长进激光推出抗辐照掺铒及铒镱共掺光纤

信息时代的发展需要建立覆盖范围更广、传输速率更快、传输容量更大的通信网络系统。作为被普遍看好的下一代空间通信技术，空间激光通信有着传统微波通信无法比拟的众多优势： （1）通信容量大。激光的频率比微波高3～4个数量级，频段更宽，短时间内可传输大量数据；

（2）通信速率高、功耗低。激光通信的速率能达到10Gbit/s，甚至更高。传输过程中能量集中，不易分散，功耗也比微波低；

（3）抗干扰能力强。激光的束散角极窄，不容易被侦收和干扰。

在此背景下，以激光为信息载体的空间通信系统得到越来越多的关注，空间通信技术也逐步发展并引发各国研究热潮，并取得了很大进展。

图1 卫星激光通信示意图 空间激光通信由发射和接收系统构成，发射端将激光放大到足够功率，向对方发射被调制的激光脉冲信号（声音或数据）；接收端通过光学天线将收集到的光信号进行放大，然后检测有用信号，其原理如图1所示。由于是自由空间光通信，通信链路中无法实现中继放大，因此除了要保证比较高的调制速率外，还需要能有较大的发射光功率。这就导致半导体激光器在空间通信系统中具有无法逾越的瓶颈。然而，1550nm光纤激光由于处于现有通信系统波段，可以通过铒纤和铒镱共掺光纤进行放大，输出功率高，抗干扰能力强，因此成为空间激光通信系统首选激光光源。

空间通信距离一般都很远，因此激光信号需要放大器进行足够放大，才能将光信号传输的更远。到达接收端时，长距离的传输使信号变得非常微弱，也需要将信号再次进行放大，才能进行解调。因此，掺铒光纤放大器的出现使1550nm空间激光通信成为可能。随着空间通信技术的不断发展，掺铒及铒镱共掺光纤放大器凭借宽带宽、低损耗的光学性能和轻重量等优点受到广泛关注，并成功搭载在卫星上承担空间通信、数据传输等任务，目前其数据传输速率可达TB/s量级成为了1550nm空间激光通信的关键核心器件。

另外，卫星空间通信系统多处于太空中，大量辐射粒子严重影响器件的寿命。因此，掺铒及铒镱共掺放大器必须具备抗辐照性能，其严重依赖于抗辐照铒纤及铒镱共掺光纤。国内抗辐照铒纤及铒镱光纤又严重依赖进口，这严重制约了我国空间激光通信的发展。

抗辐照掺铒光纤

相比于无源光纤，掺铒光纤对辐照更加敏感，在太空及高能物理设施等辐射环境中很容易受到辐照，光学性能指标会下降，最终影响光器件的正常工作。传统的物理屏蔽方法虽然可以起到隔离高能量射线的作用，但这种方式存在重量过高，体积过大的问题，无法应用在现代太空精密设备中。因此，提升有源光纤自身的抗辐照性能才是解决有源光纤在太空中应用难题的有效途径。

目前的研究表明，辐照时光纤产生缺陷的机理主要有两种：电离损伤和位移损伤。电离损伤是当光纤收到辐照时其中的电子吸收入射粒子能量跃迁到导带，同时在价带中产生对应空穴，即电子-空穴对。位移损伤是当辐照引入到光纤基质中的粒子能量足够大时，高能粒子会导致 Si 或者 O 原子位移从而形成相关缺陷。由于产生位移损伤所需能量高于电离损伤，所以电离损伤是引起有源光纤辐照损伤的主要机制。光纤通过辐照后，会导致光纤产生辐照损耗，降低系统的增益提高光纤的背景损耗，这些都会导致光学系统处于不稳定状态甚至无法正常工作。

