一種高性能抗輻照摻鉺光子晶體光纖光源

武志忠，張春熹，索鑫鑫，李 勇

（1.北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191； 2.北京航天時代光電科技有限公司，北京 100854；3.北京控制工程研究所，北京 100190）

摻鉺光纖光源（Er-doped Fiber Source,EDFS）由于其大功率、高穩(wěn)定、高可靠性和低熱敏感系數(shù)等特點，被認為是應用在高精度光纖陀螺中最有前途的寬帶光源[1-2]。然而，隨著光纖陀螺在太空環(huán)境中應用，空間環(huán)境的輻照射線會對摻鉺光纖光源造成損傷，致其工作性能劣化，摻鉺光纖光源的空間抗輻照能力也成為亟待解決的問題[3-5]。

光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber,PCF）是一種晶格常數(shù)為光波長量級的帶有缺陷的二維光子晶體，由規(guī)則的沿軸向排列著空氣孔的石英光纖陣列構(gòu)成光纖的包層，由一個破壞了包層結(jié)構(gòu)周期性的缺陷構(gòu)成光纖的纖芯[6-7]。由于光子帶隙的作用或全反射原理，某些頻率的光可以受限于光纖纖芯中，從而達到傳導光的目的。摻鉺光子晶體光纖（Er-doped Photonic Crystal Fiber,EDPCF）即是由光子晶體光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)光纖作為摻雜基質(zhì)的新型摻鉺光纖（Er-doped Fiber,EDF），它的出現(xiàn)引起了世界各研究小組的廣泛興趣。作為一種新型摻鉺光纖，摻鉺光子晶體光纖具有獨到的優(yōu)點。與傳統(tǒng)摻鉺光纖相比，它結(jié)構(gòu)靈活多變、溫度穩(wěn)定性好、抗電磁干擾能力更強，除此之外，它還具有光子晶體光纖的一般特性，如無限單模傳輸特性、高雙折射特性、大模面積性特性以及優(yōu)良的抗輻照特性等，因此能更好地適應于高輻射、高電磁干擾的太空環(huán)境中。光子晶體光纖的輻照特性研究最早由法國的Girard S 及其合作者開展，該課題組報道了實芯光子晶體光纖的輻照實驗結(jié)果，表明經(jīng)輻照后光子晶體光纖損耗特性較傳統(tǒng)光纖恢復更快[8-9]。Wei Cai 也研究指出，與傳統(tǒng)光纖相比，光子晶體光纖的輻照損耗更低，更適合于輻照環(huán)境嚴酷條件下的應用[10]。2015年，深圳大學劉承香等人研究了伽馬射線對摻鉺光子晶體光纖光源和傳統(tǒng)摻鉺光纖光源輸出特性的影響，結(jié)果表明，摻鉺光子晶體光纖光源具有更好的恢復特性[11]。以上研究表明，摻鉺光子晶體光纖比傳統(tǒng)摻鉺光纖更適合空間環(huán)境的應用，然而，對適合光纖陀螺系統(tǒng)的抗輻照摻鉺光子晶體光源的設計還少見報道。

本文提出一種單程后向結(jié)構(gòu)抗輻照摻鉺光子晶體光纖光源的設計方案。光源以經(jīng)過特殊優(yōu)化的摻鉺光子晶體光纖作為增益介質(zhì)，通過調(diào)節(jié)光纖長度，使得摻鉺光子晶體光纖光源輸出光譜1530 nm 波段和1560 nm 波段光具有較小增益競爭，從而在輻照環(huán)境下具有更好的光譜穩(wěn)定性。最后，結(jié)合“平坦譜光譜濾波技術(shù)”和“泵浦光功率閉環(huán)反饋控制技術(shù)[12]”，設計出高性能、抗輻照摻鉺光子晶體光纖光源。實驗結(jié)果表明，光纖光源在200 krad 輻照劑量下輸出光譜大于40 nm，同時具有高平均波長和光功率穩(wěn)定性。該方案光源輸出光譜寬，同時具有高平均波長和功率穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)簡單、實用性強，特別適用于高精度光纖陀螺的空間應用。

1 摻鉺光纖光源的結(jié)構(gòu)

