伽馬輻照對摻鉺光纖性能影響的研究

李競飛，陳偉民，雷小華，張 偉，齊 翊，許亨藝，劉顯明

重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044

伽馬輻照對摻鉺光纖性能影響的研究

李競飛，陳偉民*，雷小華，張 偉，齊 翊，許亨藝，劉顯明

重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044

為了推進(jìn)摻鉺光纖抗輻射性能的研究，全面掌握摻鉺光纖性能在輻照條件下的變化規(guī)律?；谏哪Ｐ蛯姐s光纖的輻照作用機(jī)理進(jìn)行了分析，并據(jù)此對摻鉺光纖在輻照中的性能變化趨勢進(jìn)行了預(yù)測推斷。然后根據(jù)摻鉺光纖的工作原理和應(yīng)用特性，在伽馬輻照條件下對兩種不同型號(EDF-L-980和MP980)摻鉺光纖的980 nm波段損耗譜、1 530 nm波段損耗譜以及發(fā)射光譜的特性進(jìn)行了在線實(shí)時監(jiān)測，并在輻照停止后進(jìn)行了恢復(fù)測量。研究表明，在輻照中兩種摻鉺光纖的性能變化趨勢一致。在損耗譜方面，980 nm波段和1 530 nm波段的損耗隨輻照單調(diào)增加，980 nm吸收峰與1 530 nm吸收峰處的損耗與輻照劑量呈近似線性關(guān)系； 在發(fā)射光譜方面，發(fā)射光譜強(qiáng)度隨輻照單調(diào)降低，光譜能量向長波方向轉(zhuǎn)移，平均波長和光譜帶寬大幅增加，1 530 nm發(fā)射峰處的發(fā)光強(qiáng)度與輻照劑量也呈近似線性關(guān)系。輻照停止后，摻鉺光纖體現(xiàn)出了一定的恢復(fù)能力，但是各項(xiàng)參數(shù)的恢復(fù)均不到40%。各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型和分析預(yù)測匹配良好，證明了輻照對摻鉺光纖性能影響理論解釋的合理性。

摻鉺光纖； 伽馬輻照； 色心； 發(fā)射光譜； 損耗譜

引 言

摻鉺光纖能夠在光纖的最佳傳輸窗口1 550 nm波段實(shí)現(xiàn)有效地光傳輸和光放大，因而在光纖通信和光纖傳感等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]，以摻鉺光纖為核心關(guān)鍵器件的摻鉺超熒光光纖光源(superfluorescent fiber source，SFS，又稱ASE光源)和摻鉺光纖放大器(erbium-doped optical fiber amplifier，EDFA)是其中的典型代表。ASE光源具有輸出光譜穩(wěn)定、輸出光功率高、熒光譜線寬、偏振相關(guān)性低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，且與常規(guī)單模光纖兼容, 可實(shí)現(xiàn)整個應(yīng)用系統(tǒng)的全光纖化，因此被廣泛應(yīng)用于光譜分析、光學(xué)層析、醫(yī)學(xué)診斷等眾多光纖傳感和光通信系統(tǒng)中。EDFA能夠直接對1 550 nm波段進(jìn)行光放大，具有增益高，噪聲低，帶寬大，串話小，損耗低，對溫度偏振不敏感，易與傳輸光纖耦合連接等優(yōu)點(diǎn)。EDFA近乎完美的特性和半導(dǎo)體泵浦源的使用給1 550 nm窗口的光纖通信帶來了一場革命，使長距離、大容量、高速率的光纖通信成為可能，是WDM系統(tǒng)及未來高速系統(tǒng)、全光網(wǎng)絡(luò)不可缺少的重要器件，在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用極其廣泛[3-5]。

