一种高性能抗辐照掺铒光子晶体光纤光源

武志忠，张春熹，索鑫鑫，李 勇

（1.北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191； 2.北京航天时代光电科技有限公司，北京 100854；3.北京控制工程研究所，北京 100190）

掺铒光纤光源（Er-doped Fiber Source,EDFS）由于其大功率、高稳定、高可靠性和低热敏感系数等特点，被认为是应用在高精度光纤陀螺中最有前途的宽带光源[1-2]。然而，随着光纤陀螺在太空环境中应用，空间环境的辐照射线会对掺铒光纤光源造成损伤，致其工作性能劣化，掺铒光纤光源的空间抗辐照能力也成为亟待解决的问题[3-5]。

光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber,PCF）是一种晶格常数为光波长量级的带有缺陷的二维光子晶体，由规则的沿轴向排列着空气孔的石英光纤阵列构成光纤的包层，由一个破坏了包层结构周期性的缺陷构成光纤的纤芯[6-7]。由于光子带隙的作用或全反射原理，某些频率的光可以受限于光纤纤芯中，从而达到传导光的目的。掺铒光子晶体光纤（Er-doped Photonic Crystal Fiber,EDPCF）即是由光子晶体光纤代替传统光纤作为掺杂基质的新型掺铒光纤（Er-doped Fiber,EDF），它的出现引起了世界各研究小组的广泛兴趣。作为一种新型掺铒光纤，掺铒光子晶体光纤具有独到的优点。与传统掺铒光纤相比，它结构灵活多变、温度稳定性好、抗电磁干扰能力更强，除此之外，它还具有光子晶体光纤的一般特性，如无限单模传输特性、高双折射特性、大模面积性特性以及优良的抗辐照特性等，因此能更好地适应于高辐射、高电磁干扰的太空环境中。光子晶体光纤的辐照特性研究最早由法国的Girard S 及其合作者开展，该课题组报道了实芯光子晶体光纤的辐照实验结果，表明经辐照后光子晶体光纤损耗特性较传统光纤恢复更快[8-9]。Wei Cai 也研究指出，与传统光纤相比，光子晶体光纤的辐照损耗更低，更适合于辐照环境严酷条件下的应用[10]。2015年，深圳大学刘承香等人研究了伽马射线对掺铒光子晶体光纤光源和传统掺铒光纤光源输出特性的影响，结果表明，掺铒光子晶体光纤光源具有更好的恢复特性[11]。以上研究表明，掺铒光子晶体光纤比传统掺铒光纤更适合空间环境的应用，然而，对适合光纤陀螺系统的抗辐照掺铒光子晶体光源的设计还少见报道。

本文提出一种单程后向结构抗辐照掺铒光子晶体光纤光源的设计方案。光源以经过特殊优化的掺铒光子晶体光纤作为增益介质，通过调节光纤长度，使得掺铒光子晶体光纤光源输出光谱1530 nm 波段和1560 nm 波段光具有较小增益竞争，从而在辐照环境下具有更好的光谱稳定性。最后，结合“平坦谱光谱滤波技术”和“泵浦光功率闭环反馈控制技术[12]”，设计出高性能、抗辐照掺铒光子晶体光纤光源。实验结果表明，光纤光源在200 krad 辐照剂量下输出光谱大于40 nm，同时具有高平均波长和光功率稳定性。该方案光源输出光谱宽，同时具有高平均波长和功率稳定性、结构简单、实用性强，特别适用于高精度光纤陀螺的空间应用。

1 掺铒光纤光源的结构

光与物质相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程，掺铒光纤超荧光产生的过程就是这三种跃迁共同作用的结果，其中，原子的自发辐射跃迁过程是掺铒光纤光源的物理基础。根据有无光反射镜和输出光沿泵浦光方向的异同，掺铒光纤光源可分单程后向、单程前向、双程后向、双程前向等结构类型，如图1所示。

如果掺铒光纤两端面均是非反射性的，称为单程结构。单程结构分为单程前向结构和单程后向结构。单程前向结构光源的输出光相对于泵浦源来说是同向进行的，用的是掺铒光纤中前向放大自发辐射，典型光路结构如图1(a)所示。单程后向结构光源较单程前向的区别是输出光相对于泵浦光来说是逆向进行的，典型光路结构如图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纤反射镜，称为双程结构。根据输出光相对于泵浦光的方向双程结构分为双程前向结构和双程后向结构，典型光路结构分别如图1(c)和图1(d)所示。

