空間激光通信系統(tǒng)光電器件輻射效應研究

楊生勝，高欣，馮展祖，王俊，把得東，曹洲

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空間激光通信系統(tǒng)光電器件輻射效應研究

楊生勝1，高欣2，馮展祖2，王俊1，把得東1，曹洲1

（1. 蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室； 2. 蘭州空間技術物理研究所 空間材料行為及評價技術重點實驗室：蘭州 730010）

針對空間激光通信系統(tǒng)所用高速半導體激光器、光電探測器、摻鉺光纖放大器（EDFA）、石英光纖等關鍵器件，開展電子、質子和γ射線輻照試驗。半導體激光器經(jīng)60Co-γ射線和電子加速器輻照后斜率效率發(fā)生輕微下降，下降程度與總劑量大小有關；而光功率在電子輻照后出現(xiàn)嚴重下降，表明電子輻照比γ射線產(chǎn)生更多的損傷，可以歸因于電子造成的位移損傷。PIN光電探測器在質子輻照后，暗電流和電容都明顯增大，主要是由于質子造成的位移損傷引入深能級缺陷增加勢壘，導致光電探測器性能退化。EDFA系統(tǒng)的摻鉺光纖經(jīng)60Co-γ射線輻照后，對系統(tǒng)的增益和噪聲影響很大。石英光纖主要受總劑量效應影響，輻射損耗隨光纖通入的光波波長增大而減小，而且光纖損耗的劑量率效應不明顯，實際試驗可以根據(jù)試驗條件選擇適當?shù)膭┝柯?。研究結果可為空間激光通信系統(tǒng)的元器件選型、輻射效應評估與抗輻射加固設計提供參考數(shù)據(jù)。

半導體激光器；光電二極管；摻鉺光纖放大器；光纖；輻射效應

0 引言

隨著我國新一代對地觀測衛(wèi)星空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率和量化深度的不斷提高，高分辨率光譜圖像數(shù)據(jù)急劇增加。受頻譜資源和帶寬的限制，目前衛(wèi)星通信常用的微波數(shù)據(jù)傳輸技術無法適應衛(wèi)星高碼速率數(shù)據(jù)傳輸需求；而利用激光傳輸技術可實現(xiàn)星間、星地高速數(shù)據(jù)傳輸，能有效突破高分辨率對地微波數(shù)據(jù)傳輸速率技術瓶頸[1-2]。

空間激光通信系統(tǒng)由多種光電器件與光學元件組成，其中高速半導體激光器、光電探測器、光纖放大器等關鍵器件，易受到空間高能帶電粒子的輻射影響，造成器件光電參數(shù)衰退?？臻g輻射會對半導體材料造成損傷，導致材料載流子遷移率降低和少數(shù)載流子壽命縮短，使激光二極管閾值電流增加與輸出功率降低；而非輻射復合率的增加，又導致器件溫度升高，造成漏電流增大、波長漂移等變化；還會使光電二極管光響應速度下降、暗電流增加，引起光子計數(shù)錯誤。由于經(jīng)過長距離自由空間傳輸后，到達接收機的激光信號很弱，光電器件性能的任何變化，都有可能導致空間激光通信鏈接障礙甚至中斷。因此，在應用之前，需要對光電器件的空間輻射效應進行全面細致的研究[3-5]。

本文針對激光通信系統(tǒng)所用高速半導體激光器、光電探測器、摻鉺光纖放大器（EDFA）、石英光纖等關鍵器件，開展電子、質子和γ射線輻照試驗，并通過試驗結果分析評估器件的輻射敏感度，為器件的選用和抗輻射加固設計提供參考。

1 輻照試驗設備及受試器件選用

輻照試驗在蘭州空間技術物理研究所進行，總電離劑量效應試驗采用60Co-γ射線源，質子和電子輻照試驗采用雙束加速器。

試驗選用的受試器件包括：

1）半導體激光器

①量子阱激光器，選用美國JDSU公司的MWL01550A分布反饋式1550nm波長的 InGaAsP量子阱激光器，其閾值電流范圍10.48～11.01mA，斜率效率（閾值電流之上區(qū)域的光功率斜率）0.095～0.108。輻照試驗前去除金屬封裝，以保證輻照粒子能入射到器件源區(qū)部分。

②量子點激光器，選用中國科學院上海技術物理研究所生產(chǎn)的中心波長為1550nm的InGaAs量子點激光器，其閾值電流約200mA，斜率效率約0.086。樣品為未封裝的裸芯片。

2）PIN光電二極管，選用美國JDSU公司的ETX 1000T光電二極管，探測器響應范圍800～1700nm，典型響應度0.95A/W，典型暗電流值12nA。輻照試驗前去除PIN二極管的玻璃窗口，以保證輻照粒子能入射到器件源區(qū)部分。

