超荧光光源中掺铒光子晶体光纤辐射效应

刘承香，吴 旭，张 力，叶振华

1)深圳大学电子科学与技术学院，深圳市激光工程重点实验室，深圳 518060;

2)深圳大学信息工程学院，深圳 518060;3)深圳大学机电与控制工程学院，深圳 518060

超荧光光源中掺铒光子晶体光纤辐射效应

刘承香1，吴 旭1，张 力2，叶振华3

1)深圳大学电子科学与技术学院，深圳市激光工程重点实验室，深圳 518060;

2)深圳大学信息工程学院，深圳 518060;3)深圳大学机电与控制工程学院，深圳 518060

研究伽马辐射对基于掺铒光子晶体光纤超荧光光源输出特性的影响.对比基于掺铒光子晶体光纤和传统掺铒光纤超荧光光纤光源.分别将这两套光源的掺铒光纤部分置于伽马辐射环境中，研究不同辐射剂量对光源输出功率和平均波长的影响，测试辐射结束后光源的恢复情况.结果表明，两种掺铒光纤的辐射效应所引起的超荧光光纤光源性能退化基本相近，但相比传统掺铒光纤，掺铒光子晶体光纤具有更好的恢复特性，在空间领域应用具有潜在优势.

超荧光光纤光源;伽马辐射;掺铒光子晶体光纤;光纤陀螺;输出功率;平均波长

超荧光光纤光源 (superfluorescent fiber source，SFS)具有宽光谱、高输出功率、高平均波长稳定性和低相干长度等优点，已成为光纤陀螺 (fiber optic gyroscope，FOG)的首选光源［1-2］.当前光纤陀螺通过优化结构及热设计、更精细的光纤环绕制、更完善的信号检测及有效的屏蔽技术，较好地解决了温度敏感、噪声大和磁敏感等工程问题，已广泛用于多个领域.空间领域的应用给光纤陀螺带来了新的挑战，尤其是对光纤陀螺的抗辐射性提出了特殊要求.而光源作为光纤陀螺的5大部件之一，对光纤陀螺的精度和稳定性起至关重要的作用，因此需要开展光源的辐射效应和抗辐射措施研究［3］.

掺铒光纤 (erbium-doped fiber，EDF)作为光源的增益和传输介质，其抗辐射特性是影响光源整体抗辐射性的重要因素.鉴于空间通讯、导航领域的应用需求，掺铒光纤器件的辐射成为迫切需要解决的问题.有不少学者对掺铒光纤的辐射特性展开了研究［4-10］，包括辐射缺陷理论模型、辐射影响因素、辐射机理及辐射加固措施等.虽然研究人员在辐射实验、光纤辐照效应及抗辐射光纤的设计等方面提出了一些解决方案，但由于传统掺铒光纤本身的结构特点，尚未形成完全有效的辐射加固技术.

光子晶体光纤［11-19］(photonic crystal fiber，PCF)的出现引起了世界的普遍兴趣，其灵活新颖的特性为学者们提供了广阔的想象与创新空间.在PCF抗辐射方面，最先由法国Girard S课题组展开，2002年报道了实芯PCF的辐射实验结果［15］，指出经辐照后，PCF比普通光纤恢复得更快.该课题组2005年报道了空芯PCF的辐照实验［16］，指出低剂量时，PCF的辐致损耗略优于普通光纤;当辐射达到一定剂量后，空芯PCF的辐致损耗达到饱和，且辐射永久性损伤小、恢复快.2006年俄罗斯Kosolapov A F［17］研究指出，对PCF载氢处理后，可大大减少其在630 nm处的辐射损耗.2007年美国Alfeeli B［18］进行了无序孔 PCF的辐射研究，结果表明，对无序孔PCF使用甲醇清洗后，其抗辐射性能大大提高.以上研究表明，PCF的抗辐射特性比普通单模和多模光纤要好.尽管如此，掺稀土元素PCF的辐射效应却鲜见报道.本课题组利用掺铒光子晶体光纤 (erbium-doped photonic crystal fiber，EDPCF)搭建了超荧光光纤光源，实验研究了掺铒光子晶体光纤的辐射效应，及对光源输出特性的影响，采用传统的掺铒光纤进行了对照实验.

1实验

1.1 待测光纤

实验所测光纤为掺铒光子晶体光纤和传统掺铒光纤，由烽火通信科技股份有限公司拉制，其主要参数如表1.