隨著光通信、光傳感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，ASE光源和EDFA等摻鉺光纖器件被應(yīng)用到空間、核電等輻照環(huán)境的情況越來越多[5]。由于輻照的電離特性會對光纖元器件及材料的性能產(chǎn)生影響甚至破壞[6-7]。因此研究摻鉺光纖在輻照條件下的性能變化，掌握其在輻照條件下的性能蛻變規(guī)律，對于提高摻鉺光纖的抗輻照性能，以及在實(shí)際應(yīng)用中采取相應(yīng)的防護(hù)或補(bǔ)救措施都具有重要意義。

針對摻鉺光纖的輻照特性，國內(nèi)外已經(jīng)有一些研究報(bào)道： 早期有關(guān)于摻鉺光纖在514 nm泵浦源條件下發(fā)射光譜的輻照特性報(bào)道[8-9]，但現(xiàn)在摻鉺光纖的主流應(yīng)用基本都轉(zhuǎn)向了利用980 nm泵浦1 530 nm波段(含1 550 nm窗口)發(fā)射光譜的特性； 此外，還存在質(zhì)子或X射線對摻鉺光纖性能影響的報(bào)道[9-10]，然而空間應(yīng)用環(huán)境中的輻照類型主要是電子和伽馬射線，質(zhì)子或X射線相對較少； 還有些文獻(xiàn)通過研究摻鉺光纖器件在輻照下的變化間接研究了摻鉺光纖的變化[11-12]，但是這種方式難以明確摻鉺光纖在其中的變化和作用。

現(xiàn)有的相關(guān)報(bào)道存在著研究參數(shù)片面和不符合主流市場需求等問題。這不僅不利于推進(jìn)摻鉺光纖抗輻照性能的研究, 還使得已有摻鉺光纖應(yīng)用產(chǎn)品在輻照條件下的可靠性難以掌握。因此，為全面掌握摻鉺光纖本身的性能在輻照條件下的變化規(guī)律，并符合摻鉺光纖的主流應(yīng)用特性，需要對980 nm波段和1 530 nm波段的損耗譜和發(fā)射光譜參數(shù)從理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行全面分析。

1 輻照對摻鉺光纖性能影響的理論分析

為全面研究輻照對摻鉺光纖性能造成的影響，需要從摻鉺光纖的工作原理出發(fā)，對摻鉺光纖的輻照影響機(jī)理進(jìn)行分析探討。

1.1 摻鉺光纖的工作原理

鉺是一種稀土元素，在光纖制造過程中摻入一定量的三價鉺離子(Er3+)，便形成了摻鉺光纖。這種光纖中的鉺離子會對特定波長的光子敏感，吸收其能量，使自身能級發(fā)生變化。從圖1的鉺離子能級圖來看，摻鉺光纖可以有1 530，1 480，980，800，650和514 nm等波長的泵浦源，當(dāng)鉺離子從基態(tài)4I15/2能級被泵浦到高能級并形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后，一般都會以無輻照躍遷的形式返回到激光的上能級4I13/2，而激光上能態(tài)4I13/2上的鉺離子會以自發(fā)輻照或受激輻照的形式重新躍遷回基態(tài)4I15/2中，并產(chǎn)生1 530 nm波段的超熒光。

圖1 鉺離子能級結(jié)構(gòu)圖

可以注意到，鉺離子的能級都有一定的寬度，因此泵浦摻鉺光纖產(chǎn)生的超熒光并不是單一的波長，而是(1 530±30) nm左右的超熒光波段。而在鉺離子沒有得到充分泵浦(泵浦強(qiáng)度太低、摻雜濃度太高或摻鉺光纖長度過長)的情況下，1 530 nm波段發(fā)射光會充當(dāng)泵浦源使摻鉺光纖發(fā)生二次泵浦，導(dǎo)致輸出的超熒光波長向L波段[(1590±30) nm]偏移。