3）摻鉺光纖（EDF）及泵浦激光器（PUMP），選用武漢光迅公司生產(chǎn)的143-0886-202.3摻鉺光纖（長度12m）和26-7402-120-TW泵浦激光器（額定工作電流162.3mA，額定功率100mW，工作波長980nm）。試驗中分別輻照摻鉺光纖和泵浦激光器，然后再將它們接入EDFA系統(tǒng)中，測試輻照對系統(tǒng)性能的影響。

4）石英光纖，選用烽火通信公司的G.657單模光纖。該光纖可充分利用1260～1625nm波段傳輸，有較低的偏振模色散，可以滿足高速率、長距離傳輸要求。

2 試驗結果與分析

2.1 半導體激光器輻射效應試驗

對半導體激光二極管進行電子和γ射線輻照試驗，試驗期間所有半導體激光二極管都處于短路狀態(tài)，室溫下利用1和2MeV的電子對激光器進行輻照，電子輻照的注量率為1013和1015e/(cm2·h)，最大輻照注量為1016e/cm2；γ射線輻照的劑量率為1×105rad(Si)/h，最大輻照劑量為5×107rad(Si)。

對1550nm半導體激光器經(jīng)γ射線和電子輻照后的斜率效率進行歸一化處理（輻照后與輻照前的數(shù)值的比值），獲得歸一化斜率效率與半導體激光器源區(qū)材料吸收的電離總劑量的關系，如圖1所示?？梢钥闯觯谕入婋x總劑量條件下，不論是電子還是γ射線輻照下，半導體激光器斜率效率的衰減基本是一致的。由于γ射線的位移損傷效應很弱，而電子輻射的位移損傷效應較強，所以上述現(xiàn)象說明斜率效率主要受到電離總劑量的影響，而與位移損傷效應關系不大。

圖1 歸一化斜率效率與激光二極管源區(qū)材料吸收劑量的關系

圖2給出的是在偏置電流為30mA時（遠在閾值電流之上），半導體激光器的歸一化光功率與γ射線總劑量和電子的吸收劑量之間的關系。在總劑量為5×107rad(Si)的γ射線輻照后，光功率從輻照前的2.15mW下降到1.93mW，大約下降了10%；而在近似相等總劑量的電子輻照下，光功率大約下降了43%。這表明在相等的輻照吸收劑量條件下，電子比γ射線產(chǎn)生的損傷更多，而額外的損傷可以歸因于電子造成的位移損傷。位移損傷在半導體材料中產(chǎn)生了缺陷能級，從而通過少數(shù)載流子擴散長度的縮小惡化了半導體激光器的性能[6-7]。

圖2 在偏置電流30mA條件下，激光二極管的歸一化光功率與電子和γ射線的吸收劑量的關系

如果將圖2中的歸一化最大光功率作為等效1MeV電子位移損傷劑量的函數(shù)重新作圖，則2條曲線將會重疊為1條曲線（如圖3所示）。這說明半導體激光器的輸出光功率衰退主要由位移損傷效應決定。

以上試驗現(xiàn)象表明，半導體激光器在空間輻射環(huán)境作用下，其性能參數(shù)的衰退與電離總劑量和位移損傷效應都有關系，但對于不同的參數(shù)而言，起主要影響作用的效應不同。

圖3 激光二極管歸一化光功率隨等效1MeV電子位移損傷劑量變化關系（正向電流IF=30mA）

2.2 PIN光電二極管輻射效應試驗

對InGaAs PIN二極管開展質子輻照試驗，輻照質子能量為2MeV，注量為3×1012p/cm2，測量溫度為25℃。圖4給出了2MeV質子輻照前后光電二極管的反偏暗電流-特征曲線和-曲線。

圖4 質子輻照前后InGaAs PIN光電二極管電特性對比

從圖4(a)可以看出，輻照前InGaAs PIN二極管在10V反偏電壓下，暗電流強度約為7×10-10A量級；經(jīng)過質子輻照后，其暗電流強度增大到約5×10-5A量級，增大了近5個數(shù)量級。光電二極管的暗電流噪聲性能出現(xiàn)了嚴重的退化，說明光電二極管對質子輻照非常敏感。質子造成的位移損傷是光電二極管輻射損傷的主要因素，因為位移損傷引入的缺陷會增加勢壘，產(chǎn)生電流和表面漏電流，從而使器件暗電流有增大的趨勢[8]，這將會極大地制約通信系統(tǒng)的探測靈敏度，影響系統(tǒng)誤碼率指標。