光與物質(zhì)相互作用過程包含原子的自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過程，摻鉺光纖超熒光產(chǎn)生的過程就是這三種躍遷共同作用的結(jié)果，其中，原子的自發(fā)輻射躍遷過程是摻鉺光纖光源的物理基礎。根據(jù)有無光反射鏡和輸出光沿泵浦光方向的異同，摻鉺光纖光源可分單程后向、單程前向、雙程后向、雙程前向等結(jié)構(gòu)類型，如圖1所示。

如果摻鉺光纖兩端面均是非反射性的，稱為單程結(jié)構(gòu)。單程結(jié)構(gòu)分為單程前向結(jié)構(gòu)和單程后向結(jié)構(gòu)。單程前向結(jié)構(gòu)光源的輸出光相對于泵浦源來說是同向進行的，用的是摻鉺光纖中前向放大自發(fā)輻射，典型光路結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。單程后向結(jié)構(gòu)光源較單程前向的區(qū)別是輸出光相對于泵浦光來說是逆向進行的，典型光路結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。如果EDF 端面中有一端是非反射性的，而另一端是高反射的光纖反射鏡，稱為雙程結(jié)構(gòu)。根據(jù)輸出光相對于泵浦光的方向雙程結(jié)構(gòu)分為雙程前向結(jié)構(gòu)和雙程后向結(jié)構(gòu)，典型光路結(jié)構(gòu)分別如圖1(c)和圖1(d)所示。

圖1 摻鉺光纖光源的結(jié)構(gòu)：(a) 單程前向結(jié)構(gòu)；(b) 單程后向結(jié)構(gòu)；(c) 雙程前向結(jié)構(gòu)；(d) 雙程后向結(jié)構(gòu) Fig.1 Structure of erbium-doped fiber source:(a) single pass forward (SPF); (b) single pass backward (SPB); (c) double pass forward (DPF); (d) double pass backward (DPB)

2 抗輻照摻鉺光子晶體光纖光源設計

2.1 摻鉺光子晶體光纖的增益譜和吸收譜

本文提出一種單程后向結(jié)構(gòu)抗輻照摻鉺光子晶體光纖光源的設計方案。為實現(xiàn)這一目標，首先設計了一種高濃度摻鉺光子晶體光纖（EDPCF）。

摻鉺光子晶體光纖利用改良的化學氣相沉積、堆積法拉制而成，端面結(jié)構(gòu)如圖2插圖所示。摻鉺光纖中，Er3+/Al3+摻雜濃度比例影響摻鉺光纖熒光效率，決定光纖本征增益光譜形狀。根據(jù)仿真和實驗研究結(jié)果，通過優(yōu)化摻鉺光子晶體光纖中Er3+/Al3+的摻雜濃度，得到摻鉺光子晶體光纖的增益光譜如圖2所示。圖2中實線為摻鉺光子晶體光纖的增益光譜；作為對比，虛線為傳統(tǒng)摻鉺光纖M12 的增益光譜。從圖2中可以看到：傳統(tǒng)摻鉺光纖增益譜中1530 nm 短波段功率譜密度較1560 nm 長波段高大約15 dB；摻鉺光子晶體光纖本征增益譜特性有明顯改變，增益譜中1560 nm波段譜型更為平坦，1530 nm 短波段功率譜密度較1560 nm 長波段高大約6 dB。研究表明，EDPCF 的增 益譜光譜形狀更有利于摻鉺光纖光源的抗輻照和增益平坦濾波設計。

圖2 摻鉺光子晶體光纖和傳統(tǒng)摻鉺光纖的增益譜（摻鉺光子晶體光纖截面如圖中照片所示） Fig.2 Fluorescence spectrum of EDF and EDPCF (The photo in this figure shows the cross-section of EDPCF)

