面向太空環(huán)境應(yīng)用的抗輻照有源光纖特性研究*

李凌樂，陳子睿，文建湘，董艷華，王廷云

（上海大學(xué) 特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建國家重點實驗室培育基地/特種光纖與先進通信國際合作聯(lián)合實驗室，上海先進通信與數(shù)據(jù)科學(xué)研究院·上?！?00444）

0 引 言

隨著空間激光通信系統(tǒng)和空間站的建設(shè)，人們對于空間應(yīng)用的激光器和光纖陀螺儀提出了迫切的需求。摻鉺光纖（Erbium-Doped Fiber，EDF）能夠在光纖的最佳傳輸窗口1550nm波段實現(xiàn)有效的光傳輸和光放大，因此在光纖通信和光纖傳感等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時，因為大氣在1550nm波長附近也存在一個通信窗口，所以摻鉺光纖放大器可用于空間通信系統(tǒng)中，此外EDF還可以作為光纖陀螺儀的超熒光光源應(yīng)用于航天器內(nèi)部，具有非常重要的研究意義。

由于EDF以及有關(guān)器件會在太空中運用，然而，太空環(huán)境中存在大量輻射源，例如γ射線、電子、中子等高能粒子束輻照，長時間的空間輻照環(huán)境造成光學(xué)器件的損耗急劇增加，導(dǎo)致光學(xué)器件的性能下降或者失效。長時間、低劑量率的空間輻照，對于光纖激光器和光纖陀螺儀來說，會造成器件性能急劇下降。因此，研究輻照對光纖的影響和研制具有良好抗輻照性能的光纖，使光纖陀螺儀等器件具有更長的工作壽命以及更好的精確性具有十分重要的意義。

近年來，輻照對光纖性能的影響得到廣泛的研究，一般認為導(dǎo)致光纖性能下降的主要原因是，高能輻照使得光纖材料中產(chǎn)生了自由電子對和空穴對，被光纖本身的初始原子缺陷或雜質(zhì)俘獲而形成了色心。輻致色心導(dǎo)致玻璃能級結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，產(chǎn)生了新的吸收或熒光帶，從而嚴重影響了EDF的傳輸和發(fā)光特性。最近有研究稱，共摻雜鉍離子可以拓寬熒光光譜并提高發(fā)光效率。因此，鉍/鉺共摻雜光纖（Bismuth-Erbium co-Doped Fiber，BEDF）憑借其有望用于放大器和激光器而備受關(guān)注。此外，在光纖中摻雜鉍離子會影響輻照下的熒光特性。2009年，由C. Ban等的研究可知，由于鉍活性中心濃度的增加，熒光強度通過紫外線照射增強。此外，2015年，由Wen J.等的研究可知，在用伽馬射線照射處理的Bi/Al共摻雜二氧化硅光纖中實現(xiàn)了熒光增強。然而，鉍離子對EDF在伽馬射線照射下熒光的影響尚未得到研究。

本文利用改良化學(xué)氣相沉積法（Modified Chemical Vapor Deposition，MCVD）結(jié)合原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD）摻雜技術(shù)制備BEDF，經(jīng)不同輻照劑量的伽馬射線處理后，與EDF的輻照誘導(dǎo)損耗（Radiation Induced Attenua-tion，RIA）光譜和熒光光譜進行對比研究。

1 抗輻照光纖研究機理

由于價態(tài)變化較多、原子序數(shù)較大的離子能有更大的吸收截面，可以為原子序數(shù)較低的離子提供一個輻照緩沖的作用，并借此降低有源光纖的輻照敏感性。因此，探究摻Bi是否可以提高EDF的抗輻照性是抗輻照光纖研究的一個具體方向。已有的研究表明，Bi離子有比Ce離子更加豐富的價態(tài)變化，且Bi的原子序數(shù)要遠大于Er。

對于纖芯摻雜Bi離子的光纖，可以利用Bi離子豐富的價態(tài)變化吸收射線在纖芯內(nèi)沉積的能量，從而降低光纖輻照敏感性。Bi離子在光纖中的價態(tài)包括：Bi、Bi、Bi、Bi。盡管存在多種價態(tài)，但是光纖中比較穩(wěn)定存在的是Bi。而很多摻Bi光纖在輻照后都發(fā)現(xiàn)了近紅外的發(fā)光中心，普遍認為這些近紅外的發(fā)光中心與低價態(tài)的Bi和Bi有關(guān)，在這一過程中轉(zhuǎn)化方程如式（1）。

（1）

同樣，輻照能量達到一定值時會發(fā)生相反的過程，重新生成Bi，其轉(zhuǎn)化方程如式（2）。

（2）

通過Bi的價態(tài)變化吸收射線在纖芯內(nèi)的能量，從而實現(xiàn)對Er離子的緩沖保護作用，達到有源光纖抗輻照的目的。

2 樣品準備及實驗條件

2.1 光纖參數(shù)及輻照條件

實驗所用有源光纖為EDF和BEDF，兩種光纖都是通過改進的化學(xué)氣相沉積方法結(jié)合原子層沉積技術(shù)制造。纖芯和包層直徑分別約為9.0μm和125.0μm。