表1 测试光纤的主要参数Table 1 Characteristics of tested fibers

传统掺铒光纤仅由纤芯和包层组成，而掺铒光子晶体光纤的包层结构更复杂，其端面的扫描电镜图如图1.由图1可见，掺铒光子晶体光纤的包层有7层空气孔，空气孔直径约2.0 μm，孔间距约4.0 μm.纤芯为实芯并掺杂有铒离子 (Er3+)，其掺杂直径约 4.0 μm，模场直径约4.34 μm.两种光纤纤芯的掺杂工艺基本相同，铒离子掺杂质量分数相当 (约为0.1%).为避免铒离子的团簇效应，纤芯中都掺杂了Al3+离子，传统掺铒光纤掺杂Al3+离子的摩尔分数约为2.3%.由于Al3+离子是辐射过程中的主要“着色”离子之一［8］，应我们设计要求，掺铒光子晶体光纤掺杂Al3+离子的摩尔分数降低到约1.1%.

图1 掺铒光子晶体光纤的端面扫描电镜图Fig.1 Scanning electron microscope image of the erbium-doped PCF

1.2 实验装置

辐射实验在北京师范大学辐射中心进行，实验装置如图2.选取2种掺铒光纤长度均为20 m，分别搭建2个超荧光光纤光源，采用单程后向结构.每个光源包括:1个980 nm半导体激光器(LD)作为泵浦源，1个自行研制的泵浦驱动电路模块(LD driver)，1个980 nm/1 550 nm波分复用器(WDM)，2个隔离器(isolator)，各光纤器件之间采用尾纤熔接方式连接［19］.辐射源为60Co的伽马射线源，2个光源所置放位置的辐射剂量率为1×10-4Gy/s，历时约6 d，辐射总剂量为500 Gy.除了将2种掺铒光纤暴露在辐射环境中，掺铒光源的其他部分都分别安装在2个铝盒中，并使用铅砖(lead brick)遮挡进行辐射屏蔽.2个光源的输出分别利用30 m的SMF单模跳线引出到辐照室外，用光谱仪(OSA)和功率计(OPM)测量光源的光谱信息和输出功率，通过GPIB卡将光谱仪和功率计与PC机连接，组成实验在线测试系统，进行实时数据采集存储.

图2 在线测量两种掺铒光纤受伽马辐射时两个光源输出特性的实验装置Fig.2 Experiment setup used to measure online two superfluorescent sources when the two Er-doped fibers exposed to gamma radiation

2 结果及分析

2.1 伽马辐射效应

图3为辐射过程中2个光源辐致衰减 (radiation induced attenuation，RIA)随辐射剂量的变化关系.由图3可见，随着辐射剂量的增大，辐致衰减不断增大，并随辐射累积剂量进一步增大，衰减速率变缓.由于掺铒光子晶体光纤中掺杂的Al3+离子更少，其辐射特性应该比传统掺铒光纤更好，然而实验结果与期望有一定差异.由图3可见，当辐射剂量小于150 Gy时，光子晶体光纤的衰减略小于传统掺铒光纤，当辐射剂量超过150 Gy后，掺铒光子晶体光纤的辐致衰减略大于传统掺铒光纤，主要原因可能是目前光子晶体光纤的拉制工艺不够成熟，在拉制过程中某些制备环节 (如堆砌包层硅毛细管)需要人工参与，这样的过程难免会引入杂质，降低光子晶体光纤的抗辐射性能.

图3 两个光源的功率辐致衰减随辐射剂量的变化Fig.3 Dose dependence of RIA in the two SFSs

图4为2个光源的平均波长漂移与辐射剂量的关系.由图4可见，随着辐射剂量增大，平均波长都向短波长1 530 nm方向漂移，这是因为辐射使掺铒光纤的纤芯形成“色心”，导致泵浦光和超荧光不断衰减，使铒纤发射谱在1 560 nm处的增益减小，且随辐射剂量的加大，波长漂移幅度渐缓.

图5为2个光源的输出光谱随掺铒光纤的辐射剂量的演变过程.由图5(a)和(b)可知，在辐射开始时输出谱型都是双峰结构;随着辐射剂量的加大，2个光源的输出谱型变化主要表现在1 560 nm峰降低很快;当辐射剂量增大到一定程度后，光谱能量主要集中在1 530 nm峰，谱型变化不大.