圖3 摻鉺光子晶體光纖和傳統(tǒng)摻鉺光纖的吸收譜 Fig.3 The absorption spectrum of EDF and EDPCF

表1 EDPCF 和傳統(tǒng)EDF 的主要特征參數(shù) Tab.1 Main characteristics of EDPCF and EDF

實驗測試了摻鉺光子晶體光纖和傳統(tǒng)摻鉺光纖M12 的吸收譜，如圖3所示。超連續(xù)白光光源Super Compack 提供測試用寬譜光，光譜范圍從500 nm 到2400 nm，覆蓋了Er3+近紅外波段的吸收譜。圖3中實線代表摻鉺光子晶體光纖的吸收光譜，虛線代表傳統(tǒng)摻鉺光纖M12 的吸收光譜。從圖3中可見，光波段到近紅外光波段可以看到3 個吸收峰，摻鉺光子晶體光纖鉺離子摻雜濃度較高，各吸收波段較傳統(tǒng)摻鉺光纖具有更高的吸收損耗，其中，980 nm 波段泵浦光吸收損耗大約為傳統(tǒng)摻鉺光纖的3 倍。EDPCF 和傳統(tǒng)EDF的主要特征參數(shù)對比如表1所示。

2.2 抗輻照摻鉺光子晶體光纖光源參數(shù)優(yōu)化

寬譜光源具有較小的相對強度噪聲特性，在高精度光纖陀螺中具有獨特優(yōu)勢，為拓寬光源譜寬，一般采用增益平坦濾波技術(shù)。前期研究結(jié)果表明，輻照過程中，摻鉺光纖光源輸出光譜變化的主要原因是1530 nm 波段和1560 nm 波段增益損耗不均。摻鉺光纖本征增益譜反映光纖中摻雜Er3+的本征熒光特性，1530 nm 波段和1560 nm 波段具有最小的增益競爭。利用摻鉺光纖本征增益譜作為光源輸出光譜，輻照環(huán)境下，光源輸出光譜的變化僅表現(xiàn)為光纖的背景損耗特性，因此1530 nm 波段和1560 nm 波段具有相同的損耗，光源具有很好的光譜穩(wěn)定性。然而，在傳統(tǒng)摻鉺光纖光源中，利用圖2中光纖本征增益譜作為光源輸出光譜時，經(jīng)增益平坦濾波后，光源熒光效率不足1%，不適合高精度光纖陀螺的工程化應用。

相比于傳統(tǒng)摻鉺光纖，摻鉺光子晶體光纖本征增益譜特性有明顯改變，該增益譜光譜形狀更有利于光源的抗輻照設計。為減小光源輸出光譜1530 nm 波段和1560 nm 波段的增益競爭以獲得更好的輻照穩(wěn)定性，同時獲得更寬的輸出譜寬，本文基于摻鉺光子晶體光纖搭建了單程后向結(jié)構(gòu)光纖光源，并通過實驗方式優(yōu)化了增益光纖的長度。

實驗中設置驅(qū)動電流200 mA，此時泵浦功率100 mW，不同長度摻鉺光子晶體光纖下光源后向輸出特性如圖4和圖5所示。

圖4為200 mA 驅(qū)動電流不同長度摻鉺光子晶體光纖下光源的后向輸出光譜，圖5為不同長度摻鉺光子晶體光纖下光源的輸出功率和平均波長?？梢钥吹?，光源輸出功率隨著光纖長度的增加逐漸增加，光纖長度3 m 時光源輸出接近飽和。輸出飽和時，光源輸出功率6.9 mW，熒光效率接近7%。光纖長度從1 m 增加到2 m 范圍內(nèi)光源輸出光譜形狀穩(wěn)定，平均波長變化 較小，輸出光譜接近摻鉺光子晶體光纖的本征增益譜。此時，摻鉺光子晶體光纖光源輸出光譜1530 nm波段和1560 nm 波段光增益競爭較弱，輻照環(huán)境下具有更好的光譜穩(wěn)定性?？紤]到光源的輸出功率，最終確定摻鉺光纖長度為2 m，輸出光譜在圖4中用黑色實線標出。

圖4 不同光纖長度下的輸出光譜 Fig.4 Output spectrum of EDPCFS at different fiber lengths

圖5 不同光纖長度下的輸出功率和平均波長 Fig.5 Output power and wavelength of EDPCFS at different fiber lengths

