鐿鉺共摻光纖放大器真空下溫度對增益的影響

李伢琴，單 欣，鄖建平，艾 勇

(武漢大學電子信息學院，湖北 武漢430072)

1 引言

大功率光纖放大器是衛(wèi)星光通信中的重要器件，鐿鉺共摻光纖放大器具有高增益，噪聲小等優(yōu)點［1］，適合在光通信中使用。國內(nèi)外對鐿鉺共摻光纖放大器已經(jīng)有很多的研究，特別是在Snitzer提出基于雙包層光纖的包層泵浦技術(shù)之后［2］，多種鐿鉺光纖放大器方案的相繼提出［3－4］，使高功率光纖放大器得到飛速的發(fā)展，并最終在衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中使用［5］。

衛(wèi)星平臺所處的太空環(huán)境復雜，如真空、溫度交變、輻射等［1］，這些環(huán)境因素會影響光線放大的性能和使用，因此需要對光纖放大器在特殊環(huán)境下的工作狀態(tài)進行實驗。其中熱真空實驗是空間環(huán)境模擬實驗中非常重要的一項實驗，航天機構(gòu)對航天產(chǎn)品的驗收，熱真空實驗是必做的實驗項目［6］。大功率鐿鉺共摻光纖放大器產(chǎn)生的大量熱量，在真空中不容易傳導出去，大量熱量的累計會使摻鉺光纖、鐿鉺共摻光纖、泵浦激光器的溫度急劇上升，嚴重影響放大器的增益，嚴重時還存在器件燒毀的危險。因此，大功率光纖放大器作為衛(wèi)星光通信的重要器件，對其在熱真空環(huán)境下的特性研究尤具有重要的意義?？臻g環(huán)境中的高能質(zhì)子輻射會對光纖的造成輻射損耗，降低光纖放大器的增益［7－8］，因此需要對光纖放大器增加輻射保護措施。國內(nèi)外對光纖放大器在大氣常壓下的溫度特性研究較多［1］，對真空環(huán)境下的溫度與增益的關(guān)系國內(nèi)研究較少。

本文主要研究980 nm和940 nm泵浦下光纖放大器在熱真空下光纖放大器增益與溫度的關(guān)系。首先理論分析了真空中熱量累積特性、光纖放大器的增益與溫度的變化的特性;然后模擬太空熱真空環(huán)境，通過遙測數(shù)據(jù)，監(jiān)控放大器輸出功率、光纖溫度的變化，驗證了光放大器溫度與增益的關(guān)系;提出了大功率光纖放大器在真空環(huán)境下溫度控制工藝，通過實驗驗證該工藝具有明顯的穩(wěn)定放大器增益的效果。

2 理論分析

2．1 真空下熱效應分析

光纖放大器的功耗小部分以光能的形式輸出，其余能量大部分以熱耗形式散發(fā)在器件當中。在常壓情況下，熱傳導、熱對流使熱量迅速散發(fā)出去，因此器件溫度能夠穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，保持長時間的正常工作。在真空的環(huán)境下，熱傳導受到了限制，熱對流也可以忽略不計，只能依靠熱輻射傳遞能量［9］。熱輻射常用輻射力(E)來衡量，根據(jù)Planck定律和Stefan－Boltzmann定律［10－11］，熱輻射能力可表示為:

其中，λ為波長，單位為m;T為黑體溫度，單位為K;c1為第一輻射常數(shù)，其值為3．742×10－16W·m2;c2為第二輻射常數(shù)，其值為1．4388×10－2W·K;σ為Stefan－Boltzmann常數(shù)，其值為5．67×10－8W/(m2·K4)。

由于Stefan－Boltzmann常數(shù)數(shù)值非常小，依靠熱輻射散發(fā)的熱量是很少的。因此，真空環(huán)境中，光纖放大器的溫度會快速升高，溫度的升高將影響光纖放大器的各項性能。作為光纖放大器的核心放大部件，光纖的主要成分為二氧化硅，熔融二氧化硅的損傷閾值為50 J/cm2［12］，高溫導致的過大熱量會造成二氧化硅的物理損傷，這種損傷是不可逆轉(zhuǎn)的。這就要求一方面我們要增大有效纖芯面積，一方面提高EDFA散熱性能。