图1 掺铒光纤光源的结构：(a) 单程前向结构；(b) 单程后向结构；(c) 双程前向结构；(d) 双程后向结构 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 抗辐照掺铒光子晶体光纤光源设计

2.1 掺铒光子晶体光纤的增益谱和吸收谱

本文提出一种单程后向结构抗辐照掺铒光子晶体光纤光源的设计方案。为实现这一目标，首先设计了一种高浓度掺铒光子晶体光纤（EDPCF）。

掺铒光子晶体光纤利用改良的化学气相沉积、堆积法拉制而成，端面结构如图2插图所示。掺铒光纤中，Er3+/Al3+掺杂浓度比例影响掺铒光纤荧光效率，决定光纤本征增益光谱形状。根据仿真和实验研究结果，通过优化掺铒光子晶体光纤中Er3+/Al3+的掺杂浓度，得到掺铒光子晶体光纤的增益光谱如图2所示。图2中实线为掺铒光子晶体光纤的增益光谱；作为对比，虚线为传统掺铒光纤M12 的增益光谱。从图2中可以看到：传统掺铒光纤增益谱中1530 nm 短波段功率谱密度较1560 nm 长波段高大约15 dB；掺铒光子晶体光纤本征增益谱特性有明显改变，增益谱中1560 nm波段谱型更为平坦，1530 nm 短波段功率谱密度较1560 nm 长波段高大约6 dB。研究表明，EDPCF 的增 益谱光谱形状更有利于掺铒光纤光源的抗辐照和增益平坦滤波设计。

图2 掺铒光子晶体光纤和传统掺铒光纤的增益谱（掺铒光子晶体光纤截面如图中照片所示） Fig.2 Fluorescence spectrum of EDF and EDPCF (The photo in this figure shows the cross-section of EDPCF)

图3 掺铒光子晶体光纤和传统掺铒光纤的吸收谱 Fig.3 The absorption spectrum of EDF and EDPCF

表1 EDPCF 和传统EDF 的主要特征参数 Tab.1 Main characteristics of EDPCF and EDF

实验测试了掺铒光子晶体光纤和传统掺铒光纤M12 的吸收谱，如图3所示。超连续白光光源Super Compack 提供测试用宽谱光，光谱范围从500 nm 到2400 nm，覆盖了Er3+近红外波段的吸收谱。图3中实线代表掺铒光子晶体光纤的吸收光谱，虚线代表传统掺铒光纤M12 的吸收光谱。从图3中可见，光波段到近红外光波段可以看到3 个吸收峰，掺铒光子晶体光纤铒离子掺杂浓度较高，各吸收波段较传统掺铒光纤具有更高的吸收损耗，其中，980 nm 波段泵浦光吸收损耗大约为传统掺铒光纤的3 倍。EDPCF 和传统EDF的主要特征参数对比如表1所示。

2.2 抗辐照掺铒光子晶体光纤光源参数优化

宽谱光源具有较小的相对强度噪声特性，在高精度光纤陀螺中具有独特优势，为拓宽光源谱宽，一般采用增益平坦滤波技术。前期研究结果表明，辐照过程中，掺铒光纤光源输出光谱变化的主要原因是1530 nm 波段和1560 nm 波段增益损耗不均。掺铒光纤本征增益谱反映光纤中掺杂Er3+的本征荧光特性，1530 nm 波段和1560 nm 波段具有最小的增益竞争。利用掺铒光纤本征增益谱作为光源输出光谱，辐照环境下，光源输出光谱的变化仅表现为光纤的背景损耗特性，因此1530 nm 波段和1560 nm 波段具有相同的损耗，光源具有很好的光谱稳定性。然而，在传统掺铒光纤光源中，利用图2中光纤本征增益谱作为光源输出光谱时，经增益平坦滤波后，光源荧光效率不足1%，不适合高精度光纤陀螺的工程化应用。

相比于传统掺铒光纤，掺铒光子晶体光纤本征增益谱特性有明显改变，该增益谱光谱形状更有利于光源的抗辐照设计。为减小光源输出光谱1530 nm 波段和1560 nm 波段的增益竞争以获得更好的辐照稳定性，同时获得更宽的输出谱宽，本文基于掺铒光子晶体光纤搭建了单程后向结构光纤光源，并通过实验方式优化了增益光纤的长度。