圖6 摻鉺光子晶體光纖光源的濾波器光譜 Fig.6 Filter spectrum of EDPCFS

圖7 摻鉺光子晶體光纖光源的原始光譜和輸出光譜 Fig.7 Original spectrum and output spectrum of EDPCFS

寬譜光源具有更小的相對強度噪聲特性，是高精度光纖陀螺的首選光源。為了拓寬摻鉺光子晶體光源 的輸出譜寬，依據(jù)驅(qū)動電流200 mA 下，光纖長度2 m時光源的輸出光譜，設計了一種增益平坦濾波器（Gain Flat Filter,GFF），方案中濾波器光譜如圖6所示，摻鉺光子晶體光纖光源最終輸出光譜如圖7所示。濾波器通過衰減原始光譜中1530 nm 和1560 nm 增益峰改變光源輸出光譜的形狀，經(jīng)過濾波器后，光源最終輸出光譜帶寬大于40 nm，光譜平坦度小于1 dB，輸出功率4 mW。

2.3 摻鉺光子晶體光纖光源抗輻照方案設計

輻照過程中，摻鉺光纖光源性能劣化主要包括兩方面原因：1）輻照環(huán)境下，1530 nm 波段和1560 nm波段增益損耗不均，導致?lián)姐s光纖光源輸出光譜變化；2）輻照環(huán)境下，光纖中輻照色心對980 nm 泵浦光功率的吸收，導致?lián)姐s光纖光源輸出功率的損耗[12]。

針對上述兩種原因，本文中摻鉺光子晶體光纖光源的抗輻照設計通過兩種方式保證：1）光源光路部分采用傳統(tǒng)的單程后向結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化摻鉺光纖長度使光源輸出光譜接近Er3+的本征熒光譜，此時輻照過程中光譜的損耗僅與摻鉺光纖的背景損耗有關，光譜具有更好的輻照穩(wěn)定性；2）為提高輻照環(huán)境下光源功率穩(wěn)定性，光源電路部分采用“泵浦光功率閉環(huán)反饋控制”技術(shù)，由集成光功率探測器將摻鉺光纖光源輸出功率的5%作為反饋量，通過驅(qū)動控制電路產(chǎn)生控制信號調(diào)節(jié)泵浦激光器的驅(qū)動電流來穩(wěn)定輻照條件下?lián)姐s光子晶體光纖中980 nm 泵浦光功率。

基于上述研究，提出一種抗輻照摻鉺光子晶體光纖光源的設計方案，如圖8中SFS#1 所示。摻鉺光子晶體光纖光源抗輻照方案中，Oclaro 公司的Pump LD用來提供980 nm 泵浦激光，中心波長位于974.2 nm；波分復用器WDM用來將980 nm泵浦光耦合進摻鉺光纖并輸出1550 nm 信號光，GFF1 代表增益平坦濾波器，ISO 代表光隔離器，用來消除輸出端反饋光功率的影響。另外，為避免光反饋產(chǎn)生激光，摻鉺光子晶體光纖的未泵浦端連接ISO，各光纖器件之間采用尾纖熔接方式連接。光源電路部分采用“泵浦光功率閉環(huán)反饋控制”技術(shù)，由集成光功率探測器將摻鉺光纖光源輸出功率的5%作為反饋量，通過驅(qū)動控制電路產(chǎn)生控制信號調(diào)節(jié)泵浦激光器的驅(qū)動電流來穩(wěn)定輻照條件下?lián)姐s光子晶體光纖中980 nm 泵浦光功率。

為驗證光源的抗輻照特性，我們對比測試了基于傳統(tǒng)摻鉺光纖的光纖光源SFS#2 的輻照特性。SFS#2為傳統(tǒng)摻鉺光纖光源，該光源未采取任何抗輻照措施；EDF 主要特征參數(shù)見表1。GFF2 用來提高輸出光譜平坦度，激光器驅(qū)動電流設置200 mA。

圖8 摻鉺光子晶體光纖光源設計方案及輻照實驗裝置 Fig.8 Schematic of EDPCFS and traditional EDF under irradiation test

3 光源輻照實驗及分析

輻照實驗在北京大學鈷源實驗室進行，60CO 作為輻照源。200 krad 是空間高輻照環(huán)境下的典型總劑量，實驗中設定輻照劑量200 krad，輻照劑量率0.6 rad/s，環(huán)境溫度25℃。實驗中僅將摻鉺光纖暴露在輻照射線下，其它光學器件和測試系統(tǒng)用25 m 單模跳線引至輻照室外。測試系統(tǒng)中，Light Wave 光功率計FPM-8210用來監(jiān)測輸出光功率，Agilent 光譜分析儀AQ6319 用來記錄輸出光譜，測試時間間隔2 h。