2．2 溫度與增益的理論分析

本實驗的大功率光纖放大器采用兩級放大結(jié)構(gòu)，輸出光功率為2 W。圖1為實驗所使用的光纖放大器結(jié)構(gòu)示意圖，第一級由980 nm泵浦源和單模摻鉺光纖組成，提高輸入后級光纖放大器的信號功率，輸出功率為50 mW左右，使后級放大器工作在深度飽和狀態(tài)，降低放大器的噪聲系數(shù);第二級由兩個雙包層940 nm泵浦源和多模Er/Yb共摻光纖組成，為主要的放大部分，得到2 W的輸出功率。

圖1 光纖放大器結(jié)構(gòu)圖

第一級摻鉺光纖的增益為［13］:

其中，σse，σsa分別是波長λs處的發(fā)射截面和吸收截面;N1，N2分別是基態(tài)和激發(fā)態(tài)上的Er3+離子濃度;Γ是光纖纖芯中信號光場徑向分布與Er3+徑向分布的重疊積分。在粒子達到反轉(zhuǎn)飽和時(假定摻鉺光纖是均勻摻雜的)，式(2)可以表達為［14］:

其中，ρ是Er3+的總粒子濃度;ηsat=N2/(N1+N2)，nsat與溫度值有關(guān)系，當采用980 nm時，nsat的值隨溫度的變化不大［4］，因此僅僅分析溫度對吸收截面σsa和發(fā)射截面σse的影響。由McCumber理論，吸收截面和發(fā)射截面的關(guān)系為［1］:

其中，h為普朗克常數(shù);ε為Er3+的亞穩(wěn)態(tài)能級到基態(tài)能級的平均躍遷能量;ν為光子頻率;k為玻爾茲曼常數(shù);T為溫度。根據(jù)McCumber理論可知，吸收截面可由吸收光譜計算得到，而摻鉺光纖的吸收譜也會受溫度的響應產(chǎn)生漂移。

第二級鐿鉺共摻光纖的增益為［15］:

其中，NEr是摻雜粒子濃度;σe是發(fā)射截面積;L為光纖長度。

圖2為Er3+、Yb3+的發(fā)射截面和吸收截面隨波長的變化示意圖。第二級鐿鉺共摻光纖Yb3+是影響吸收截面主要離子，Yb3+吸收譜寬，在940 nm波段附近有平穩(wěn)的吸收系數(shù)，因此使用940 nm泵浦源能夠有效地抑制泵浦源波長的漂移帶來的吸收截面的變化。同時，溫度還會改變泵浦的輸出波長，波長的變化同樣會引起吸收截面和發(fā)射截面的變化［17］，從而影響增益的變化。

由式(3)、(4)、(5)可知，溫度和光纖放大器的增益成負相關(guān)。要穩(wěn)定光纖放大器的輸出，需要控制光纖放大器中摻鉺光纖和鐿鉺共摻光纖的溫度以及泵浦源的溫度。水冷和添加散熱片是常用的被動散熱方式，但是這種散熱方案實現(xiàn)起來比較笨重，不利于放大器結(jié)構(gòu)的緊湊化、輕量化。制冷片和風冷是常用的主動散熱方式，但是這種散熱方式不利于放大器的低功耗。太空環(huán)境中使用的光纖放大器，一方面考慮機構(gòu)的緊湊化、重量輕、低功耗的散熱措施，另一方面要提高光纖的溫度容限。光功率放大能力集中在第二級鐿鉺共摻光纖中，因此鐿鉺共摻光纖產(chǎn)生的熱量也是比較多的，本實驗中使用的為雙包層多模鐿鉺共摻光纖，有較大的溫度容限。

圖2 Er3+、Yb3+的吸收截面和發(fā)射截面隨波長的變化示意圖

3 光纖放大器真空溫度實驗與分析

衛(wèi)星平臺艙內(nèi)的環(huán)境溫度可以控制在－10～40℃，在地面模擬熱真空時考慮一定的溫度冗余，因此實驗環(huán)境設置為－25～55℃。圖3為真空溫度實驗裝置圖，光纖放大器放在真空罐中。由于真空罐無法對光纖穿窗處理，不能直接監(jiān)控輸入和輸出的光功率，因此要通過光電轉(zhuǎn)換，遙測相應的電壓值可以間接測得輸入和輸出的光功率，溫度的可通過測得的熱敏電阻電壓值得到。為驗證不同的散熱處理工藝，進行了多次熱真空實驗。

圖3 光纖放大器熱真空實驗圖

圖3 中，“1”為光纖放大器電源以及監(jiān)控接口，“2”為光纖放大器盒體溫度探測器，“3”熱沉鋁板的溫度探測器，“4”為真空罐中實驗器材電纜監(jiān)控接口，“5”為真空罐控制接口。實驗中的SFP為光源輸出模塊，已經(jīng)通過真空實驗，可以在真空－45～85℃條件下工作，為光纖放大器提供1550 nm的輸入光。實驗條件如表1所示。

