光纤透镜式连接器的结构如下图。从发射光纤发出的发散光束被透镜准直。为实现光束准直，要求光纤到透镜的距离刚好等于透镜焦距。接收端有完全相同的配置。无论透镜之间的距离有多大，这种结构都是一种放大倍数为1的成像系统。因为光束在连接面被放大，相对于直接对接型连接器，透镜式连接器对横向偏移的敏感程度降低了。
图： 透镜式连接器
除了可以降低对横向偏移的敏感度以外，透镜式连接器比直接对接式接头允许更大的端面间隙。因为光束是经过准直的，所以在损耗变大之前端面之间的间隙可以相当大。这一特性是十分有用的，不仅放宽了对端面间隙误差的要求，而且可以用平坦的玻璃板盖住对接的两个连接器，以便保护它们。为保护连接器中经高度抛光的光纤头免于划伤和灰尘聚积，应进行细心地处理，而且必须如此。一个永久性的玻璃盖可能是透镜式连接器的一部分，用于降低连接器受损的可能性。当然透镜间的距离也不能任意大，除非透镜之间的距离刚好是焦距的两倍，否则离轴光线不能以离开发射光纤时的角度进入接收光纤。光线的偏离程度随着距离的增加而增加。显然，当偏离程度太大，以至光线方向超出光纤的接收角范围时，光线就不会再耦合进入接收光纤了。
透镜式连接器有几个缺点。首先，这种连接器对角度未对准产生的损耗比直接对接式连接器更为敏感。但是获得好的角度对准并不困难，所以这一问题并不太严重。其次，透镜式连接器的复杂结构使其成本昂贵，而且难以安装。最后，因为两个透镜和两个盖板(如果有)的反射，透镜式连接器的固定损耗有时会超过直接对接式耦合器。如果在透镜表面涂敷消反射涂层，可以降低反射损耗。
渐变折射率(GRIN)棒透镜。用这种棒透镜可以代替连接器中的传统透镜。连接器的两段都用一根光纤连着一个固态的四分之一节距折射率渐变透镜构成。这种类型的连接器有着与球形透镜连接器相同的优点：允许较大的横向偏移和端面间隙;同时也能加玻璃板盖以便保护使之免受损伤，并能使划伤和灰尘引起的额外损耗最小。这类连接器比球形透镜连接器更容易安装和维护。
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