從圖4(b)可以看出，輻照前后InGaAs PIN二極管的高頻（@10MHz）電容隨反向偏壓的增大而逐漸減小，當電壓降低到10V以下后基本達到飽和，不再隨偏壓變化。這說明此時耗盡區(qū)已幾乎擴展到整個I區(qū)。輻照后，二極管電容的變化規(guī)律與輻照前相似，但是電容值明顯增大，這主要是由于質子位移損傷引起的漏電流增大。而電容增大將會導致探測器響應速度下降、帶寬縮小，嚴重降低系統(tǒng)的整體性能。

2.3 摻鉺光纖放大器輻射效應試驗

利用60Co-γ射線源開展EDFA總劑量輻照試驗，輻照劑量率為1×103rad(Si)/h，總劑量分別為1×103、5×103、1×104和5×104rad(Si)。在達到每個劑量點后，將受照后的摻鉺光纖或泵浦激光器接入EDFA系統(tǒng)，測量系統(tǒng)增益和噪聲變化，如圖5所示。

從圖5可以看出，當輻照劑量達到1×103rad(Si)時，EDFA系統(tǒng)增益略有下降；隨著輻照劑量逐漸增大，在5×103和1×104rad(Si)這2個劑量點，系統(tǒng)增益迅速下降；繼續(xù)增加輻照劑量達到5×104rad(Si)時，測得的系統(tǒng)增益值已經(jīng)小于0（輸出功率小于輸入功率），放大器已不能正常工作。

EDFA系統(tǒng)噪聲的輻射損傷規(guī)律與此類似[9-10]。

從圖6可以看出，泵浦激光器的工作電流為162.3mA（額定工作電流）時，泵浦激光器的輸出功率在γ射線輻照后有輕微的下降，但并未隨著輻照劑量的增大而繼續(xù)下降。因此，可以認為泵浦激光器輸出功率基本不受總劑量影響。

圖6 泵浦激光器光功率隨輻照劑量的變化

2.4 石英光纖輻射效應試驗

利用60Co-γ射線源對石英光纖開展總劑量輻照試驗，分別在2.5×103、2.7×104、1.0×105rad(Si)/h等3個不同劑量率點，選擇不同波長激光作為信號光源，在線測量光纖損耗受輻照影響的情況。

圖7給出的是在1550nm波長信號光下，光纖衰減損耗隨不同輻照劑量率的變化關系?？梢钥闯?，不同劑量率條件下，光纖衰減損耗曲線比較接近，說明光纖輻射損傷受劑量率影響很小。因此，光纖輻照試驗可以根據(jù)試驗時間、成本等因素，在較大的劑量率范圍內(nèi)選擇。

圖8給出的是在1.0×105rad(Si)/h劑量率輻照條件下，不同波長信號光的衰減損耗隨輻照劑量的變化關系?？梢钥闯觯瑩p耗隨劑量增加呈現(xiàn)飽和趨勢說明吸收缺陷數(shù)量有限，一旦缺陷耗盡，將不再形成新的吸收中心。980nm波長的輻射損傷遠大于其他幾個波長，是由于近紅外光區(qū)的吸收主要是由紫外吸收的拖尾和位于630nm的強吸收造成的，所以紅外區(qū)總體趨勢是波長越短，損傷越嚴重[11-12]。

圖7 不同輻照劑量率對光纖衰減損耗的影響 （1550nm波長）

圖8 光纖衰減損耗隨輻照劑量的變化（劑量率1.0×105 rad(Si)/h）

3 結束語

利用電子加速器、質子加速器、60Co-γ射線源對激光通信系統(tǒng)的關鍵光電器件與材料開展輻照試驗。分析試驗數(shù)據(jù)，研究電離總劑量與位移損傷效應對光電器件與光纖材料性能的影響。研究表明：光電器件主要受位移損傷效應影響，總劑量輻射對器件的部分參數(shù)有一定影響；光纖材料的主要輻射損傷效應是總劑量效應，一般沒有明顯的劑量率效應。研究結果可為激光空間通信系統(tǒng)的光電器件選型、輻射效應評估與抗輻射加固設計提供參考。

[1] 王佳, 俞信. 自由空間光通信技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向綜述[J]. 光學技術, 2005, 31(2): 259-261

WANG J, YU X. Free-space optical communication’s current situation and development trend[J]. Optical Technique, 2005, 31(2): 259-261

[2] 姜會林, 安巖, 張雅琳, 等. 空間激光通信現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及關鍵技術分析[J]. 飛行器測控學報, 2015, 34(3): 207-217

JIANG H L, AN Y, ZHANG Y L, et al. Analysis of the status, key technologies of space development trend and laser communication[J].Journal of Spacecraft TT&C Technology, 2015, 34(3): 207-217

[3] LANGE R, SMUTNY B, WANDERNOTH B, et a1. 142 km 5.625 Gbps free space optical link based on homodyne BPSK modulation[C]//Proc of SPIE, 2006, 6105: 61050A-1- 61050A-9

