深空辐射条件下EDFA波分复用性能研究

柳青峰，李 博，康冬鹏，杨清波，马 晶，谭立英，于思源，赵 生，王 淇

（1.哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨 150001；2.哈工大卫星激光通信股份有限公司，哈尔滨 150028）

引 言

国外正逐渐将地面成熟应用的掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）波分复用技术推广至空间应用，在深空辐射条件下若仅仅从单一波长的角度来分析EDFA的性能变化将无法跟上这一迫切发展趋势。波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）[1]技术，是一种在光域上的复用技术，将几个不同的标称波长或光信道信号通过WDM耦合器复用在一个信道中进行空间传输，WDM技术可有效拓展原有卫星光通信的传输数据率。

目前各国在进行空间试验卫星光通信系统中，一般仅采用单通道模式，随着对存储数据容量大大增加的需求，空间波分复用技术将成为拓展通信容量的有效手段，因此需要研究EDFA波分复用特性在深空辐射条件下的性能变化情况。

2013年，Fox等对一系列铒镱共掺光纤样品进行了18 个月的国际空间站在轨试验，主要研究色心产生后辐射对样品的可见光至近红外光谱的影响，结果表明：由于共掺技术相对于掺杂一种稀土元素而引入更少的铝元素，色心产生的可见光吸收和近红外吸收较小，并通过地面辐射源Co60产生的Gamma 射线验证了这一辐射致色心吸收现象[2]。

2014年，Girard S小组通过实验研究了新型结构（Hole-Assisted Carbon Coated，HACC）的掺铒光纤对辐射的耐受能力，在辐射速率为0.15 rad/s，辐射总剂量为100 krad时，增益只下降了1.7%，通过实验测试和仿真分析，采用该结构的掺铒光纤大大提高耐辐射性能[3-5]。

不同掺杂材料的光纤放大器的抗辐射特性不同，其中Yb3+的存在会降低掺铒光纤辐射下的性能，从而使得铒镱共掺光纤放大器的辐射性能明显弱于掺铒光纤放大器[6]；采用EDFA 黑匣子模型的多波长EDFA辐射增益特性的测试方法，大幅度提高测试的效率，解决了测试时间对分析多波长EDFA辐射增益特性的限制[6-13]。

尽管国内外对EDFA在空间环境中，针对不同辐射源、不同剂量率、不同温度场进行了大量的辐射实验[14-17]，但以上研究内容均未涉及波分复用的各通道特性与深空辐射的关系，而在EDFA 进行WDM 应用时，增益谱的平坦特性[18-19]也是尤为重要的。

本文首先研究卫星光通信系统采用波分复用技术时，深空辐射及温度场对EDFA的性能影响、非均匀特性，建立深空辐射条件下EDFA 的WDM 信号之间的增益影响模型，给出了温度、辐射等变化对EDFA波分复用信号增益的非均匀变化影响的评估方法。在深空辐射环境的各类粒子中，由于电子更能体现出对靶材的电离效应，而中子不带电荷，更能体现出对靶材的位移效应，为了更详细地研究EDFA的深空辐射性能变化规律，分别采用电子和中子作为辐射源，进行地面模拟深空辐射环境的辐射电离效应和辐射位移效应实验，测试EDFA波分复用信号的变化情况，建立深空辐射条件下EDFA 的WDM 信号之间的增益影响模型，并通过实验结果进一步验证该模型与实验结果的一致性。

1 原理分析

在深空辐射条件下掺铒光纤（Erbium Doped Fiber，EDF）产生的色心[20]，对全谱范围内的传输光均产生一定的吸收[21]，一部分吸收能量引起晶格振动最终以热量形式释放出来[22]。光通信卫星链路中不能像地面一样进行中继放大，所以对通信发送端的光功率要求较大，功率一般为10 dBm 以上。若泵浦效率为10%时，其对应的泵浦光至少为100 dBm，当如此高功率的泵浦在EDF 中传输时，色心吸收产生的热量积累会导致EDF内部温度升高，甚至烧毁EDFA。

若单通道信号传输光功率为Psingle，则N路WDM信号传输时，对应的传输光功率PWDM为

在变化的温度场中，考虑Er3+能级的Stark 分裂，温度对EDFA 中参与工作的Er3+能级粒子数分布满足波尔兹曼统计规律。图1为980 nm泵浦EDFA的铒离子Stark能级分布。

