空间光通信用耐辐照掺铒/铒镱共掺光纤研究进展

折胜飞，梅 林，周振宇，侯超奇，郭海涛

1. 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，西安710119

2. 中国科学院大学，北京100049

3. 中科信工程咨询（北京）有限责任公司，北京100039

随着世界各国对空间领域的高度重视，空间光通信技术已经成为全世界研究的热点之一. 空间光通信具有极高的传输速率、极大的通信容量、良好的保密性、不需要无线电频率使用许可、体积小、重量轻等优点，成为未来空间链路的发展方向，引发各航天强国的研究热潮[1-3]. 在空间光通信系统中，采用半导体激光器作为信号光源在结构和可靠性上具备无可匹敌的优势，但因为空间光通信传输距离很长，所以该方法无法满足空间光通信高速率、大容量、长距离传输的要求[3-5]. 光纤放大器具有抗电磁干扰、紧凑轻质、电光转换效率高、免调试维护等优势，成为卫星光通信系统中信息和能量传输的理想器件[1-5]. 尤其是掺铒光纤放大器（erbium-doped fiber amplifier, EDFA）和铒镱共掺光纤放大器（erbium-ytterbium codoped fiber amplifier, EYDFA）的出现，降低了信号光源对功率的要求，大大提高了空间激光通信的中继距离，在空间光通信系统中发挥着重要作用[5-6].

然而，当EDFA 和EYDFA 长时间暴露在地球空间轨道恶劣的辐照环境中时，会受到宇宙中的带电粒子（正负电子、质子、α粒子等）和高能电磁辐射（X 射线、γ射线）的综合作用，尤其是增益光纤在辐照环境会引起辐照损伤，而在光纤内部形成色心，使信号光在光纤放大器内的传输损耗急剧增加，导致光纤放大器综合性能显著下降甚至完全失效[6-8]. 虽然采用防辐射屏蔽层可以提高光纤类器件的耐辐照能力，但会极大地增加空间载荷的额外质量，严重制约光纤在空间光通信领域的应用，所以提高掺铒光纤（erbium-doped fiber, EDF）和铒镱共掺光纤（erbium-ytterbium codoped fiber, EYDF）材料自身的耐辐照特性是根本途径[6].

目前，许多研究机构对EDF 和EYDF 的辐照特性开展了广泛的研究，但耐辐照光纤要最终走向成熟并长期应用于空间光通信和未来太空探索，还有许多关键理论和技术问题有待解决. 基于此，本文从太空辐照环境、辐照导致的现象与问题出发，从辐照效应的产生机理、影响因素、辐照加固方法三方面详细阐述当前耐辐照EDF 和EYDF 的研究现状，并对其未来的研究趋势进行了展望.

1 空间辐照效应

1.1 太空辐射环境

近地空间的辐射主要来自于银河系宇宙射线、太阳粒子事件、地磁捕获射线等[9]. 银河系宇宙射线的主要成分是来自太阳系外的粒子，如质子、α粒子、重离子和电子；太阳粒子事件的主要成分是质子流、X射线、γ射线，源于太阳耀斑的偶然发生；地磁捕获辐射主要由被地球磁场捕获的电子和质子组成，如表1 所示.

金属能屏蔽大部分质子和电子，但对诱导辐射、宇宙辐射和太阳耀斑的中子、X 射线、γ射线作用较小，具体如图1 所示. 高能辐射和中子辐射穿透能力最强，可以穿透几厘米后的普通铅板，尤其是γ射线，即使用几厘米后的铅板屏蔽也会有一部分γ射线穿透铅板；β粒子一般只能穿透微米到毫米范围的板，只会引起材料表面的缺陷[10]；α粒子、质子和其他重离子束电离能力强，但穿透力弱，哪怕一张白纸也可以将其阻挡. 由此可见，高能电磁辐射是太空中影响光纤光学性能的主要因素. 虽然在元器件表面增加防辐射屏蔽的被动防护技术可以提高器件的抗辐射能力，但这往往会增加大量无用的额外质量，而飞行器对载荷的质量要求相当苛刻，每千克载荷质量的增加都要发射系统付出数百千克的巨大代价[11]，所以提高光纤器件本身的耐辐照能力是各国的首要选择.