实验中设置驱动电流200 mA，此时泵浦功率100 mW，不同长度掺铒光子晶体光纤下光源后向输出特性如图4和图5所示。

图4为200 mA 驱动电流不同长度掺铒光子晶体光纤下光源的后向输出光谱，图5为不同长度掺铒光子晶体光纤下光源的输出功率和平均波长。可以看到，光源输出功率随着光纤长度的增加逐渐增加，光纤长度3 m 时光源输出接近饱和。输出饱和时，光源输出功率6.9 mW，荧光效率接近7%。光纤长度从1 m 增加到2 m 范围内光源输出光谱形状稳定，平均波长变化 较小，输出光谱接近掺铒光子晶体光纤的本征增益谱。此时，掺铒光子晶体光纤光源输出光谱1530 nm波段和1560 nm 波段光增益竞争较弱，辐照环境下具有更好的光谱稳定性。考虑到光源的输出功率，最终确定掺铒光纤长度为2 m，输出光谱在图4中用黑色实线标出。

图4 不同光纤长度下的输出光谱 Fig.4 Output spectrum of EDPCFS at different fiber lengths

图5 不同光纤长度下的输出功率和平均波长 Fig.5 Output power and wavelength of EDPCFS at different fiber lengths

图6 掺铒光子晶体光纤光源的滤波器光谱 Fig.6 Filter spectrum of EDPCFS

图7 掺铒光子晶体光纤光源的原始光谱和输出光谱 Fig.7 Original spectrum and output spectrum of EDPCFS

宽谱光源具有更小的相对强度噪声特性，是高精度光纤陀螺的首选光源。为了拓宽掺铒光子晶体光源 的输出谱宽，依据驱动电流200 mA 下，光纤长度2 m时光源的输出光谱，设计了一种增益平坦滤波器（Gain Flat Filter,GFF），方案中滤波器光谱如图6所示，掺铒光子晶体光纤光源最终输出光谱如图7所示。滤波器通过衰减原始光谱中1530 nm 和1560 nm 增益峰改变光源输出光谱的形状，经过滤波器后，光源最终输出光谱带宽大于40 nm，光谱平坦度小于1 dB，输出功率4 mW。

2.3 掺铒光子晶体光纤光源抗辐照方案设计

辐照过程中，掺铒光纤光源性能劣化主要包括两方面原因：1）辐照环境下，1530 nm 波段和1560 nm波段增益损耗不均，导致掺铒光纤光源输出光谱变化；2）辐照环境下，光纤中辐照色心对980 nm 泵浦光功率的吸收，导致掺铒光纤光源输出功率的损耗[12]。

针对上述两种原因，本文中掺铒光子晶体光纤光源的抗辐照设计通过两种方式保证：1）光源光路部分采用传统的单程后向结构，通过优化掺铒光纤长度使光源输出光谱接近Er3+的本征荧光谱，此时辐照过程中光谱的损耗仅与掺铒光纤的背景损耗有关，光谱具有更好的辐照稳定性；2）为提高辐照环境下光源功率稳定性，光源电路部分采用“泵浦光功率闭环反馈控制”技术，由集成光功率探测器将掺铒光纤光源输出功率的5%作为反馈量，通过驱动控制电路产生控制信号调节泵浦激光器的驱动电流来稳定辐照条件下掺铒光子晶体光纤中980 nm 泵浦光功率。

基于上述研究，提出一种抗辐照掺铒光子晶体光纤光源的设计方案，如图8中SFS#1 所示。掺铒光子晶体光纤光源抗辐照方案中，Oclaro 公司的Pump LD用来提供980 nm 泵浦激光，中心波长位于974.2 nm；波分复用器WDM用来将980 nm泵浦光耦合进掺铒光纤并输出1550 nm 信号光，GFF1 代表增益平坦滤波器，ISO 代表光隔离器，用来消除输出端反馈光功率的影响。另外，为避免光反馈产生激光，掺铒光子晶体光纤的未泵浦端连接ISO，各光纤器件之间采用尾纤熔接方式连接。光源电路部分采用“泵浦光功率闭环反馈控制”技术，由集成光功率探测器将掺铒光纤光源输出功率的5%作为反馈量，通过驱动控制电路产生控制信号调节泵浦激光器的驱动电流来稳定辐照条件下掺铒光子晶体光纤中980 nm 泵浦光功率。

为验证光源的抗辐照特性，我们对比测试了基于传统掺铒光纤的光纤光源SFS#2 的辐照特性。SFS#2为传统掺铒光纤光源，该光源未采取任何抗辐照措施；EDF 主要特征参数见表1。GFF2 用来提高输出光谱平坦度，激光器驱动电流设置200 mA。