温度较高时，改变了各分裂能级粒子数分布权重，由此产生了更多的基级向工作能级激发，即带内激发，吸收了更多的较短波长的放大光，并将吸收的能量传递给较长的波长，从而在高温时，较长波长的信号放大幅度较大，低温时，较短波长的信号放大幅度较大。

铒离子在1 550 nm 光放大能级和基态能级吸收[23]，如图2所示。铒离子在1 550 nm光放大能级和基态能级发射如图3所示。

图1 Er3+的Stark分裂能级Fig.1 Energy level diagram of Er3+in fiber showing the Stark-split levels

图2 能级Stark分裂下的铒离子能级4I15/2和能级4I13/2吸收示意图［23］Fig.2 Energy diagram showing the Stark components of the 4I15/2 and 4I13/2 manifolds and the assignment of observed absorption transitions［23］

图3 能级Stark分裂下的铒离子能级4I15/2和能级4I13/2发射示意图［23］Fig.3 Energy diagram showing the Stark components of the 4I15/2 and 4I13/2 manifolds and the assignment of observed fluorescence transitions［23］

下面研究不同温度下EDFA 对1 530～1 560 nm宽带光源的响应情况，试验结果如图4所示，图4中的高温对应的是+85 ℃，低温对应的是-170 ℃。

由图4可知，低温时对宽带光源的短波长附近产生一定的吸收，并将吸收的能量传递给较长波长，在EDFA内部形成带内泵浦，给长波带来一定的增大作用。这种增益随波长变化的情况可影响WDM接收系统中信号处理的动态响应。掺铒光纤处于深空辐射环境中时，其内部的色心吸收和退化的过程将对应更多的吸收发射能级，辐射后增益变化更加明显。

图4 不同温度下EDFA对宽带光源的响应情况Fig.4 Broadband light source transmission response of EDFA at different temperature

目前光卫星通信系统设计中，只能实现路数较少的波分复用，比如两路或者四路波分复用。在此情况下，为了计算简单，考虑在1 550 nm附近的一小段波长区间内，可认为深空辐射对其带内能量传递的影响是近似线性的。

基于这种近似，为了得到波分复用时各波长的增益关系，本文定义了在深空辐射环境中变化温度场作用下EDFA的信道增益斜率SWDM

其中：ΔGλ为最短与最长有效波长对应增益的差值；N为WDM中的有效波长个数；Δλ为WDM中各有效波长的波长间隔；C为待定斜率修正常数；Sβ为辐射斜率因子。

考虑不同信道增益的差分关系对应的斜率，掺铒光纤形成色心的吸收带特征与硅基的石英晶体辐射致色心的吸收带特征相似，因此掺铒光纤的微观结构可近似按照石英晶体的晶格理论进行研究[24-25]。

为了描述不同辐射速率下的EDFA特性变化，并同时考虑掺铒光纤中的色心效应，从辐射场对硅基氧化物材料色心产生的原理出发[24-25]，得到

其中：NP为掺铒光纤中固有的缺陷个数；为辐射速率；AN为掺铒光纤制造工艺或者外界因素引起的色心退化项；NCS为辐射对掺铒光纤作用时产生的色心数量；T为辐射对掺铒光纤作用时的温度相关量；τa为掺铒光纤制造工艺或者外界因素引起的色心退化时间；b、c、ω为待定常量。

辐射与损耗成正比的关系和辐射与近红外波段的损耗关系，可近似认为ΔGλ（Sβ）～λD，ST为温度斜率因子。

石英晶格在受到温度场作用后产生振动，使得色心退化概率增大，按照统计力学理论符合麦克斯韦－波尔兹曼统计概率分布为

其中：p为掺铒光纤受温度影响的概率；KB为波尔兹曼常数；T为绝对温度。

将式（5）按照Taylor级数展开

若将Δp忽略，即考虑Δp为无穷小量，式（6）为1-（1/KBT）。

实际上Δp是不能忽略的，下面对低阶量Δp进行修正，为使问题简便，将本底影响设为常量，同时考虑温度场对晶格产生热激发作用使得材料更易受到外界条件影响，导致辐射敏感性的增加，加入修正系数f，因此可以得到，掺铒光纤在辐射条件下的损耗与工作温度的概率关系为