研究表明，空间辐射对光纤材料的影响主要是总电离剂量（total ionizing dose, TID）和位移损伤剂量（displacement damage dose, DDD）效应[9]. DDD 效应是指带电粒子碰撞到光纤材料内部原子上并将原子击出原位，导致材料产生晶格缺陷. 地球辐射带捕获的质子和太阳耀斑是位移损伤效应的主要来源. TID 效应是指带电粒子辐射引起的电离物质的累积效应. 当剂量率较低时，光纤的辐射衰减仅由总辐射剂量决定，而与剂量率无关. 电离是由于TID 效应中的高能带电粒子被材料中的点缺陷捕获而引起的.

表1 不同辐照环境的影响Table 1 Influence of different radiation environment

图1 不同辐射穿透力示意图Figure 1 Schematic diagram of different radiation penetration

1.2 空间辐照导致的现象与问题

1.2.1 光纤损耗增加

当EDF 和EYDF 光纤受到高能射线辐照时，光纤材料会在紫外及可见光波段产生一个非常强的宽吸收带，其尾端可延伸至近红外区，从而产生附加损耗. 辐致损耗（radiation induced attenuation, RIA）与光纤材料的组分密切相关，通常纯石英纤芯光纤的耐辐照性能最强，稀土掺杂光纤较差. 这主要是因为共掺剂的引入会破坏石英玻璃的网络结构，并产生了新的缺陷中心，极大地降低了光纤的耐辐照性能. 法国里昂大学的Girard 等[12]对稀土掺杂光纤进行了大量研究，并给出了几种有源光纤的RIA 谱. 从图2（a）中可以看出，随着总辐照剂量的加大，RIA 不断增加，达到一定程度后趋于饱和状态；由图2（b）可以看出，磷、铝组分的引入使得稀土掺杂光纤的RIA 显著增加. 稀土掺杂光纤中铝的存在会促进与硅有关的缺陷生成，尤其是氧空位缺陷中心的生成；磷则会引入新的缺陷中心，经辐照后形成的磷氧空穴中心（phosphorus oxygenholecenter, POHC）与300～550 nm 范围的宽吸收带有关，而P1 则会在近红外波段产生吸收带，使得1 550 nm 波段处的RIA 明显增大，极不利于EDF 和EYDF在空间辐照环境中的使用.

图2 不同组分掺杂光纤的RIA [12]Figure 2 RIA of fibers with different components[12]

1.2.2 增益特性变化

光纤放大器的增益为输出信号与输入信号的比值，它是衡量光纤放大器放大能力的指标参数. 空间辐照环境对EDF 和EYDF 的最直接影响是导致其增益放大性能显著下降. 法国里昂大学的Ladaci 等[13]通过模拟和实验研究分析了辐照对EDF 增益放大性能的影响. 如图3（a）所示，当辐照从0 krad 增加到52 krad 时，EDF 的增益明显下降，说明空间辐照会严重影响光纤放大器的增益放大性能. 哈尔滨工业大学的李等[14]则研究了辐照对EYDF 增益性能的影响规律. 从图3（b）中可以看出，EYDF 的增益呈现明显的线性下降趋势. EYDF 经过40 krad 辐射后增益降低了17.6 dB，明显高于EDF，说明EYDF 比EDF 的耐辐照性能更差.这主要是因为Yb3+的存在使得光纤在辐射过程中产生更多的色心，导致光纤RIA 增加，从而使光纤放大器的增益下降得更加严重.

图3 光纤辐照前后的增益特性Figure 3 Gain characteristics of optical fiber before and after irradiation

1.2.3 荧光光谱变化

研究表明，空间辐照还会对稀土掺杂光纤的荧光特性产生影响. 法国里昂大学的Ladaci等[15]研究了在不同辐照源类型条件下EYDF 的荧光特性变化规律，如图4 所示. 经分析发现：辐照对光纤荧光光谱的影响不大，但对荧光寿命的影响较大，且与辐照剂量密切相关，而与辐照源种类无关. 当辐照剂量从0 kGy 增加到100 kGy 时，荧光寿命呈现线性下降趋势，之后基本保持不变；而当辐照剂量高于3 MGy 后，荧光寿命快速降低.

