超熒光光源中摻鉺光子晶體光纖輻射效應(yīng)

劉承香，吳 旭，張 力，葉振華

1)深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，深圳市激光工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518060;

2)深圳大學(xué)信息工程學(xué)院，深圳 518060;3)深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，深圳 518060

超熒光光源中摻鉺光子晶體光纖輻射效應(yīng)

劉承香1，吳 旭1，張 力2，葉振華3

1)深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，深圳市激光工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518060;

2)深圳大學(xué)信息工程學(xué)院，深圳 518060;3)深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，深圳 518060

研究伽馬輻射對(duì)基于摻鉺光子晶體光纖超熒光光源輸出特性的影響.對(duì)比基于摻鉺光子晶體光纖和傳統(tǒng)摻鉺光纖超熒光光纖光源.分別將這兩套光源的摻鉺光纖部分置于伽馬輻射環(huán)境中，研究不同輻射劑量對(duì)光源輸出功率和平均波長(zhǎng)的影響，測(cè)試輻射結(jié)束后光源的恢復(fù)情況.結(jié)果表明，兩種摻鉺光纖的輻射效應(yīng)所引起的超熒光光纖光源性能退化基本相近，但相比傳統(tǒng)摻鉺光纖，摻鉺光子晶體光纖具有更好的恢復(fù)特性，在空間領(lǐng)域應(yīng)用具有潛在優(yōu)勢(shì).

超熒光光纖光源;伽馬輻射;摻鉺光子晶體光纖;光纖陀螺;輸出功率;平均波長(zhǎng)

超熒光光纖光源 (superfluorescent fiber source，SFS)具有寬光譜、高輸出功率、高平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性和低相干長(zhǎng)度等優(yōu)點(diǎn)，已成為光纖陀螺 (fiber optic gyroscope，F(xiàn)OG)的首選光源［1-2］.當(dāng)前光纖陀螺通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì)、更精細(xì)的光纖環(huán)繞制、更完善的信號(hào)檢測(cè)及有效的屏蔽技術(shù)，較好地解決了溫度敏感、噪聲大和磁敏感等工程問(wèn)題，已廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域.空間領(lǐng)域的應(yīng)用給光纖陀螺帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)光纖陀螺的抗輻射性提出了特殊要求.而光源作為光纖陀螺的5大部件之一，對(duì)光纖陀螺的精度和穩(wěn)定性起至關(guān)重要的作用，因此需要開(kāi)展光源的輻射效應(yīng)和抗輻射措施研究［3］.

摻鉺光纖 (erbium-doped fiber，EDF)作為光源的增益和傳輸介質(zhì)，其抗輻射特性是影響光源整體抗輻射性的重要因素.鑒于空間通訊、導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用需求，摻鉺光纖器件的輻射成為迫切需要解決的問(wèn)題.有不少學(xué)者對(duì)摻鉺光纖的輻射特性展開(kāi)了研究［4-10］，包括輻射缺陷理論模型、輻射影響因素、輻射機(jī)理及輻射加固措施等.雖然研究人員在輻射實(shí)驗(yàn)、光纖輻照效應(yīng)及抗輻射光纖的設(shè)計(jì)等方面提出了一些解決方案，但由于傳統(tǒng)摻鉺光纖本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尚未形成完全有效的輻射加固技術(shù).