光纖輻照實驗采用Cobalt-60 輻射源進行輻照處理（上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院輻照中心，上海）。光纖樣品長度為20m，所有實驗都在室溫下進行，光纖輻照量分別用0.3kGy、0.5kGy、0.8kGy和1.5kGy 劑量，輻照劑量率均為800Gy/h，實驗中選取不同輻照劑量對光纖進行輻照處理，輻照結(jié)束后，對光纖性能進行離線測試。

2.2 光纖的吸收光譜測試

利用常規(guī)截斷法對摻雜光纖的吸收光譜（α（λ）） 進行測量，使用白光光源和光譜分析儀（OSA，YAKOGAWA AQ-6315A） 測量輻射前后EDF和BEDF樣品的光譜特性并進行分析，測量波長范圍選為400～1700nm，OSA分辨率設(shè)定為10nm。

RIA由光纖經(jīng)輻照前后吸收強度的差進行計算，其表達式如下

（）=（）-（）

（3）

式中，（）為輻射前的光纖吸收強度；（）為輻射后的光纖吸收強度。

2.3 光纖的熒光光譜測試

在室溫下，使用泵浦源為 980nm 激光器和OSA （YAKOGAWA AQ-6370C），測量0.7m 光纖樣品的反向熒光譜，測量波長范圍選為600～1700nm，OSA分辨率設(shè)定為2nm。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 光纖的衰減光譜特性

測量輻照前EDF和BEDF的吸收光譜，如圖1所示。它們分別在645nm、790nm、970nm和1530nm四個波長處具有明顯的吸收峰，其中EDF的吸收峰強度分別為7.54dB/m、3.48dB/m、5.74dB/m和12.07dB/m，BEDF的吸收峰強度分別為17.03dB/m、5.78dB/m、11.42dB/m和24.67dB/m。

圖1 輻照前 EDF 和 BEDF 的吸收光譜和光纖端面Fig.1 Absorption spectra and cross-sections of EDF and BEDF before irradiation

隨后，通過方程式（3）計算EDF和BEDF輻照處理后的RIA光譜，如圖2（a）和（b）所示。它們的RIA都隨著輻射劑量的增加而增加，并且在較短波長處的增加明顯高于在較長波長處。此外，在800～1600nm范圍內(nèi)，BEDF的RIA通常小于EDF的RIA。經(jīng)不同劑量照射處理后，兩種光纖的RIA隨著輻射劑量的增加而增加，而且EDF的RIA增長速度明顯比BEDF要快，尤其經(jīng)1.5kGy輻照處理后，EDF的RIA比BEDF高1.93dB/m，如圖2（c）所示。

（a）

（b）

（c）圖2 （a）EDF和（b）BEDF輻照前后的RIA光譜；（c）兩種光纖的RIA與1300nm處不同輻射劑量的關(guān)系Fig.2 RIA spectra of （a） EDF and （b） BEDF before and after irradiation; （c） RIA of two fibers at 1300nm vs. different irradiation doses

3.2 光纖的熒光光譜特性

如圖3（a）和（b）所示，兩種光纖的熒光光譜范圍從1520nm到1580nm，泵浦功率固定為1050mW，記錄不同輻射劑量下的熒光強度。值得注意的是，EDF的熒光強度隨著輻射劑量（0～1.5kGy）的增加而降低，而且經(jīng)0.5kGy輻照處理后，其熒光強度以最大的幅度增強（如圖3（b）所示）。與未照射樣品相比，BEDF經(jīng)0.3kGy、0.5kGy、0.8kGy 和1.5kGy輻照處理后，在1536nm處的熒光強度分別增加了0.83dB、1.30dB、1.06dB 和0.52dB。

（a）

（b）圖3 （a）輻照前后 BEDF 的熒光強度特性； （b）BEDF在1536nm處的熒光強度與不同輻照劑量之間關(guān)系Fig.3 （a） Fluorescence intensity of BEDF before and after irradiation; （b） The relationship between the fluorescence intensity of BEDF at 1536 nm and different irradiation doses

4 結(jié) 論

本文研究了伽馬輻射對BEDF和EDF熒光特性的影響，這兩種光纖都是通過改進的化學(xué)氣相沉積法結(jié)合原子層摻雜沉積技術(shù)制造的。光纖樣品分別經(jīng)0.3kGy、0.5kGy、0.8kGy 和1.5kGy輻照處理后，通過對比吸收光譜發(fā)現(xiàn)， BEDF的RIA增加明顯低于EDF, 特別是經(jīng)1.5kGy的輻照處理后，EDF的RIA比BEDF高1.93dB/m。對比熒光光譜可知，對于EDF而言，經(jīng)過不同劑量輻照后光纖的熒光強度都低于未輻射時的熒光強度，并且強度隨著照射劑量的增加而降低； 然而，對于BEDF來說，經(jīng)過不同劑量輻照后光纖的熒光強度隨輻照劑量的增加先增加后減弱，且均高于未輻照的熒光強度，在1536nm 處與未照射樣品相比，BEDF的熒光強度經(jīng)0.3kGy、0.5kGy、0.8kGy 和1.5kGy 輻照處理后，分別增加了0.83dB、1.30dB、1.06dB 和 0.52dB。 由實驗結(jié)果分析表明，鉍鉺共摻有利于提高EDF的抗輻照性能。這對制備出在輻照環(huán)境下性能良好的有源光纖具有非常重要的實際應(yīng)用價值。