图4 EYDF 辐照前后的荧光特性[15]Figure 4 Luminescence characteristics of EYDF before and after irradiation[15]

2 辐照效应的产生机理

2.1 EDF和EYDF光纤中的常见点缺陷

EDF 和EYDF 光纤以石英作为基质材料，在实际制备过程中石英基质会产生一些本征点缺陷，如硅原子或氧原子缺位及填位、悬挂键以及过氧连接等，缺陷类型主要分为反磁性和顺磁性两种，具体如表2 所示[16-18]. 反磁性缺陷包括氧空位（oxygen deficiency center, ODC）缺陷、过氧连接（peroxy linkage, POL）缺陷、间隙氧（interstitial oxygen, IO）缺陷、双氧杂硅烷（dioxane silane, DOS）环缺陷以及硅酰基心（silicon acyl center, SC）等类型[17,19-20]，是由于电子跃迁到导带而具有光吸收带引起的. 顺磁性缺陷包括硅E’心、过氧基（peroxy radical, POR）、非桥氧空穴心（non-bridging oxygen hole center, NBOHC）以及第2 类氧空位缺陷ODC(II)等缺陷[17,21]. 石英光纤材料经辐照后会产生大量的顺磁缺陷，这是引起RIA的主要原因. 顺磁性缺陷都伴有光吸收带，这是由于半满带大多位于光学能隙中，因而空穴跃迁至价带及电子跃迁至导带都可能发生. 通常来说，与基质材料的本征吸收和杂质吸收相比，这些缺陷导致的吸收损耗基本可以忽略不计，但当石英光纤遭受恶劣的电离辐照时缺陷吸收就成了导致其性能下降的关键因素. 此外，有源光纤纤芯组分中除了稀土离子外，通常还有为了提高稀土离子溶解度以及为了改变光纤折射率或改善光纤性能而必须引入的共掺剂，如Al、P、Ge 等. 在EDF 中，一般会掺入Al 来抑制Er 离子的团簇效应，同时使EDF 的增益平坦化；而在EYDF 光纤中，磷氧双键可以提供高能声子从而增加Yb3+和Er3+之间的能量传递. 然而，这些共掺剂的引入会极大地增加光纤的辐照敏感性，使光纤的耐辐照性能降低[22].表2 汇总了铝单掺、磷单掺、锗单掺石英光纤中常见点缺陷的结构模型和吸收峰.

表2 石英光纤中的常见点缺陷Table 2 Common point defects in silica optical fiber

2.2 光纤RIA的色心理论

辐照造成光纤光学性能下降的机制主要有3 种：RIA（表现为光纤对传输光的吸收）、辐致发射（表现为辐照后光纤产生某些波段的光）、光致密（表现为光纤折射率的变化）. RIA 被认为是空间辐照对有源光纤辐照损伤最为主要的表现，也是导致光纤性能下降的直接原因. 光纤产生RIA 的具体机理尚不清楚，通常采用色心理论来分析光纤的辐照效应机理. 色心的产生率与辐射种类、辐射剂量和剂量率等因素相关[23-25]. 光纤材料受到高能辐照时会在光纤材料内引起物质电离，产生大量的自由电子和空穴对，被光纤的前驱体缺陷所俘获而形成色心，导致在紫外和可见光波段具有很强的宽吸收带，其尾端可延伸至近红外区产生附加损耗，从而使光纤性能下降[26]. 光纤中的色心有稳定和不稳定两种，稳定色心一旦形成就将存在于光纤中并形成稳定的光吸收，而不稳定色心则在辐照停止一段时间后逐渐消失，或者在光或热的驱动下发生退化，即所谓的热退火效应和光褪色效应. 色心的产生和退火共同决定了光纤的RIA[16,24]. 光纤缺陷的变化率可表示为

式中，k1和k2分别为色心产生率和退火率，n0和n分别为光纤缺陷的初始和瞬时浓度，k1n表示缺陷转变为色心导致初始缺陷浓度的下降，k2(n0−n)为色心的退火.

