PER）

四、关键特性二：各方位调校，一键搞定

1.调校流程（配合具体工具）

提示：全程使用 功率计（分辨率 0.1 %）与 温度计（± 0.1 °C）同步监控，防止因环境漂移误判。

2.SK010PA 偏振分析仪的配合使用

• 工作原理：旋转四分之一波片（转速 300 rpm） + 静态偏振片 → 光电二极管。软件解析输出 Stokes 参数，在 Poincaré 球 上绘出数据点形成 圆形云。

• 关键指标：

数据圆半径 → 代表光纤轴与光源偏振轴的角度误差；半径越小，偏振保持越好。

中心偏离赤道的距离 → 直接对应 PER（dB），偏离越近 PER 越高。

典型结果：经手动调节后，圆半径可降至 0.02 rad（对应偏差 < 1.1°），PER 达 38 dB（1:6300）。

图5：SK010PA 偏振分析仪适用于保偏光纤（PM fiber）的对准及自由光束应用。保偏光纤的对准：目标是最小化数据圆半径。
a) 当光纤对准不佳时（例如弯曲光纤时），偏振态会发生显著变化。
b) 当光纤角度对准更优时，偏振变化及数据圆半径都会变小。

五、关键特性三：温度循环与长期稳定性验证

1.实验装置概览

• 双耦合器对比法：两台相同型号 60SMS 分别作为 发射 与 接收，中间使用 温度稳定的 405 nm 激光源（外接 Faraday 隔离器）。

• 光路：激光 → 第壹个耦合器 → PM 光纤 → 第二个耦合器 → 同一根 PM 光纤回传 → 光电探测器。

• 温控：耦合系统放置在 热控板（15 °C – 35 °C）上，温度每 5 °C 循环一次，循环次数 ≥ 5。

2.结果解读

• 功率随温度：在 20 °C、25 °C、30 °C 处功率分别为 稍高点 + ≈ 0 %、稍低 - 0.8 %、再下降 - 1.2 %。整体呈 抛物线，峰值恰好位于 25 °C（即设备标称工作温度）。

• 重复性：同一温度点的功率波动 < 1 %，六次循环的 功率偏差 只 3 %。说明在 ± 10 °C 的温度波动中，耦合器的 指向性保持 与 光路稳定性 均表现出热惰性。

3.温度对偏振的二次影响

在相同实验中，使用 SK010PA 监测 PER 变化，发现 PER 在 15 °C – 35 °C 之间波动 ≤ 1.5 dB，即 PER ≈ 38 dB ± 1.5 dB。这说明 温度 对 偏振保持 的二次影响极小，主要仍由 光纤本体的应力与弯曲 决定。

图6：
a) 用于测量两个激光光束耦合器（焦距 f=4.5 mm，波长 λ=405 nm）在 15°C 至 35°C 连续温度循环过程中稳定性的测试装置。
b) 相对功率（相对于平均功率归一化）呈现出随下方温度变化的重复模式，较大偏差为 ±1.5%。
c) 相对功率曲线（相对于较大功率归一化）几乎重合，证实了温度循环过程中指向稳定性的高重现性，较大偏差仅为 3%。

六、实战可靠性：从降落塔到零重力

示例：某光学实验室在 800 nm 双光子显微镜中使用 60SMS，原来手工对准需 3 h 以上，改用 60SMS 后 对准 12 min，随后 连续运行 120 h 功率漂移仅 0.6 %。

七、快速检测：SK010PA 偏振分析仪深度剖析

1.光学前端：旋转四分之一波片（0‑90°）+ 固定偏振片 → 产生随角度变化的光强信号。

2.电子后端：光电二极管输出经 低噪声放大，进入 DSP 进行 FFT 分析，提取 I、Q 分量。

3.软件处理：将 I/Q 归一化后映射到 Stokes 向量，在 Poincaré 球 上绘制 点云。

4.数据输出：自动拟合 最小二乘圆，给出 圆心（对应 PER）与 半径（对应轴偏差）。

使用技巧：在进行 温度或弯曲扰动测试 时，保持光纤 固定夹具，只对光源或激光器做微调，防止外部机械位移污染测量。

八、上手指南：三步实现优秀耦合

步骤1：选定匹配焦距镜头

• 通过激光直径 Ø 与 NAₑ₂ 计算理想焦距 f（公式 (2)）。

• 在 60SMS 的透镜库中挑选接近的焦距，装入耦合器。

步骤2：轴向‑倾斜‑中心三维调校

• 粗对准：使用 60A19.5‑F 适配器把光纤大致放到光束上。

• 轴向微调：转动调焦螺纹，实时监测功率计，找到较大功率点。

• 倾斜调节：逐步转动倾斜螺纹，在 0.05 mrad 步进下观察功率变化，直至较高。

• 中心校正：轻微移动光纤端面，使光束中心与光纤轴重合。

步骤3：偏振轴精调（仅针对 PM 光纤）

• 将 SK010PA 连接在光纤输出端，观察 Poincaré 球 上的 数据圆。

• 旋转耦合器的 偏振对准座，使圆半径最小且圆心贴近赤道，记录此时的 PER（通常 > 35 dB）。

锁定：完成上述三步后，用 螺纹胶或 金属锁紧螺母固定所有可动部件，防止长期温漂导致的微位移。

九、为何选择 60SMS？价值与优势一览

• 高耦合效率：实验较高 ≈ 89 %（λ = 405 nm，NAₑ₂ = 0.1）。

• 亚微米对准：轴向 ± 5 µm、倾斜 ± 0.05 mrad，满足 λ/10 级别的误差容限。

• 温度循环稳态：± 10 °C 以内功率波动 ≤ 3 %，PER 变化 ≤ 1.5 dB。

• 易用性：四大自由度调节配合 SK010PA，新手 15 min 完成对准，经验丰富者 5 min 达到较佳。

• 材料可靠：关键部件采用 Invar、不锈钢，热膨胀系数 < 1.2 × 10⁻⁶ /K，确保长期热稳定。

• 行业认可：已在 Bremen Drop‑Tower、Zero‑G 航空实验、光纤激光泵浦系统、LIDAR、量子通信等多领域交付百余套。

• 持续迭代：倾斜机制已进入 冲击 & 振动 验证阶段，目标提升倾斜分辨率至 0.01 mrad，并计划集成 压电自动对准。

图7：60SMS 型可调激光光束耦合器 —— 拟长久安装于激光器。箭头标示出所需的对准特性（聚焦或轴向对准未示出）。光束的横向对准可通过亦如图中所示的 60A19.5-F 型适配器完成。

结语——让耦合“不掉链"

从 亚微米级对准 到 宽温度范围的热稳，再到 一键完成的偏振保持，60SMS 把“单模光纤长久耦合"从 实验室难题 变成 工业级常规操作。无论你是科研实验室、航空航天项目，还是工业生产线的光纤泵浦系统，都可以凭借这套方案大幅提升 功率利用率 与 系统可靠性，实现 “一次调试、长期运行" 的理想状态。