抗辐照掺铒光纤技术

长进激光采用铈离子掺杂技术消除辐照产生的色心，通过调控铝和铈的掺杂浓度和比例提升光纤的抗辐照性能，利用镧离子降低铒离子团簇效应，提升光纤效率，最终制备出了具有良好抗辐照性能的掺铒光纤，其中Er3+的掺杂浓度约为1.9×1025 （Ions/m3），所制备光纤纤芯和包层的直径分别为9μm和125μm。考虑到真实太空环境下的辐照剂量处于102 ~105 Gy量级之间，因此选择了1500Gy辐照剂量与0.2Gy/s的剂量率来测试抗辐照掺铒光纤的辐致损耗与辐致增益变化。图2为抗辐照掺铒光纤截面图。

图2 抗辐照掺铒光纤截面 图3为C波段抗辐照掺铒光纤在辐照前与经过1500Gy剂量辐照后的吸收谱以及相应的辐致损耗谱。其中图3（a）为泵浦波段，图3（b）为信号波段。吸收谱均使用PHOTON KINETICS 2500吸收谱测试仪进行截段法测试。辐致损耗谱由辐照后与辐照前的吸收谱作差得到，在常用的泵浦吸收波段980nm的辐致损耗约为1.4dB/m，在C波段信号1550nm处的辐致损耗约为0.8dB/m。

图3抗辐照掺铒光纤的原始光纤吸收谱、辐照光纤吸收谱以及对应的辐致损耗。（a）泵浦波段；（b）信号波段 图4为C波段抗辐照掺铒光纤的增益测试结构图。采用典型的前向泵浦EDFA结构，WDM（Wavelength Division Multiplexing）为波分复用，ISO（Isolator）为隔离器。信号光源采用可调谐C波段光源，泵浦源采用高稳定性980nm泵浦源，原始与辐照后的掺铒光纤测试长度均为2.7m。实验中将原始光纤与辐照后的光纤分别接入增益测试系统进行测试，采用功率为-20dBm的1550nm信号，将980nm泵浦源的功率由50mw逐步提升至550mw，同时记录掺铒光纤的增益水平。增益测试结果均由横河AQ6370D光谱仪测得。

图4 C波段抗辐照掺铒光纤增益测试系统与光纤截面 图5为C波段抗辐照掺铒光纤在辐照前后的增益随泵浦变化曲线。原始光纤在100mw泵浦条件下的增益为27dB，1500Gy辐照光纤在同等条件下的增益为26.2dB，两者作差得到辐致增益变化为仅0.8dB。随着泵浦功率的提升，光纤逐步接近增益饱和。由于泵浦漂白作用，在泵浦功率为500mW时，原始光纤增益达到36.8dB，辐照光纤增益为36.6dB，辐致增益变化减小到0.2dB。

图5 抗辐照掺铒光纤辐照前与辐照后在1550nm处增益随泵浦功率变化曲线

以MCVD技术制备的抗辐照掺铒光纤经过1500Gy剂量，0.2Gy/s平均剂量率辐照后其RIA在980nm和1550nm分别为1.4dB/m和0.8dB/m。通过搭建EDFA进行辐致增益衰减的测试，测试结果显示在1550nm处的RIGV在泵浦功率100mW和500mW下分别为0.8dB和0.2dB。该掺铒光纤抗辐照性能优越，在卫星通信、数据采集和太空探测等领域具有广阔的应用前景。

随着有源光纤在辐照环境下的应用越来越广泛，目前国内很多光纤生产企业都对抗辐照光纤进行深入的研究。武汉长进激光技术有限公司（长进激光）经过多年的技术积累和创新研发，通过在光纤制备时改变光纤掺杂元素、光纤结构等手段，现已成功研制出高性能的抗辐照掺铒光纤与抗辐照铒镱共掺光纤，得到客户的肯定。随着科学技术的不断发展，抗辐照光纤的应用也必定会越来越广泛，长进激光会持续在抗辐照光纤领域加大研发力度，为更多的潜在客户提供高性能的抗辐照有源光纤。

审核编辑 ：李倩