1.2 輻照對摻鉺光纖性能影響的機(jī)理分析

研究表明，輻照對摻鉺光纖的影響主要是電離總劑量效應(yīng) (total ionizing dose，TID)。電離輻照穿過材料時會產(chǎn)生大量的電子空穴對，這些電荷將會逐漸改變材料性能，其程度取決于材料吸收的電離輻照總能量的多少，這就是TID效應(yīng)。TID效應(yīng)的本質(zhì)是材料中的點(diǎn)缺陷俘獲了帶電粒子。對摻鉺光纖來說，材料中的點(diǎn)缺陷可以由輻照本身引起，也可以在光纖制造和摻雜的工藝過程產(chǎn)生。這種粒子俘獲效應(yīng)積累至一定程度，會引起光纖材料光學(xué)性質(zhì)的變化，直接的表現(xiàn)就是光纖材料中色心(color center)的產(chǎn)生[13]。色心形成后，光纖材料對光譜中的紫外波段表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收特性，幾乎呈不透明狀態(tài)。在紅外波段的吸收雖然相對較小，但總體上仍表現(xiàn)出光的傳輸效率降低，損耗系數(shù)增加[9]。另外有文獻(xiàn)報(bào)道，輻照對鉺纖的影響主要是增加了鉺纖的背景損耗而不是影響鉺離子的吸收[14]。

在高能粒子輻照條件下，除了光纖中本身的點(diǎn)缺陷會被誘導(dǎo)形成色心外，還會使二氧化硅網(wǎng)格中疲勞鍵斷裂或網(wǎng)格中氧移位形成色心。色心濃度與輻照劑量的關(guān)系如式(1)所示[13]

(1)

其中，N(D)為色心濃度，D為輻照劑量；Np(0)為光纖在制造過程中產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷，kp和ke分別為該類點(diǎn)缺陷形成色心和色心重新恢復(fù)成點(diǎn)缺陷的概率；Nc為二氧化硅疲勞鍵濃度，kc為二氧化硅網(wǎng)格中疲勞鍵斷裂和氧移位形成色心的概率。根據(jù)式(1)可以得出結(jié)論： 1)隨著輻照劑量增加，公式中的第一部分成為主要影響因素，色心濃度與輻照劑量呈近似線性關(guān)系； 2)摻鉺光纖的不同制造工藝會導(dǎo)致式(1)中除輻照劑量外的其他參數(shù)波動變化。

雖然輻照會使摻鉺光纖內(nèi)部形成上述的色心產(chǎn)生規(guī)律，但是這些色心會使980 nm波段和1 530 nm波段的相關(guān)光譜發(fā)生怎樣的變化還未見報(bào)道。綜合TID效應(yīng)以及摻鉺光纖的能級應(yīng)用特性，可以推測輻照會對摻鉺光纖的性能造成如下影響： (1)980和1 530 nm波段在摻鉺光纖中的傳輸損耗將增大，其中又以980和1 530 nm這兩個吸收峰因?yàn)槭艿姐s離子和色心的雙重吸收而損耗最大； (2)以上兩個波段的損耗增大又會導(dǎo)致980 nm泵浦出的1 530 nm波段發(fā)射光譜強(qiáng)度降低； (3)980 nm泵浦光被色心吸收會導(dǎo)致泵浦強(qiáng)度降低，當(dāng)這一過程的程度足夠深即泵浦光強(qiáng)度降低足夠多時，會使本來可以忽略不計(jì)的二次泵浦現(xiàn)象因?yàn)殂s離子得不到充分泵浦而大幅增強(qiáng)，輸出的超熒光波長向L波段[(1590±30) nm]偏移。(4)以上(1)，(2)和(3)同時作用，會使1 530 nm發(fā)射峰成為整個發(fā)射光譜中強(qiáng)度降低最為劇烈的波長。

2 實(shí)驗(yàn)部分

根據(jù)輻照對摻鉺光纖性能影響的機(jī)理分析可知，輻照會導(dǎo)致?lián)姐s光纖在980和1 530 nm波段的傳輸損耗增加，為此實(shí)驗(yàn)將對980和1 530 nm波段損耗譜的變化情況進(jìn)行測量； 此外輻照還會造成發(fā)射光譜強(qiáng)度降低，二次泵浦增強(qiáng)，因此還將對摻鉺光纖的發(fā)射光譜及其平均波長和光譜帶寬變化進(jìn)行測量。同時，為了準(zhǔn)確反映出輻照對摻鉺光纖性能造成的影響，為提高摻鉺光纖的抗輻射性能提供依據(jù)，將對以上參數(shù)在輻照過程中進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測，并在輻照后進(jìn)行恢復(fù)測量。