光子晶體光纖［11-19］(photonic crystal fiber，PCF)的出現(xiàn)引起了世界的普遍興趣，其靈活新穎的特性為學(xué)者們提供了廣闊的想象與創(chuàng)新空間.在PCF抗輻射方面，最先由法國(guó)Girard S課題組展開(kāi)，2002年報(bào)道了實(shí)芯PCF的輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果［15］，指出經(jīng)輻照后，PCF比普通光纖恢復(fù)得更快.該課題組2005年報(bào)道了空芯PCF的輻照實(shí)驗(yàn)［16］，指出低劑量時(shí)，PCF的輻致?lián)p耗略?xún)?yōu)于普通光纖;當(dāng)輻射達(dá)到一定劑量后，空芯PCF的輻致?lián)p耗達(dá)到飽和，且輻射永久性損傷小、恢復(fù)快.2006年俄羅斯Kosolapov A F［17］研究指出，對(duì)PCF載氫處理后，可大大減少其在630 nm處的輻射損耗.2007年美國(guó)Alfeeli B［18］進(jìn)行了無(wú)序孔 PCF的輻射研究，結(jié)果表明，對(duì)無(wú)序孔PCF使用甲醇清洗后，其抗輻射性能大大提高.以上研究表明，PCF的抗輻射特性比普通單模和多模光纖要好.盡管如此，摻稀土元素PCF的輻射效應(yīng)卻鮮見(jiàn)報(bào)道.本課題組利用摻鉺光子晶體光纖 (erbium-doped photonic crystal fiber，EDPCF)搭建了超熒光光纖光源，實(shí)驗(yàn)研究了摻鉺光子晶體光纖的輻射效應(yīng)，及對(duì)光源輸出特性的影響，采用傳統(tǒng)的摻鉺光纖進(jìn)行了對(duì)照實(shí)驗(yàn).

1實(shí)驗(yàn)

1.1 待測(cè)光纖

實(shí)驗(yàn)所測(cè)光纖為摻鉺光子晶體光纖和傳統(tǒng)摻鉺光纖，由烽火通信科技股份有限公司拉制，其主要參數(shù)如表1.

表1 測(cè)試光纖的主要參數(shù)Table 1 Characteristics of tested fibers

傳統(tǒng)摻鉺光纖僅由纖芯和包層組成，而摻鉺光子晶體光纖的包層結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，其端面的掃描電鏡圖如圖1.由圖1可見(jiàn)，摻鉺光子晶體光纖的包層有7層空氣孔，空氣孔直徑約2.0 μm，孔間距約4.0 μm.纖芯為實(shí)芯并摻雜有鉺離子 (Er3+)，其摻雜直徑約 4.0 μm，模場(chǎng)直徑約4.34 μm.兩種光纖纖芯的摻雜工藝基本相同，鉺離子摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng) (約為0.1%).為避免鉺離子的團(tuán)簇效應(yīng)，纖芯中都摻雜了Al3+離子，傳統(tǒng)摻鉺光纖摻雜Al3+離子的摩爾分?jǐn)?shù)約為2.3%.由于Al3+離子是輻射過(guò)程中的主要“著色”離子之一［8］，應(yīng)我們?cè)O(shè)計(jì)要求，摻鉺光子晶體光纖摻雜Al3+離子的摩爾分?jǐn)?shù)降低到約1.1%.

圖1 摻鉺光子晶體光纖的端面掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electron microscope image of the erbium-doped PCF

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

輻射實(shí)驗(yàn)在北京師范大學(xué)輻射中心進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2.選取2種摻鉺光纖長(zhǎng)度均為20 m，分別搭建2個(gè)超熒光光纖光源，采用單程后向結(jié)構(gòu).每個(gè)光源包括:1個(gè)980 nm半導(dǎo)體激光器(LD)作為泵浦源，1個(gè)自行研制的泵浦驅(qū)動(dòng)電路模塊(LD driver)，1個(gè)980 nm/1 550 nm波分復(fù)用器(WDM)，2個(gè)隔離器(isolator)，各光纖器件之間采用尾纖熔接方式連接［19］.輻射源為60Co的伽馬射線源，2個(gè)光源所置放位置的輻射劑量率為1×10-4Gy/s，歷時(shí)約6 d，輻射總劑量為500 Gy.除了將2種摻鉺光纖暴露在輻射環(huán)境中，摻鉺光源的其他部分都分別安裝在2個(gè)鋁盒中，并使用鉛磚(lead brick)遮擋進(jìn)行輻射屏蔽.2個(gè)光源的輸出分別利用30 m的SMF單模跳線引出到輻照室外，用光譜儀(OSA)和功率計(jì)(OPM)測(cè)量光源的光譜信息和輸出功率，通過(guò)GPIB卡將光譜儀和功率計(jì)與PC機(jī)連接，組成實(shí)驗(yàn)在線測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ).