[4] MARSHALL P W, DALE C J, LABEL K A. Space radiation effects in high performance fiber optic links for satellite data management[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1996, 43(2): 645-653

[5] 侯睿, 趙尚弘, 幺周石, 等. 空間輻射環(huán)境對衛(wèi)星光通信系統(tǒng)誤碼率的影響[J]. 激光與紅外, 2012, 42(9): 1021-1025

HOU R, ZHAO S H, YAO Z S, et al. Research on the influence of space radiation environment on the BER of optical satellite communication system[J].Laser & Infrared, 2012, 42(9): 1021-1025

[6] 李錚, 于慶奎, 羅磊, 等. 宇航用雙極器件和光電耦合器位移損傷試驗研究[J].航天器環(huán)境工程, 2017, 34(1): 86-90

LI Z, YU Q K, LUO L, et al. Experimental study on displacement damage of aerospace bipolar and optocoupler devices[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(1): 86-90

[7] BOUTILLIER M, GAUTHIER-LAFAYE O, BONNEFONT S, et al. Measurement of irradiation impact on carrier lifetime in a quantum well laser diode[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2009, 56(4): 2155-2159

[8] 王祖軍, 陳偉, 張勇, 等. 中子輻照誘導Si PIN光電二極管暗電流增大的數(shù)值模擬[J].原子能科學技術, 2010, 44(2): 220-223

WANG Z J, CHEN W, ZHANG Y, et al.Simulation of dark current increase in Si PIN photodiode induced by neutron irradiation[J].Atomic Energy Science and Technology, 2010, 44(2): 220-223

[9] CAUSSANEL M, GILARD O, SOTOM M, et al. Extrapolation of radiation-induced EDFA gain degradation at space dose rate[J]. Electronics Letters, 2005, 41(4): 168-170

[10] 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

MA J, LI M, TAN L Y, et al. Analysis of the space radiation effect on EDFA for inter-satellite optical communication[J]. Journal of Astronautics, 2009, 30(1): 250-254

[11] 王學勤, 張春熹, 金靖, 等. 空間用特種光纖的輻射致衰減效應[J]. 紅外與激光工程, 2011, 40(12): 2516-2520

WANG X Q, ZHANG C X, JIN J, et al.Radiation- induced attenuation effect on special optical fibers applied in space[J]. Infrared and Laser Engineering, 2011, 40(12): 2516-2520

[12] AKINCI A, BOWDEN M D, CHEESEMAN M C, et al.The effect of high dose rate transient gamma radiation on high-energy optical fibers[C]//Proc of SPIE, 2009, 7434:74340A-1-74340A-12

（編輯：張艷艷）

The effect of radiation on the optoelectronic devices used inspace laser communication system

YANG Shengsheng1, GAO Xin2, FENG Zhanzu2, WANG Jun1, BA Dedong1, CAO Zhou1

(1. Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory, Lanzhou Institute of Physics; 2. Science and Technology on Material Performance Evaluating in Space Environment Laboratory, Lanzhou Institute of Physics: Lanzhou 730010, China)

The irradiation tests by electron, proton and60Co-γ sources are completed for the laser diodes, PIN photo detector, erbium-doped fiber amplifier (EDFA), and silica fiber used in space laser communication systems. The slope efficiency of laser diodes is slightly decreased after irradiation by electron and γ ray, and the value is correlated with the total ionizing dose. The optical power is seriously degraded after the electron irradiation, indicating that the electron irradiation causes more damage than that by the γ ray doses, which can be attributed to the displacement damage induced by the electrons. The dark current and capacitance of the PIN photodetector increases notably after the proton irradiation, which leads to deep-energy level defects in the semiconductors, impairing the performance of the laser diode through a reduction in the minority carriers’ diffusion length. The radiation hardness of the EDFA is determined by the erbium-doped fiber. The gain and the noise of the EDFA system become very bad when the erbium-doped fiber is irradiated under60Co-γ. The silica fiber’s radiation damage is mainly determined by the total dose effect, and the loss of the optical power degreases with the increase of the optical wavelength. In addition; minor dose rate effect is observed, allowing a flexible choice of an appropriate dose rate within the limit of the experimental conditions. The research results can provide a reference for the selection of components, the evaluation of radiation effects, and the radiation-hardening design for the space laser communication systems.

diode laser; optoelectronic diode; EDFA; optic fiber; radiation effects

V416.5; O242.2

A

1673-1379(2017)06-0571-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.06.001

楊生勝（1966—），男，博士學位，研究員，主要從事空間環(huán)境效應研究。E-mail: 2syang@sina.com。

2017-09-22；

2017-12-01

國家自然科學基金項目（編號：11475078；11375078）