制造工藝不同可能導(dǎo)致輻照造成的影響有明顯差異。因此，為了驗(yàn)證輻照對摻鉺光纖性能影響的預(yù)測并確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，選擇兩種不同型號的單模摻鉺光纖進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)： 一種是武漢烽火銳光科技有限公司生產(chǎn)的EDF-L-980型摻鉺光纖(以下簡稱EDF-L-980)，另一種是美國OFS公司生產(chǎn)的MP980型摻鉺光纖(以下簡稱MP980)。兩種摻鉺光纖均是針對C波段應(yīng)用研制的產(chǎn)品，它們的主要出廠參數(shù)如表1所示。

表1 被測摻鉺光纖主要出廠參數(shù)

輻照實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，采用Co60輻照源對樣品進(jìn)行γ射線輻照，并用30 m光纖將信號引到輻照室外進(jìn)行在線測量。實(shí)驗(yàn)的輻照劑量率為4.17 Gy·min-1，輻照總劑量2 600 Gy。實(shí)驗(yàn)中，摻鉺光纖樣品被固定在有機(jī)玻璃板上，同時利用輻照劑量測試儀對輻照總劑量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)測量光路如圖3所示，光譜分析儀型號為ANDO AQ6317B。LD光源用于對摻鉺光纖發(fā)射光譜的測量，選取的摻鉺光纖長度為5 m。SLD和ASE光源分別用于對980nm波段和1 530 nm波段損耗譜的測量，其中SLD的工作波長為960～990 nm，ASE的工作波長為1 525～1 558 nm。由于需要對損耗譜進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測，因此實(shí)驗(yàn)中采用了國家標(biāo)準(zhǔn)測量方法中的插入損耗法，選取的摻鉺光纖長度為2和1.5 m。插入損耗法需要分別測量一段較短光纖和一段較長光纖在相同波長相同輸入光功率條件下的輸出光功率，計(jì)算兩者的差值，然后利用這兩段光纖的長度差, 計(jì)算出單位長度的該種光纖在該波長處的損耗。

圖3 實(shí)驗(yàn)測量光路原理圖

Fig.3 Experimental setup used for online measurements of radiation induced spectral modifications in erbium-doped fiber samples

3 結(jié)果與討論

3.1 980和1 530 nm波段損耗譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4(a)，(c)和圖4(b)，(d)分別是EDF-L-980和MP980在980 nm波段和1 530 nm波段的損耗譜在輻照中的變化。兩種摻鉺光纖在這兩個波段的變化趨勢一致，隨著輻照劑量增加，損耗譜強(qiáng)度整體增強(qiáng)，但譜形幾乎未變； 此外，在輻照過程中始終以980 nm吸收峰和1 530 nm吸收峰的損耗最高。損耗譜強(qiáng)度增加正是因?yàn)檩椪照T導(dǎo)摻鉺光纖基質(zhì)產(chǎn)生了大量色心，這些色心會對包括980 nm波段和1 530 nm波段在內(nèi)的紅外波段產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收； 而980 nm吸收峰和1 530 nm吸收峰的損耗最高，則是因?yàn)檫@兩個吸收峰不僅要受到色心的吸收，同時還要受到鉺離子的吸收。色心在各波長產(chǎn)生的損耗在較短的波長范圍內(nèi)基本均勻[8]，因此譜形保持不變從側(cè)面印證了輻照導(dǎo)致的損耗增加主要來自于色心增加，輻照對鉺離子的影響可忽略不計(jì)。