光纤RIA 受辐照总剂量影响最为显著，RIA 与辐射剂量的关系可用多成分饱和指数模型来表示. 假设每种色心具有各自的寿命τi，则辐射过程中色心数目变化率可表示为

式中，ni为第i个能级的色心数目，˙D为辐照剂量率，ki˙D表示色心产生的速率，ki表示色心产生数目相对于辐照剂量的比例因子. 假设辐照开始时色心数目为0，并考虑光纤中有多个色心，光纤辐致衰减与色心数密度成正比，则光纤辐射致衰减可表示为[27]

式中，ai为实验常量，Dsi为第i个缺陷能级的色心饱和剂量，即色心生成和退化达到平衡时的辐射剂量.

3 影响光纤辐照性能的因素

3.1 辐照条件

辐照条件参数包括辐照源种类（X 射线、γ射线、质子、中子、电子等）、总辐照剂量和剂量率等. 如图2（a）所示，105 MeV 质子和1 MeVγ射线对Er/Yb/P 石英光纤RIA 谱的影响基本一致，40 keV X 射线、1.2 MeVγ射线、480 MeV 质子和6 MeV 电子对EYDF 光纤荧光寿命的影响规律趋势也基本相同（见图4（b）），说明不同辐照源类型对光纤辐照诱导色心产生的机理、种类及数量等大致相同[15]. 如图5（a）所示，当剂量率相同时，Er3+、Yb3+离子掺杂光纤在1 200 nm 和1 550 nm 处的RIA 都随着辐照剂量的增加而增加并逐渐趋于饱和.这主要是因为随着总剂量的增加，越来越多的前驱体缺陷转变成色心，当达到一定程度后，色心的形成速率会减小而退火速率增大，当辐射效应和退火效应平衡时即出现饱和现象[12]. 如图5（b）所示，当辐照总剂量一定时，掺氟石英光纤在1 310 nm 处的RIA随剂量率的增加而增加，这是因为剂量率越大，辐照恢复的时间越短，所以由辐照引起的累积损耗就越高，但信号光波长和环境温度对掺氟光纤的RIA 影响不大[28].

图5 辐照总剂量和剂量率对光纤RIA 谱的影响Figure 5 Effects of total dose and dose rate on RIA spectra of optical fibers

3.2 共掺组分

1992年，美国海军实验室的Williams 等[29]研究发现EDF 光纤的辐射诱导吸收强烈依赖于光纤纤芯组成，并对EDFA 的性能进行了建模，初步确定组分改变能够强烈地影响光纤的抗辐射性能.日本住友电气工业有限公司Fukuda 等[30]研究发现纤芯掺Al的光纤RIA 明显高于不掺Al 的光纤. 德国弗劳恩霍夫研究所Henschel等[31]进一步研究发现光纤纤芯中稀土的含量对RIA 的影响可忽略不计，而纤芯中Al 的组分对RIA 的影响最大，Al 含量最低的光纤RIA 最低. 研究表明，有源光纤共掺Al 后在辐照敏感性方面明显高于未掺杂光纤，会产生较多发光缺陷并导致辐照损耗增加了10～100 倍. 拉脱维亚大学的Trukhin 等[32]认为Al 的存在会促进与Si 相关缺陷的形成，尤其是氧空位缺陷中心的生成，当掺Al 光纤受到辐照时色心会急剧增加，从而在215 nm 处会有很强的吸收. 法国原子能委员会的Girard 等则结合材料中的缺陷对RIA 机理进行了全面的分析，认为Al 组分辐照敏感与玻璃网络中Al 相关的缺陷有很大关系. 图6（a）表明了Al 相关缺陷的吸收带和RIA 谱的相关性. 可以看到，Al 的5 个缺陷吸收带有4 个吸收边位于EDF 光纤的工作波长1 550 nm 处，这很好地阐释了Al 组分掺杂会使RIA 明显增加的原因[33]. 当光纤纤芯中掺P 时，高能辐照不仅会在短波长处产生较强的吸收带，还可导致近红外范围的RIA 增加. 美国贝尔实验室的Ahrens 等[34]将之归结为与P 有关的缺陷，认为P=O 双键经高能辐照后很容易断裂，从而形成磷氧空穴中心和P1 中心的吸收点缺陷，其中POHC 的宽吸收带位于300～550 nm，同时P1 心的吸收中心位于1 550 nm，后者明显不利于EDF 在辐照环境中的使用. 当Al 和P 共掺时，光纤的RIA 明显比单掺P 或Al 时弱，这是因为Al、P 共掺可以优先形成共价键，从而抑制在红外波段与P1 缺陷相关的吸收[35]. 荷兰Draka 通信公司Régnier 等[36]报道认为Al 掺杂和P 掺杂光纤都有非常大的RIA，如图6（b）所示，因此在耐辐照光纤中最好不要使用这两种组分，即便Al、P 组分含量很少也会造成很大影响. 2012年，法国蒙彼利埃大学的Thomas 等报道了一种通过纳米颗粒掺杂技术制备的Er 掺杂石英光纤，如图7（a）所示. 因为纤芯中没有Al 组分，所以该光纤表现出良好的耐辐照性能[37]，见图7（b）中的NP-Si+.