圖2 在線測(cè)量?jī)煞N摻鉺光纖受伽馬輻射時(shí)兩個(gè)光源輸出特性的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experiment setup used to measure online two superfluorescent sources when the two Er-doped fibers exposed to gamma radiation

2 結(jié)果及分析

2.1 伽馬輻射效應(yīng)

圖3為輻射過(guò)程中2個(gè)光源輻致衰減 (radiation induced attenuation，RIA)隨輻射劑量的變化關(guān)系.由圖3可見(jiàn)，隨著輻射劑量的增大，輻致衰減不斷增大，并隨輻射累積劑量進(jìn)一步增大，衰減速率變緩.由于摻鉺光子晶體光纖中摻雜的Al3+離子更少，其輻射特性應(yīng)該比傳統(tǒng)摻鉺光纖更好，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果與期望有一定差異.由圖3可見(jiàn)，當(dāng)輻射劑量小于150 Gy時(shí)，光子晶體光纖的衰減略小于傳統(tǒng)摻鉺光纖，當(dāng)輻射劑量超過(guò)150 Gy后，摻鉺光子晶體光纖的輻致衰減略大于傳統(tǒng)摻鉺光纖，主要原因可能是目前光子晶體光纖的拉制工藝不夠成熟，在拉制過(guò)程中某些制備環(huán)節(jié) (如堆砌包層硅毛細(xì)管)需要人工參與，這樣的過(guò)程難免會(huì)引入雜質(zhì)，降低光子晶體光纖的抗輻射性能.

圖3 兩個(gè)光源的功率輻致衰減隨輻射劑量的變化Fig.3 Dose dependence of RIA in the two SFSs

圖4為2個(gè)光源的平均波長(zhǎng)漂移與輻射劑量的關(guān)系.由圖4可見(jiàn)，隨著輻射劑量增大，平均波長(zhǎng)都向短波長(zhǎng)1 530 nm方向漂移，這是因?yàn)檩椛涫箵姐s光纖的纖芯形成“色心”，導(dǎo)致泵浦光和超熒光不斷衰減，使鉺纖發(fā)射譜在1 560 nm處的增益減小，且隨輻射劑量的加大，波長(zhǎng)漂移幅度漸緩.

圖5為2個(gè)光源的輸出光譜隨摻鉺光纖的輻射劑量的演變過(guò)程.由圖5(a)和(b)可知，在輻射開(kāi)始時(shí)輸出譜型都是雙峰結(jié)構(gòu);隨著輻射劑量的加大，2個(gè)光源的輸出譜型變化主要表現(xiàn)在1 560 nm峰降低很快;當(dāng)輻射劑量增大到一定程度后，光譜能量主要集中在1 530 nm峰，譜型變化不大.

圖4 兩個(gè)光源的平均波長(zhǎng)漂移隨輻射劑量的變化Fig.4 Dose dependence of mean wavelength drifts of the two SFSs

圖5 兩個(gè)光源在不同輻射劑量下的光譜演變圖Fig.5 Spectrum evolution of the two SFSs under gamma ray irradiation

其結(jié)果和圖4中平均波長(zhǎng)的變化相一致.需要說(shuō)明的是，圖5(a)中所測(cè)試的摻鉺光子晶體光纖光源的輸出譜型曲線有一定的波紋，可能是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中某段光纖受擠壓所致.

2.2 輻射后的恢復(fù)

輻射結(jié)束后，光源的恢復(fù)過(guò)程是返回深圳后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試的.由于實(shí)驗(yàn)條件有一定改變，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以首次恢復(fù)測(cè)試的結(jié)果作為基準(zhǔn).圖6(a)是兩個(gè)光源的功率恢復(fù)情況，2種光纖都表現(xiàn)出一定程度的恢復(fù)，然而顯見(jiàn)，光子晶體光纖光源在輻射后輸出功率的恢復(fù)幅度更大速度更快.對(duì)照?qǐng)D3輻射衰減過(guò)程可見(jiàn)，光子晶體光纖的輻射永久損耗小.圖6(b)是2個(gè)光源平均波長(zhǎng)的恢復(fù)情況，光子晶體光纖光源的平均波長(zhǎng)恢復(fù)更快.以上實(shí)驗(yàn)表明，相比傳統(tǒng)摻鉺光纖，摻鉺光子晶體光纖具有更好的恢復(fù)特性和較小的永久輻射損耗.