為更加清楚地表征損耗譜和輻照劑量的關(guān)系，兩種摻鉺光纖在980和1 530 nm處的損耗在輻照中和輻照后的變化如圖5所示?？梢钥闯?，兩個吸收峰處的損耗在輻照中和輻照劑量成近似線性關(guān)系，結(jié)合色心濃度與輻照劑量呈近似線性關(guān)系的結(jié)論，可以推斷輻照導(dǎo)致的損耗與輻照誘導(dǎo)產(chǎn)生的色心濃度也呈近似線性關(guān)系，這也證明了損耗的增加來源于色心的產(chǎn)生和增加。但是，兩種摻鉺光纖的變化趨勢雖然一致，變化幅度卻存在明顯差異。當(dāng)輻照劑量達(dá)2 600 Gy時，EDF-L-980在980和1 530 nm處增加的損耗分別達(dá)到了25和15 dB，均為MP980的兩倍左右，它在輻照停止后的恢復(fù)情況也明顯弱于MP980。

3.2 發(fā)射光譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

EDF-L-980和MP980的發(fā)射光譜在輻照中的變化如圖6(a)和(b)所示?？梢钥吹?，隨著輻照劑量增加，發(fā)射光譜明顯畸變，光譜強(qiáng)度顯著降低。截止2 600 Gy，EDF-L-980位于1 530 nm處的發(fā)射峰已經(jīng)變峰為谷，光譜能量向長波方向轉(zhuǎn)移； MP980的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有相同趨勢，但是其抗輻照能力明顯優(yōu)于EDF-L-980。

圖4 (a)： EDF-L-980； (b)： MP980的980 nm波段損耗譜在輻照中的變化；(c)： EDF-L-980； (d)： MP980的1 530 nm波段損耗譜在輻照中的變化

Fig.4 Loss spectra evolution at 980 nm wave band duringγradiation for (a) EDF-L-980 and (b) MP980, Loss spectra evolution at 1 530 nm wave band duringγray irradiation for (c) EDF-L-980 and (d) MP980

圖5 EDF-L-980和MP980輻照中和輻照后在

Fig.5 Evolution of losses at (a) 980 nm and (b) 1 530 nm during and afterγradiation for EDF-L-980 and MP980

發(fā)射光譜強(qiáng)度降低主要源于兩點(diǎn)： 色心對發(fā)射光譜的吸收是直接原因，對980 nm泵浦光吸收導(dǎo)致泵浦出的發(fā)射光強(qiáng)降低是間接原因。而1 530 nm發(fā)射峰光強(qiáng)降幅最大除了以上兩個原因外，還由于色心對980 nm泵浦光的吸收導(dǎo)致了鉺離子不能被充分泵浦，1 530 nm波段的二次泵浦現(xiàn)象顯著增強(qiáng)。同時，二次泵浦也正是光譜能量向長波方向轉(zhuǎn)移的原因。

輻照停止后，發(fā)射光譜的恢復(fù)情況如圖6(c)和(d)所示。輻照停止36 h后，EDF-L-980和MP980在1 530 nm處分別恢復(fù)了20%和33%，恢復(fù)速度慢且程度低，與以前一些文獻(xiàn)的結(jié)論相似[8-9]。

發(fā)射峰1 530 nm處的發(fā)光強(qiáng)度在輻照中的變化如圖7所示?？梢钥闯?，發(fā)光強(qiáng)度與輻照劑量也呈近似線性關(guān)系，這進(jìn)一步證明了輻照導(dǎo)致的損耗增加來源于色心的產(chǎn)生和增加。此外，MP980在此處的發(fā)光強(qiáng)度衰減了25 dB，只有EDF-L-980的30%。

圖6 (a)： EDF-L-980； (b)： MP980的發(fā)射光譜在輻照中的變化; (c)： EDF-L-980； (d)： MP980的發(fā)射光譜在輻照后的恢復(fù)

Fig.6 Luminescence spectra evolution duringγradiation for (a)EDF-L-980 and (b)MP980, Luminescence spectra evolution afterγradiation for (c)EDF-L-980 and (d)MP980