表1 實驗條件

當光纖放大器未做散熱處理時，在55℃的真空環(huán)境中工作5 min的溫度變化曲線如圖4所示。由圖可以看出，在真空中，鐿鉺共摻光纖的溫度迅速升高。由于真空中光纖放大器散熱性能差，內(nèi)部的熱量不能及時傳導出來，當進行到第3個循環(huán)的高溫時，鐿鉺共摻光纖被燒毀。

圖4 55℃真空環(huán)境中工作5 min各點溫度

在鐿鉺共摻光纖燒毀前的第一個熱循環(huán)，每隔5℃測量一次光纖放大器增益(瞬時增益和穩(wěn)定增益)，如圖5所示。結(jié)果顯示，在低溫區(qū)，光纖放大器的瞬時增益低于穩(wěn)定增益;而隨著溫度的增高，兩者間的差值逐漸減小。這一現(xiàn)象是由泵浦源的工作溫度閾值引起的。在低溫時，泵浦要需要通過加熱電流使其到達閾值工作溫度，此時才能輸出正常的泵浦功率，從而使光纖放大器達到正常增益。而在高溫時則不存在這種情況。因此需要增加自動溫度控制(ATC)，保持泵浦的溫度基本恒定［16］。因此在衛(wèi)星激光通信中，在背光低溫的時候需要提前1～2 min開啟光纖放大器，才能進行正常的通信。

圖5 真空中摻雜光纖光纖溫度與增益的關(guān)系

在第一次實驗的時候，累積的熱量造成了鐿鉺共摻光纖溫度過高燒毀。光纖放大器結(jié)構(gòu)中光纖盤繞過于集中(考慮到輻照)，光纖由于受到擠壓自身的熱量不能很好的散發(fā)出去。與此同時，光纖盤繞的轉(zhuǎn)彎處由于轉(zhuǎn)彎半徑過小，導致熱量積聚相對較多。對光纖放大器工作的時候進行熱成像后，也發(fā)現(xiàn)光纖放大器鐿鉺共摻纖的溫度明顯高于其他地方，尤其是轉(zhuǎn)彎處的溫度更高。通過改進結(jié)構(gòu)，將光纖用導熱膠固定，在真空情況下能將光纖表面的熱量傳導到結(jié)構(gòu)體上。經(jīng)過散熱處理工藝后，多次實驗均未出現(xiàn)燒毀的現(xiàn)象。

圖6 真空下55℃時間與溫度的關(guān)系

由圖6可以看出，在進行散熱處理后，同樣在真空的55℃下工作5 min，鐿鉺共摻的溫度為78℃，溫度要比未做熱處理前低40℃，摻鉺光纖的溫度基本與光纖放大器的外殼的溫度增長一致，可以看出熱處理有效地增加了光纖放大器的熱傳導能力(光纖放大器外殼與熱沉鋁板之間也均勻涂抹上了一層導熱系數(shù)高的導熱硅脂，外殼的溫度可以傳到到熱沉鋁板上)，在實際安裝在衛(wèi)星載荷上，應該在光纖放大器與載荷之間均勻涂抹上導熱硅脂。

實驗進一步研究了光纖放大器在熱真空高溫時溫度與增益關(guān)系。光纖放大器在環(huán)境溫度(熱沉溫度，且溫度穩(wěn)定半小時)55℃工作5 min。圖7(a)所示是未做散熱處理的情況，第一個熱循環(huán)時，光纖放大器的增益與溫度的關(guān)系。由圖可以看出，增益從31．98 dB下降到31．19 dB，下降了0．79 dB。圖7(b)所示是熱處理改進后的溫度與增益之間的關(guān)系，光纖放大器的增益下降0．30 dB，輸出功率波動小于10 mW。

圖7 熱真空下光纖放大器在熱處理前后溫度與增益的關(guān)系

4 結(jié)論

本文通過實驗測得了在真空環(huán)境下(氣壓小于1．3×10－3Pa)，環(huán)境溫度－25～55℃，鐿鉺共摻光纖溫度－25～106℃，光纖放大器增益變化情況，增益從32．2 dB下降到31．19 dB;輸入光為1550 nm，增益以0．0076 dB/℃變化。提出了在光纖放大器光纖放大器的在真空中的散熱處理措施，實驗表明該辦法能夠有效的增加光纖放大器的散熱性能，穩(wěn)定了輸出功率的波動，經(jīng)過散熱處理后的Er/Yb共摻光纖放大器可以適合太空的熱真空環(huán)境。