實驗記錄了不同輻照劑量下光源輸出光譜的變化。圖9為輻照總劑量200 krad 下，抗輻照摻鉺光子晶體光纖光源SFS#1 和傳統(tǒng)摻鉺光纖光源SFS#2 的輸出光譜特性。

基于摻鉺光子晶體光纖的抗輻照光源SFS#1 不同輻照劑量下的輸出光譜如圖9(a)所示，可以看到隨著輻照劑量的累積，光源輸出光譜形狀穩(wěn)定，僅光譜平坦度有所下降。在輻照總劑量200 krad 下，光源3 dB 輸出帶寬大于40 nm。圖9(b)為傳統(tǒng)摻鉺光纖光源SFS#2不同輻照劑量下的輸出光譜，可以看到隨著輻照劑量的累積，整個波段范圍內(nèi)光功率譜密度逐漸降低；與輻照前相比，1530 nm短波段處功率譜密度下降大約7 dB，1560 nm 長波段處表現(xiàn)出更大的損耗，光功率譜密度下降大約14 dB，光源輸出光譜急劇惡化。

圖9 輻照環(huán)境下：(a) 摻鉺光子晶體光纖光源的輸出光譜特性；(b) 傳統(tǒng)摻鉺光纖光源輸出光譜特性 Fig.9 The output spectra under radiation environment:(a) EDPCFS; (b) traditional Er-doped fiber source

200 krad 輻照總劑量下，抗輻照摻鉺光子晶體光 纖光源SFS#1 和傳統(tǒng)摻鉺光纖光源SFS#2 的平均波長和輸出功率的變化如圖10 所示。

圖10(a)顯示了兩種光源平均波長的變化，圖10(b)顯示了兩種光源輸出功率的變化。200 krad 輻照劑量下，傳統(tǒng)摻鉺光纖光源波長變化5960×10-6，變化率29.8×10-6/krad；摻鉺光子晶體光纖光源平均波長變化520×10-6，變化率2.6×10-6/krad，波長穩(wěn)定性提高10倍以上。傳統(tǒng)摻鉺光纖光源輸出功率從9.31 mW 下降到1.06 mW，損耗9.6 dB；摻鉺光子晶體光纖光源輸出功率損耗小于0.2 dB。實驗結(jié)果表明，設計的摻鉺 光子晶體光纖光源抗輻照性能大幅度提升。

本文利用摻鉺光子晶體光纖設計出高性能抗輻照摻鉺光子晶體光纖光源，光纖光源在200 krad 輻照劑量下輸出光譜大于40 nm，同時具有高平均波長和光功率穩(wěn)定性，能很好滿足高精度光纖陀螺的空間應用需求。

圖10 不同輻照劑量下高性能摻鉺光子晶體光纖光源和傳統(tǒng)摻鉺光纖光源：(a) 平均波長；(b) 輸出功率的變化 Fig.10 EDPCFS and Er-doped fiber source under different radiation doses:(a) the mean wavelength; (b) the output power

4 結(jié) 論

根據(jù)空間用高精度光纖陀螺抗輻照摻鉺光纖光源的應用需求，本文提出了一種高性能摻鉺光子晶體光纖光源的解決方案。首先，基于特殊設計的摻鉺光子晶體光纖搭建了單程后向結(jié)構(gòu)光纖光源，通過參數(shù)優(yōu)化設計，減小了光子晶體光纖光源輸出光譜1530 nm波段和1560 nm 波段光增益競爭，提高了光源輸出光譜的輻照穩(wěn)定性；然后，結(jié)合“平坦譜光譜濾波技術(shù)”和“泵浦光功率閉環(huán)反饋控制技術(shù)”設計出高性能抗輻照摻鉺光子晶體光纖光源。實驗結(jié)果表明：光纖光源在200 krad 輻照劑量下輸出光譜穩(wěn)定，譜寬大于40 nm，輸出功率損耗小于0.2 dB，平均波長穩(wěn)定性2.6×10-6/krad；該抗輻照摻鉺光子晶體光纖光源輸出光譜寬，抗輻照特性優(yōu)良，結(jié)構(gòu)簡單，在高精度光纖陀螺的空間應用中具有獨特優(yōu)勢。