图6 共掺剂对光纤RIA 谱的影响Figure 6 Effects of co-doped dopants on RIA of optical fiber

图7 纳米颗粒掺杂技术制备EDF 的工艺过程及性能[37]Figure 7 Process steps and properties of EDF prepared by nanoparticles doping-process[37]

3.3 系统参数

在光纤放大器系统参数中，光纤长度、泵浦波长、泵浦光功率、泵浦结构等也会影响EDF和EYDF 的耐辐照性能. 如图3（a）所示，随着光纤长度的增加，增益呈现先升高后降低的趋势，并且辐照后增益达到最高的光纤长度明显缩短，可见优化光纤长度对提高光纤放大器系统的耐辐照性能具有一定的作用[13]. 在泵浦波长方面，法国里昂大学的Girard 等[38]采用980 nm 泵浦光来泵浦EDF 光纤，当受到γ射线辐照时，EDF 的RIA 随着泵浦光功率的增加逐渐下降. 此外，他们还提出可以通过系统结构优化来提升光纤放大器的耐辐照特性，并采用仿真模拟研究了不同泵浦结构对光纤放大器增益性能的影响规律，如图8 所示. 他们通过研究发现：当采用双向泵浦时，EDFA 的增益最大，明显高于同向泵浦和反向泵浦的增益；且双向泵浦时的辐照增益衰减最小，说明双向泵浦结构有助于提高EDFA 的耐辐照性能.

图8 不同泵浦结构的辐致增益衰减[38]Figure 8 Radiation-induced gain degradation of different pump structures[38]

4 光纤辐照加固方法

4.1 载氢处理

载氢处理被认为是一种有效提高光纤耐辐照性能的方法，载氢一般是将制备的光纤放在含氢的高压容器中一段时间，使氢进入石英基体. 载氢能提高光纤耐辐照性能的主要原理是：石英玻璃网络结构中的点缺陷（如E’心或非桥氧空穴）可以与渗入的氢相互作用，形成Si-H键和羟基，而玻璃中的羟基能够吸收电离能抑制色心形成，在辐照过程中对光纤起着一定的保护作用[39].

图9 HACC 光纤的结构和耐辐照性能[41-42]Figure 9 Structure and irradiation property of HACC fiber[41-42]