為了更加清楚地刻畫出發(fā)射光譜的變化，對發(fā)射光譜的平均波長和光譜帶寬在輻照中和輻照后的變化進(jìn)行了計(jì)算，如圖8所示。輻照前EDF-L-980和MP980的平均波長在1 537 nm左右，光譜帶寬大概30 nm。經(jīng)過輻照，EDF-L-980和MP980的平均波長分別增加了4.3%和1.3%，光譜帶寬則分別增大了90 nm和60 nm。在多數(shù)場合中，這種蛻化程度的摻鉺光纖已經(jīng)完全不可用； 但是可以看出，MP980的表現(xiàn)明顯要優(yōu)于EDF-L-980，前者的平均波長變化量只有后者的1/3，光譜帶寬變化也只有后者的2/3。同時，這兩項(xiàng)參數(shù)在輻照后的恢復(fù)程度也很低。

圖7 EDF-L-980和MP980 1 530 nm處 發(fā)射光譜強(qiáng)度在輻照中的變化

Fig.7 Evolution of luminescence intensity at 1 530 nm duringγradiation for EDF-L-980 and MP980

圖8 EDF-L-980和MP980發(fā)射光譜的(a)平均波長在輻照中和輻照后的變化，EDF-L-980和MP980發(fā)射光譜的(b)光譜帶寬在輻照中和輻照后的變化

Fig.8 Evolution of (a)mean wavelength and (b)bandwidth during and afterγradiation for EDF-L-980 and MP980

4 結(jié) 論

對摻鉺光纖的輻照作用機(jī)理進(jìn)行分析，得出了980 nm波段和1 530 nm波段的傳輸損耗會增大，發(fā)射光譜強(qiáng)度會降低，二次泵浦現(xiàn)象會明顯增強(qiáng)等結(jié)論。通過對兩種不同型號摻鉺光纖進(jìn)行的伽馬射線輻照實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下： 兩種摻鉺光纖在輻照中的性能變化趨勢相同。在損耗譜方面，980和1 530 nm波段損耗增加，980和1 530 nm吸收峰附近的損耗相對輻照劑量呈近似線性增長，由于色心濃度同樣呈線性增長，證明損耗增加確實(shí)源于色心； 在發(fā)射光譜方面，發(fā)射光譜強(qiáng)度降低，能量向長波方向轉(zhuǎn)移，平均波長和光譜帶寬大幅增加，發(fā)射峰1 530 nm處的光強(qiáng)與輻照劑量也呈近似線性關(guān)系，再次證明損耗增加來源于色心。輻照結(jié)束后，所有參數(shù)恢復(fù)不到40%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測匹配良好，證明了輻照對摻鉺光纖性能影響理論解釋的合理性。

此外，雖然在輻照中的性能變化趨勢相同，但是除了發(fā)射光譜的光譜帶寬外，MP980各項(xiàng)參數(shù)的變化量均不到EDF-L-980的50%，體現(xiàn)出了更加優(yōu)秀的抗輻照性能。國產(chǎn)廠商還需進(jìn)一步采取措施提高產(chǎn)品的抗輻照性能，以適應(yīng)越來越殘酷的應(yīng)用環(huán)境和商業(yè)競爭。

[1] JIAO Ming-xing, XING Jun-hong, TONG Cong-wei, et al(焦明星, 邢俊紅, 同聰維, 等). Chinese Journal of Lasers(中國激光)，2013, 40(6): 103.

[2] ZHANG Ke-wei, ZHAO Wei, XIE Xiao-ping, et al(張珂衛(wèi), 趙 衛(wèi), 謝小平, 等). Acta Optica Sinica(光學(xué)學(xué)報(bào))，2013, 33(5): 33.

[3] SUN Yu-nan, WANG Qian-qian, WU Jian, et al(孫雨南, 王茜蒨, 伍 劍, 等). Fiber Technology-Theoretical Fundamentals and Applications(光纖技術(shù)—理論基礎(chǔ)與應(yīng)用). Beijing： Beijing Institute of Technology Press(北京： 北京理工大學(xué)出版社), 2006. 201.