圖6 兩個(gè)光源輻射后的恢復(fù)情況Fig.6 The recovery of the two SFSs after gamma radiation

結(jié) 語(yǔ)

介紹本課題組研究摻鉺光子晶體光纖的伽馬輻射效應(yīng)對(duì)光源性能影響的初步實(shí)驗(yàn)，探索了摻鉺光子晶體光纖的抗輻射特性.實(shí)驗(yàn)同時(shí)采用相同長(zhǎng)度和濃度的傳統(tǒng)摻鉺光纖作對(duì)照，將2種摻鉺光纖置于伽馬射線的輻射環(huán)境中，測(cè)試不同輻射劑量下光源的輸出功率和光譜的變化.輻射結(jié)束后對(duì)比測(cè)試了2種光源的恢復(fù)情況.結(jié)果表明，兩種光纖在輻射中具有相近的輻致?lián)p耗和相似的衰減過(guò)程，其輸出光譜的變化主要集中在1 560 nm附近.在輻射后的恢復(fù)過(guò)程中，相比傳統(tǒng)的摻鉺光纖，摻鉺光子晶體光纖表現(xiàn)出了更好的恢復(fù)特性，表明摻鉺光子晶體光纖具有在空間領(lǐng)域應(yīng)用的潛力.相信隨著光子晶體光纖拉制工藝的日趨成熟，其在抗輻射方面的優(yōu)勢(shì)將日益明顯，光子晶體光纖的多孔性和靈活的可設(shè)計(jì)性，為光子晶體光纖的輻射加固提供了更多可能.

致謝:感謝阮雙琛教授對(duì)本研究的悉心指導(dǎo).

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Gamma-radiation induced effects on Erbium-doped photonic crystal fiber in superfluorescent source?

LIU Cheng-xiang1，WU Xu1，ZHANG Li2，and YE Zhen-hua3

1)College of Electronic Science and Technology，Shenzhen Key Laboratory of Laser Engineering，Shenzhen University Shenzhen 518060 P.R.China

2)College of Information Engineering，Shenzhen University Shenzhen 518060 P.R.China

3)College of Mechatronics and Control Engineering，Shenzhen University Shenzhen 518060 P.R.China

The effects of gamma radiations on the superfluorescent fiber source(SFS)constructed by erbium-doped photonic crystal fiber(EDPCF)was investigated.For comparison，two sets of SFS were constructed by conventional erbium-doped fiber(EDF)and EDPCF.The erbium-doped fiber parts of the SFS were exposed to the gamma radiations.The relationships of the radiation dose and the output power，and the mean wavelength of the two sets of SFS were studied.The recovery situations after removing the gamma radiations were also investigated.The results show that the radiation induced degradation of the two SFS is similar.But compared to conventional EDF，the EDPCF displays better recovery properties.It should have potential advantages in space applications.

superfluorescent fiber source;gamma radiation;erbium-doped photonic crystal fiber;fiber optic gy-

TN 253

A

1000-2618(2011)04-0335-06

2011-05-31

武器裝備預(yù)研基金資助項(xiàng)目 (9140A＊＊＊01)

劉承香 (1976-)，女 (漢族)，重慶市人，深圳大學(xué)副教授、博士.E-mail:chxliu@szu.edu.cn

Abstract:1000-2618(2011)04-0339-EA roscope;output power;mean wavelength

? This work was supported by the Advanced Research of Weapon Equipment Foundation(9140A＊＊＊01).

【中文責(zé)編:方 圓;英文責(zé)編:衛(wèi) 棟】