然而，载氢提高光纤耐辐照性能的一大问题是：随着时间的推移，光纤中所载的氢会析出，而氢含量下降最终导致光纤失去耐辐照性能. 光纤中引入碳辅助微结构吸附层具有抑制氢气析出、提高光纤耐辐照的作用. 俄罗斯科学院光纤研究中心的Tomashuk 等[40]报道了载氢碳涂层EDF 光纤，经γ射线辐照后在750～1 700 nm 范围内的损耗大大低于无载氢光纤的损耗，被认为是一种有望在空间应用的光纤. 法国圣太田大学的Girard 等[41-42]提出了一种新型的空气孔辅助碳涂层（hole-assisted carbon-coated, HACC）EDF，6 个空气孔分布在内包层，光纤涂覆层为密封的碳涂层，如图9（a）所示. 研究表明，若采用该方法制备EDF，则气体析出速率比普通光纤降低两个数量级，而且该方法可以调节光纤中气体含量，使EDF 的增益放大和耐辐照性能达到最佳.经100 krad 的γ射线辐照后，HACC 光纤的增益衰减低于5%. 将此光纤的性能与图7 中Thomas 等的NP-Si+光纤的性能比较后发现，这种新结构的HACC光纤耐辐照性能相比NP-Si+光纤得到了进一步的提高，在315 kradγ射线辐照下，增益变化仅为–2.2×10−3dB/krad，如图9（a）和9（b）所示，此优异性能使该光纤具备满足高剂量空间任务应用的潜力. 虽然载氢对光纤的耐辐照性能有明显的提高效果，但载氢量过高也会影响激光放大效率. 如图10 所示，载氢后EDF 的增益相比未载氢光纤大幅下降，但随着时间的推移，光纤中氢含量降低，增益逐渐升高. 最终，选择载氢120 h 后的光纤进行辐照测试，发现其增益性能明显优于普通光纤，但这种方法的缺点在于该EDF 光纤难以在空间环境实际使用. 俄罗斯科学院光纤研究中心的Zotov 等[43]进一步研究了在5 MPa 和110 MPa 压力下载氢光纤的RIA 特性，发现过高的载氢压力（110 MPa）会造成光纤效率在未辐照前就大幅下降，仅为19%（未载氢时为43%）.

图10 EDF 载氢前后的增益变化[38]Figure 10 Gain variation of EDF before and after hydrogen loading[38]

4.2 退火

RIA 的恢复主要是由电子和空穴对复合使得色心减少引起的. 在一定条件下，RIA 会随着时间的推移部分恢复，而这一恢复过程可以用热或光漂白来加速[44-45]. 在一定温度范围内，升高温度会使光纤RIA 下降，甚至回到辐射前的水平，这种现象称为热漂白. 美国光子-X 公司的Yeniay 等[46]在110℃ 和165℃ 温度条件下对EYDF 进行预处理，并对比了预处理光纤和未预处理光纤的RIA 恢复情况，发现预处理有利于光纤RIA 的恢复，且较高退火温度能获得更好的效果，如图11 所示. 法国尼斯大学的Franck 等[47]将掺Yb3+光纤样品加热至600℃ 后发现样品被彻底漂白，光透过率完全恢复. 然而，高温漂白对有源光纤涂覆层会有所损伤，而且光纤所处环境温度一般不会太高，故热漂白只具有一定的科学意义而难以实际应用.

研究还发现，在辐照后的光纤中通入一定功率的激光也有助于RIA 的恢复，这就是所谓光漂白. 美国海军实验室的Friebele 等[48]发现γ射线辐射过的光纤经850 nm 半导体激光器泵浦后，光纤RIA 会随着时间推移而逐渐降低. 研究表明，泵浦功率越高，泵浦波长越短，泵浦时间越长，光纤的漂白效果就越好[49-50]. 但在实际应用中，光漂白的恢复作用不足以抵消辐照产生的损耗，光纤RIA 仍然在逐渐增加，而且大功率泵浦源的引入会破坏光纤系统或导致光暗化效应，从而降低光纤输出功率.

图11 热退火对EYDF RIA 的影响[46]Figure 11 Effect of thermal annealing on RIA of EYDF[46]

4.3 掺杂变价离子

一般来说，石英光纤含有金属杂质不但会增加其光纤损耗，而且会影响其耐辐照性能，但并不是所有金属离子都会降低光纤的耐辐照性能. 某些变价金属离子受到辐照时会先跟电离电荷进行价态转换，为光纤提供了缓冲空间，从而提高光纤的耐辐照性能. 目前，可以提高石英玻璃耐辐照性能的变价离子主要有铈（Ce）、钛（Ti）、铅（Pb）等，其中Ce 离子提高耐辐照性能的效果最佳，这是因为Ce 离子在玻璃网络结构中可以同时以Ce3+和Ce4+存在，这种特性使其能够给电子也可以接受电子，所以当光纤在辐照作用下产生缺陷时，Ce3+能够俘获空穴，使光纤中由于空穴与缺陷结合形成的色心消失而形成Ce3+(+)；Ce4+能够俘获电子形成Ce4+(−)，使电子与缺陷结合形成的色心消除. 此外，Ce4+和Ce3+本身的吸收带皆在紫外区域，因此它的价态变化不会影响激光工作波长区域的损耗.