［1］ WANG Chuancai．Experimental study of electronic radiation and temperature on the gain of erbium－doped fiber amplifier［D］．Harbin:Harbin Institute of Technology，2011．(in Chinese)王傳才．電子輻照和溫變環(huán)境對摻鉺光纖放大器增益影響實驗研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2011．

［2］ E Snitzer，H Po，F(xiàn) Hakimi，et al．Double－clad，offset core ND fiber laser［C］．Digest of Conference on Optical Fiber Sensors，Washington DC:Optical Society of America，1988，2:PD5．

［3］ Y Jeong，JK Sahu，DB S，et al，High－power tunable single－frequency single－mode erbium:ytterbium codoped large－core fiber master－oscillator power amplifier source［J］．Opt．Lett．，2005，30(22):2997－2999．

［4］ Di Teodoro，F(xiàn)．Savage－Leuchs，M．Norsen．High－power pulsed fiber source at 1567 nm［C］．Proc．SPIE，2005，5709(359):359－362．

［5］ Wolfgang Pitz，David Miller．The TerraSAR－X Satellite［J］．IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2010，48(2):615－622．

［6］ COSTIND．GJB1027A－2005．Test Requirements for Launch，Upper－Stage，and Space Vehicles［S］．Beijing:CSTIND Military Standard Press，2006．(in Chinese)國防科學技術(shù)工業(yè)委員會．GJB1027A－2005．運載器、上面級和航天器試驗要求［S］．北京:國防科工委軍標出版發(fā)行部，2006．

［7］ A Gusarov，Marco Van Uffelen，M Hotoleanu．Radiation sensitivity of EDFAs based on highly Er－Doped fibers［J］．Journal of Lightwave Technology，2009，27(11):1540－1545．

［8］ MA Jing，LI Mi，TAN Liying，et al．Analysis of the space radiation effect on EDFA for inter－satellite optical communication［J］．Journal of Astronautics，2009，30(1):250－254．(in Chinese)馬晶，李密，譚立英，等．衛(wèi)星光通信中空間輻射對EDFA性能的影響分析［J］．宇航學報，2009，30(1):250－254．

［9］ GAO Guangbo，LI Xuexin．Reliability physics of semiconductor devices［M］．Beijing:Science Press，1987:106－108．(in Chinese)高光渤，李學信．半導體器件可靠性物理［M］．北京:科學出版社，1987:106－108．

［10］M Planck．On the law of distribution of energy in the normal spectrum［J］．Annalen der physik，1901，4:553．

［11］ZHANG Zhenjiu．The modern theory of relativity and black hole physics［M］．Wuhan:Huazhong Normal University Press，1986:362．(in Chinese)張鎮(zhèn)九．現(xiàn)代相對論及其黑洞物理學［M］．武漢:華中師范大學出版社，1986:362．

［12］Mingyuan Cheng，Yuchung Chang，Almantas galvanauskas，et al．High－energy and high－peak－power nanosecond pulse generation with beam quality control in 200μm core highly multimode Yb－doped fiber amplifiers［J］．Opt．Lett，2005，30(4):358－360．

［13］Liang Quanting．Temperature dependence of the gain in Er－doped fiber amplifiers［J］．Acta optica sinica，1995，15(8):1115－1118．(in Chinese)梁銓廷．摻鉺光纖放大器增益的溫度依賴關(guān)系［J］．光學學報，1995，15(8):1115－1118．

［14］Nobuyuki Kagi，Akira Oyobe，Kazunori Nakamura．Temperature Dependence of the Gain in Erbium－Doped Fibers［J］．Journal of Lightwave Technology，1991，9(2):261－265．

［15］ZHANG Panpan．Performance Optimization of Er3+/Yb3+Co－doped Double－cladding Optical Fiber［D］．Xi'an:Xidian University，2011．(in Chinese)張盼盼．鐿/鉺共摻光纖放大器的性能優(yōu)化［D］．西安:西安電子科技大學，2011．

［16］GAN Yujun，TAN Xinquan．Manufacture of 980 nm pump Laser for EDFA［J］．Laser＆Infrared，2001，31(4):219－221．(in Chinese)干煜軍，談新權(quán)．EDFA用980nm泵浦源的研制［J］．激光與紅外，2001，31(4):219－221．