对于SWDM，考虑信道增益斜率与不同信道增益的差分有关，近似认为ΔGλ（ST）～（T-T0）2，T0为与应用环境有关的温度量。

将上述简化过程代入式（2）中，可得深空辐射环境中变化温度场作用下EDFA的信道增益斜率函数SWDM为

其中：T0为起始温度常数。

可以看出，式（9）给出了EDFA 中WDM 信号之间的增益关系，因此又可定义它为增益影响模型。该模型描述了EDFA 中，WDM 各信号对应增益的非均匀性程度。

在空间采用波分复用技术时，在复用波长数较少的情况下，信道中各信号增益具有一定的线性比例关系，是空间温度场和辐射场的函数。

当温度选择适当时，信道中各信号增益大小相当，SWDM接近于 0 dB/nm。SWDM不等于0 时，若|SWDM|＜0.1 dB/nm，可认为温度和辐射对通信接收系统各信号增益的均匀性影响可忽略，反之亦然。当|SWDM|很大时，信道增益斜率函数反映了WDM 信道中各信号的不均匀性，可导致通信接收系统的动态响应范围变小，为卫星激光通信系统最优温度阈值控制设计提供了理论依据。

2 建立实验

上一节给出了在深空辐射环境及变化温度场作用下，建立的EDFA 中WDM 信号之间的增益影响模型。为验证该模型的正确性，给出高能电子辐射后的实验验证结果，实验装置如图5～6所示。

图5 实验中的波分器照片Fig.5 The photo of wave divider in experiment

图6 实验中的耦合器照片Fig.6 The photo of optical fiber couplerin experiment

在EDFA 输入端接入WDM 信号，该WDM 信号由C放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）宽带光源产生，经过光纤光栅波分器后进入耦合器，由耦合器输出至EDFA输入端。

耦合器输出至EDFA输入端的信号质量较好，信噪比较高，如图7所示，作为本次实验可以认为是较理想的WDM信号，波长间隔为1.6 nm。

对EDFA 在辐射前进行本底测试，如图8 所示。本底测试后的WDM信号随温度变化如图9所示。在高温时，较长波长的信号得到了更大的放大，但增大趋势不明显。而在低温时，较长波长的信号放大幅度有较大的衰减。

图7 波分复用EDFA连接图Fig.7 The diagram of wavelength division multiplexing connecting EDFA

图8 EDFA输入端的WDM信号Fig.8 Input WDM signal of EDFA

图9 辐射前EDFA输出的WDM信号Fig.9 The output WDM signal of EDFA before irradiation

3 实验验证

在空间辐射环境的各类粒子中，电子更能体现出对靶材的电离效应，而中子不带电荷，更能体现出对靶材的位移效应，为了更详细地研究EDFA的空间辐射性能变化规律，本文分别采用电子和中子作为辐射源，进行地面模拟空间辐射环境的辐射电离效应和辐射位移效应实验，验证空间辐射条件下EDFA 的WDM信号之间的增益影响模型。

1）电子试验验证

电子辐射实验主要参数：电子能量为1.0 MeV，束流1～2 μA，测试板面积70 cm2，扫描宽度50 mm，辐射样品距扫描盒300 mm；辐射实验精度：在试验范围内扫描不均匀度小于±5%，能量不稳定度小于±5%，束流积分仪最大测量误差±2%。

对电子辐射实验后的EDFA 进行WDM 信号测试，EDFA 输入端的信号光如图8 所示，辐射后的WDM输出信号在不同温度下的表现如图10所示，经EDFA 放大后的WDM 输出信号均有所衰减，各信号衰减幅度大致相同，高温时，较长波长的信号放大幅度较大，低温时，较短波长的信号放大幅度较大，与辐射前的规律相同。