图4 两个光源的平均波长漂移随辐射剂量的变化Fig.4 Dose dependence of mean wavelength drifts of the two SFSs

图5 两个光源在不同辐射剂量下的光谱演变图Fig.5 Spectrum evolution of the two SFSs under gamma ray irradiation

其结果和图4中平均波长的变化相一致.需要说明的是，图5(a)中所测试的掺铒光子晶体光纤光源的输出谱型曲线有一定的波纹，可能是实验过程中某段光纤受挤压所致.

2.2 辐射后的恢复

辐射结束后，光源的恢复过程是返回深圳后在实验室进行测试的.由于实验条件有一定改变，实验数据以首次恢复测试的结果作为基准.图6(a)是两个光源的功率恢复情况，2种光纤都表现出一定程度的恢复，然而显见，光子晶体光纤光源在辐射后输出功率的恢复幅度更大速度更快.对照图3辐射衰减过程可见，光子晶体光纤的辐射永久损耗小.图6(b)是2个光源平均波长的恢复情况，光子晶体光纤光源的平均波长恢复更快.以上实验表明，相比传统掺铒光纤，掺铒光子晶体光纤具有更好的恢复特性和较小的永久辐射损耗.

图6 两个光源辐射后的恢复情况Fig.6 The recovery of the two SFSs after gamma radiation

结 语

介绍本课题组研究掺铒光子晶体光纤的伽马辐射效应对光源性能影响的初步实验，探索了掺铒光子晶体光纤的抗辐射特性.实验同时采用相同长度和浓度的传统掺铒光纤作对照，将2种掺铒光纤置于伽马射线的辐射环境中，测试不同辐射剂量下光源的输出功率和光谱的变化.辐射结束后对比测试了2种光源的恢复情况.结果表明，两种光纤在辐射中具有相近的辐致损耗和相似的衰减过程，其输出光谱的变化主要集中在1 560 nm附近.在辐射后的恢复过程中，相比传统的掺铒光纤，掺铒光子晶体光纤表现出了更好的恢复特性，表明掺铒光子晶体光纤具有在空间领域应用的潜力.相信随着光子晶体光纤拉制工艺的日趋成熟，其在抗辐射方面的优势将日益明显，光子晶体光纤的多孔性和灵活的可设计性，为光子晶体光纤的辐射加固提供了更多可能.

致谢:感谢阮双琛教授对本研究的悉心指导.

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Gamma-radiation induced effects on Erbium-doped photonic crystal fiber in superfluorescent source†

LIU Cheng-xiang1，WU Xu1，ZHANG Li2，and YE Zhen-hua3

1)College of Electronic Science and Technology，Shenzhen Key Laboratory of Laser Engineering，Shenzhen University Shenzhen 518060 P.R.China

2)College of Information Engineering，Shenzhen University Shenzhen 518060 P.R.China

3)College of Mechatronics and Control Engineering，Shenzhen University Shenzhen 518060 P.R.China

The effects of gamma radiations on the superfluorescent fiber source(SFS)constructed by erbium-doped photonic crystal fiber(EDPCF)was investigated.For comparison，two sets of SFS were constructed by conventional erbium-doped fiber(EDF)and EDPCF.The erbium-doped fiber parts of the SFS were exposed to the gamma radiations.The relationships of the radiation dose and the output power，and the mean wavelength of the two sets of SFS were studied.The recovery situations after removing the gamma radiations were also investigated.The results show that the radiation induced degradation of the two SFS is similar.But compared to conventional EDF，the EDPCF displays better recovery properties.It should have potential advantages in space applications.

superfluorescent fiber source;gamma radiation;erbium-doped photonic crystal fiber;fiber optic gy-

TN 253

A

1000-2618(2011)04-0335-06

2011-05-31

武器装备预研基金资助项目 (9140A＊＊＊01)

刘承香 (1976-)，女 (汉族)，重庆市人，深圳大学副教授、博士.E-mail:chxliu@szu.edu.cn

Abstract:1000-2618(2011)04-0339-EA roscope;output power;mean wavelength

† This work was supported by the Advanced Research of Weapon Equipment Foundation(9140A＊＊＊01).

【中文责编:方 圆;英文责编:卫 栋】