图8 掺铒光子晶体光纤光源设计方案及辐照实验装置 Fig.8 Schematic of EDPCFS and traditional EDF under irradiation test

3 光源辐照实验及分析

辐照实验在北京大学钴源实验室进行，60CO 作为辐照源。200 krad 是空间高辐照环境下的典型总剂量，实验中设定辐照剂量200 krad，辐照剂量率0.6 rad/s，环境温度25℃。实验中仅将掺铒光纤暴露在辐照射线下，其它光学器件和测试系统用25 m 单模跳线引至辐照室外。测试系统中，Light Wave 光功率计FPM-8210用来监测输出光功率，Agilent 光谱分析仪AQ6319 用来记录输出光谱，测试时间间隔2 h。

实验记录了不同辐照剂量下光源输出光谱的变化。图9为辐照总剂量200 krad 下，抗辐照掺铒光子晶体光纤光源SFS#1 和传统掺铒光纤光源SFS#2 的输出光谱特性。

基于掺铒光子晶体光纤的抗辐照光源SFS#1 不同辐照剂量下的输出光谱如图9(a)所示，可以看到随着辐照剂量的累积，光源输出光谱形状稳定，仅光谱平坦度有所下降。在辐照总剂量200 krad 下，光源3 dB 输出带宽大于40 nm。图9(b)为传统掺铒光纤光源SFS#2不同辐照剂量下的输出光谱，可以看到随着辐照剂量的累积，整个波段范围内光功率谱密度逐渐降低；与辐照前相比，1530 nm短波段处功率谱密度下降大约7 dB，1560 nm 长波段处表现出更大的损耗，光功率谱密度下降大约14 dB，光源输出光谱急剧恶化。

图9 辐照环境下：(a) 掺铒光子晶体光纤光源的输出光谱特性；(b) 传统掺铒光纤光源输出光谱特性 Fig.9 The output spectra under radiation environment:(a) EDPCFS; (b) traditional Er-doped fiber source

200 krad 辐照总剂量下，抗辐照掺铒光子晶体光 纤光源SFS#1 和传统掺铒光纤光源SFS#2 的平均波长和输出功率的变化如图10 所示。

图10(a)显示了两种光源平均波长的变化，图10(b)显示了两种光源输出功率的变化。200 krad 辐照剂量下，传统掺铒光纤光源波长变化5960×10-6，变化率29.8×10-6/krad；掺铒光子晶体光纤光源平均波长变化520×10-6，变化率2.6×10-6/krad，波长稳定性提高10倍以上。传统掺铒光纤光源输出功率从9.31 mW 下降到1.06 mW，损耗9.6 dB；掺铒光子晶体光纤光源输出功率损耗小于0.2 dB。实验结果表明，设计的掺铒 光子晶体光纤光源抗辐照性能大幅度提升。

本文利用掺铒光子晶体光纤设计出高性能抗辐照掺铒光子晶体光纤光源，光纤光源在200 krad 辐照剂量下输出光谱大于40 nm，同时具有高平均波长和光功率稳定性，能很好满足高精度光纤陀螺的空间应用需求。

图10 不同辐照剂量下高性能掺铒光子晶体光纤光源和传统掺铒光纤光源：(a) 平均波长；(b) 输出功率的变化 Fig.10 EDPCFS and Er-doped fiber source under different radiation doses:(a) the mean wavelength; (b) the output power

4 结 论

根据空间用高精度光纤陀螺抗辐照掺铒光纤光源的应用需求，本文提出了一种高性能掺铒光子晶体光纤光源的解决方案。首先，基于特殊设计的掺铒光子晶体光纤搭建了单程后向结构光纤光源，通过参数优化设计，减小了光子晶体光纤光源输出光谱1530 nm波段和1560 nm 波段光增益竞争，提高了光源输出光谱的辐照稳定性；然后，结合“平坦谱光谱滤波技术”和“泵浦光功率闭环反馈控制技术”设计出高性能抗辐照掺铒光子晶体光纤光源。实验结果表明：光纤光源在200 krad 辐照剂量下输出光谱稳定，谱宽大于40 nm，输出功率损耗小于0.2 dB，平均波长稳定性2.6×10-6/krad；该抗辐照掺铒光子晶体光纤光源输出光谱宽，抗辐照特性优良，结构简单，在高精度光纤陀螺的空间应用中具有独特优势。