[4] WANG Xi, DING Liang(王 皙, 丁 亮). Journal of Optoelectronics·Laser(光電子·激光), 2003, 14(10): 1038.

[5] WANG Ru-gang, ZHANG Xu-ping(王如剛, 張旭蘋). Journal of Optoelectronics·Laser(光電子·激光), 2014, 25(8): 1449.

[6] Boucher R H, Woodward W F, Lomheim T S, et al. Optical Engineering, 1996, 35(4): 955.

[7] WANG Wei, WANG Xue-feng, LI Jing, et al(王 巍, 王學(xué)鋒, 李 晶, 等). Infrared and Laser Engineering(紅外與激光工程), 2012, 41(7): 1826.

[8] Tortech B, Uffelen M V, Gusarov A, et al. Journal of Non-Crystalline Solids, 2007, 353(5-7): 477.

[9] Tortech B, Gusarov A, Uffelen M V, et al. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2007, 54(6): 2598.

[10] Girard S, Tortech B, Régnier E, et al. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2007, 54(6): 2426.

[11] Liu Chengxiang, Zhang Li, Wu Xu, et al. Optical Fiber Technology, 2013, 19(5): 456.

[12] MA Jing, LI Mi, TAN Li-ying, et al(馬 晶, 李 密, 譚立英, 等). Journal of Astronautics(宇航學(xué)報(bào)), 2009, 30(1): 250.

[13] XIAO Zhong-yin, WANG Ting-yun, LUO Wen-yun, et al(肖中銀, 王廷云, 羅文蕓, 等). Acta Physica Sinica(物理學(xué)報(bào)), 2008, 57(4): 2273.

[14] Fukada C. Electron Letter，1994, 30(16): 1342.

*Corresponding author

(Received Apr. 14, 2015; accepted Aug. 9, 2015)

Gamma Radiation Effects on Erbium-Doped Optical Fibers Properties

LI Jing-fei, CHEN Wei-min*, LEI Xiao-hua, ZHANG Wei, QI Yi, XU Heng-yi, LIU Xian-ming

Key Laboratory for Optoelectronic Technology & System of Ministry of Education, College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China

In order to promote the research on erbium-doped fiber’s anti-radiation properties and fully grasp variation laws of erbium-doped fiber’s properties under radiation, theoretical analysis on how irradiation effect erbium-doped Fiber based on model of color centers was conducted. The performance changes of erbium-doped fiber that may occur during irradiation were predicted. According to working principle and application characteristics, online real-time monitoring of 980 nm wave band loss spectra, 1 550 nm wave band loss spectra, luminescence spectra of two different types(EDF-L-980 and MP980) of erbium-doped fiber as well as recovery measuring after radiation were carried out,. Studies showed that spectral characteristics of both types have similar variation trends during radiation. Losses at 980 and 1 530 nm wave band increase monotonically with dose, and the relationship is approximately linear at absorption peak of 980 and 1 530 nm; luminescence spectra intensity decreases monotonically with dose, and energy of luminescence spectra is shifting to long wavelengths, while its mean wavelength and bandwidth increasing substantially. The relationship between luminescence intensity and dose is also approximately linear at luminescence peak of 1 530 nm. Erbium-doped fiber’s spectral characteristics recovered modestly after radiation, but to a limited extent of less than 40% for all parameters. The experiment result is in good agreement with theoretical analysis and prediction, so rationality of theoretical explanation of erbium-doped fiber’s performance changes during radiation has been proven.

Erbium-doped optical fiber; Gamma radiation; Color center; Luminescence spectra; Loss spectra

2015-04-14，

2015-08-09

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA03A118)資助

李競飛，1990年生，重慶大學(xué)光電工程學(xué)院碩士研究生 e-mail： lijingfei888@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: wmchen0802@126.com

TN253

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1882-06