图12 Ce 掺杂对EYDF 性能的影响[50]Figure 12 Effect of Ce doping on performance of EYDF[50]

法国圣太田大学的Vivona 等[50]对不同含量Ce 掺杂的EYDF 进行了研究，发现随着Ce含量的增加，其耐辐照性能明显提高，如图12（a）所示. 图12（b）给出了P 单掺和P/Ce 共掺光纤的RIA 谱. 从图中可以看出，Ce 掺杂后P1 色心在1 600 nm 处的宽带吸收峰消失，充分说明了共掺Ce 可以抑制P1 色心产生. Ce 含量对P/Er/Yb/Ce掺杂石英光纤的激光斜率效率和荧光寿命的影响分别如图13（a）和13（b）所示[15,51]. 相对于不掺Ce 的EYDF 样品，掺Ce 的EYDF 样品激光斜率效率只是稍有下降，说明共掺一定含量的Ce 对EYDF 的激光性能影响较小. P/Er/Yb 样品的荧光寿命随辐照总剂量的变化趋势如图4（b）所示，其荧光寿命随着辐照剂量的增加而明显下降；对于P/Er/Yb/Ce 样品，随着辐照剂量的增加，荧光寿命基本不变，进一步说明共掺Ce 可以明显提高EYDF 的耐辐照性能.

图13 Ce 掺杂对EYDF 性能的影响Figure 13 Effect of Ce doping on performance of EYDF

5 结语

空间光通信技术的不断发展促使耐辐照掺铒和铒镱共掺光纤的性能不断优化提升，而面对空间领域越来越广泛越严格的应用需求，掺铒和铒镱共掺光纤在耐辐照特性方面将迎来新的挑战. 本文主要从四方面阐述了空间光通信用耐辐照掺铒和铒镱共掺光纤的研究进展：1）空间辐照效应；2）光纤辐照效应的产生机理；3）影响光纤耐辐照性能的因素；4）光纤辐照加固方法. 未来随着光通信逐渐走向深空，对掺铒和铒镱共掺光纤的耐辐照性能将提出更高的要求. 因此，耐辐照掺铒和铒镱共掺光纤未来的研究重点主要将集中在以下几方面：1）光纤辐照加固方法研究. 虽然相比于其他稀土掺杂光纤，掺铒和铒镱共掺光纤的辐照加固技术相对较为成熟，且已有耐辐照光纤产品问世，但光纤的RIA 在高能辐照环境下仍会有所增加，增益放大性能下降，影响耐辐照光纤在空间应用的长期稳定性，所以有必要继续深入研究光纤的辐照加固方法. 2）光纤辐照机理研究. 基于前驱体缺陷的色心理论被广泛用来解释光纤的辐照损耗机理，但光纤其他方面辐照效应的机理尚不清楚；此外，尽管出现了许多光纤辐照加固方法，如增加羟基含量、载气等，但这些方法如何提高光纤耐辐照性能的具体机理还有待进一步研究. 3）耐辐照光纤的长期稳定性研究. 光纤参数、应用系统、空间环境等都会影响耐辐照光纤的性能. 目前，辐照实验大多考虑单个或几个因素对光纤辐照性能的影响，而未能综合考虑光纤的实际应用条件，故光纤辐照加固手段的长期有效性还需要进一步考证. 4）建立光纤耐辐照特性理论模型. 虽然许多研究机构也在尝试建立光纤耐辐照特性理论模型，但都存在考虑因素相对较少或者模拟准确性较低等问题，无法指导耐辐照光纤的研究工作，因此应该努力建立较为完善的光纤耐辐照特性理论和仿真模型. 5）空间应用研究. 目前，光纤的辐照实验都采用地面加速辐照的方法进行测试，但耐辐照光纤空间应用的实际环境并非如此，太空中辐照种类多、辐照空间分布不均匀、辐照剂量率低、温差较大等，因此若要检验耐辐照光纤的激光放大性能和辐照加固技术的长期有效性，则需在实验过程中综合考虑温度、真空、辐射等太空实际环境因素来研究掺铒、铒镱共掺光纤的耐辐照特性，这将是未来重要的研究趋势.