图10 辐射后EDFA输出的WDM信号Fig.10 The output WDM signal of EDFA after irradiation

由图10 可知，辐射后各信号对温度变化更加敏感，不同温度下辐射对EDFA中的各光波长放大的影响相差较大，辐射前后WDM各信号对应的峰值波长未发生明显变化，仿真曲线与实测数据符合较好，信号波长越大，对温度敏感性越大。产生这一现象的原因是铒离子对宽带光源的短波长附近产生一定的吸收，并将吸收得能量传递至较长的波长，在EDFA内部形成带内泵浦，并给长波长信号带来一定的放大，与低温时相比，铒离子在高温时各能级产生展宽，基态能级中分裂的较高的Stark 能级其粒子数较低温时更多，在EDFA内部更易发生带内泵浦，对长波长信号的放大更多。利用信道增益斜率公式可以很好的描述空间在不同温度场中电离辐射对增益影响的不均衡性质。

从实验结果可以得出：利用信道增益斜率公式建立的深空辐射环境中变化温度场作用下EDFA 的WDM中各波长增益关系，只要测量辐射条件下的一组WDM信号的各波长增益数据，即可外推出在该辐射条件下，变化温度场对EDFA 中WDM 信号性能的影响。

2）中子试验验证

中子辐射待辐射样品为980 nm泵浦的EDFA，位于高能中子脉冲反应堆旁，辐射源中子能量平均为1 MeV，辐射通量为1.5×1013n/cm2，辐射时间为7 d。

高能中子对EDFA 增益损耗影响实验过程为：EDF（6 个裸纤样品）放置在中子反应堆附近，保证6 个样品同时受到均匀的辐照。本次实验为离线测试，输入信号光功率可通过可变光衰减器进行控制，EDFA 的特性变化将通过光谱仪测量。中子辐射后，通过测量辐射导致的EDFA增益变化与输入信号光功率、泵浦光功率的关系，并与辐射之前的结果相比。在本次实验中6 个商用EDF 样品的参数一致，EDF1样品裸纤参数见表1，EDF1 辐射前后参数变化情况如表2所示。

表1 EDF1样品裸纤参数Table 1 The parameter of original EDF sample

表2 EDF1辐射前后参数变化情况Table 2 Characteristic change of EDF sample 1 before and after irradiation

针对EDFA的波分复用技术进行高能中子辐射效应研究，实验中将ASE 平坦宽带光源输出的信号光通过波分器，分成中心波长间距为1.6 nm的信号光，依然选取中心波长1 547.7、1 549.3、1 550.9、1 552.5 nm 的4 束信号光，再将4 束信号光通过耦合器耦合成1束梳状信号光输入中子辐射后掺铒光纤制作的EDFA，经中子辐射后掺铒光纤制作的EDFA 放大后输入高精度光谱分析系统AQ6317C 输出光谱。图11 为在满功率泵浦条件下，高能中子辐射前后的WDM图形，WDM的输入信号见图8。

图11 辐射前后EDFA输出的WDM信号Fig.11 The output WDM signal of EDFA before and after irradiation

将图11 中的各WDM 信号的峰值区域进行放大，如图12所示，将辐射实验条件代入已推导的EDFA的信道增益斜率模型，并绘制模型计算的增益斜线。

图12 辐射前后EDFA输出的WDM信号增益关系Fig.12 The output WDM signal relationship of EDFA before and after irradiation

从图12可知，辐射前后EDFA输出的WDM信号经放大后各信号波长保持恒定，对应的放大信号功率变化不大，辐射导致的平均吸收损失0.6 dB，单个波长的光信号与WDM信号的最大差异分别为0.5 dB和0.6 dB，各信号峰值功率几乎没有改变。产生此种现象的原因是由于反应堆的中子能量较小，在辐射位移实验过程中，EDF 内部未能产生足够多的位移缺陷，同时中子在EDF 中的二次电离效应不明显。仿真曲线与实测数据符合较好，利用信道增益斜率模型可以描述深空辐射中辐射位移效应增益的不均衡性质。

4 结 论

利用信道增益斜率公式建立的深空辐射环境中变化温度场作用下EDFA 的WDM 中各波长的增益关系，即可研究深空辐射环境中两种最主要的辐射效应为辐射电离效应和辐射位移效应对EDFA 中WDM 信号的影响，只要测量辐射条件下的一组WDM信号的各波长的增益数据，即可外推出在该辐射条件下，变化温度场对EDFA中WDM信号性能的影响。

利用该模型，可获得深空辐射环境中，不同的辐射类型、不同的温度下，EDFA 在WDM 应用时各波长增益的非均匀特性，为卫星光通信中EDFA 的WDM应用提供参考。