面向太空环境应用的抗辐照有源光纤特性研究*

李凌乐，陈子睿，文建湘，董艳华，王廷云

（上海大学 特种光纤与光接入网省部共建国家重点实验室培育基地/特种光纤与先进通信国际合作联合实验室，上海先进通信与数据科学研究院·上海·200444）

0 引 言

随着空间激光通信系统和空间站的建设，人们对于空间应用的激光器和光纤陀螺仪提出了迫切的需求。掺铒光纤（Erbium-Doped Fiber，EDF）能够在光纤的最佳传输窗口1550nm波段实现有效的光传输和光放大，因此在光纤通信和光纤传感等领域得到广泛应用。同时，因为大气在1550nm波长附近也存在一个通信窗口，所以掺铒光纤放大器可用于空间通信系统中，此外EDF还可以作为光纤陀螺仪的超荧光光源应用于航天器内部，具有非常重要的研究意义。

由于EDF以及有关器件会在太空中运用，然而，太空环境中存在大量辐射源，例如γ射线、电子、中子等高能粒子束辐照，长时间的空间辐照环境造成光学器件的损耗急剧增加，导致光学器件的性能下降或者失效。长时间、低剂量率的空间辐照，对于光纤激光器和光纤陀螺仪来说，会造成器件性能急剧下降。因此，研究辐照对光纤的影响和研制具有良好抗辐照性能的光纤，使光纤陀螺仪等器件具有更长的工作寿命以及更好的精确性具有十分重要的意义。

近年来，辐照对光纤性能的影响得到广泛的研究，一般认为导致光纤性能下降的主要原因是，高能辐照使得光纤材料中产生了自由电子对和空穴对，被光纤本身的初始原子缺陷或杂质俘获而形成了色心。辐致色心导致玻璃能级结构发生明显变化，产生了新的吸收或荧光带，从而严重影响了EDF的传输和发光特性。最近有研究称，共掺杂铋离子可以拓宽荧光光谱并提高发光效率。因此，铋/铒共掺杂光纤（Bismuth-Erbium co-Doped Fiber，BEDF）凭借其有望用于放大器和激光器而备受关注。此外，在光纤中掺杂铋离子会影响辐照下的荧光特性。2009年，由C. Ban等的研究可知，由于铋活性中心浓度的增加，荧光强度通过紫外线照射增强。此外，2015年，由Wen J.等的研究可知，在用伽马射线照射处理的Bi/Al共掺杂二氧化硅光纤中实现了荧光增强。然而，铋离子对EDF在伽马射线照射下荧光的影响尚未得到研究。

本文利用改良化学气相沉积法（Modified Chemical Vapor Deposition，MCVD）结合原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD）掺杂技术制备BEDF，经不同辐照剂量的伽马射线处理后，与EDF的辐照诱导损耗（Radiation Induced Attenua-tion，RIA）光谱和荧光光谱进行对比研究。

1 抗辐照光纤研究机理

由于价态变化较多、原子序数较大的离子能有更大的吸收截面，可以为原子序数较低的离子提供一个辐照缓冲的作用，并借此降低有源光纤的辐照敏感性。因此，探究掺Bi是否可以提高EDF的抗辐照性是抗辐照光纤研究的一个具体方向。已有的研究表明，Bi离子有比Ce离子更加丰富的价态变化，且Bi的原子序数要远大于Er。

对于纤芯掺杂Bi离子的光纤，可以利用Bi离子丰富的价态变化吸收射线在纤芯内沉积的能量，从而降低光纤辐照敏感性。Bi离子在光纤中的价态包括：Bi、Bi、Bi、Bi。尽管存在多种价态，但是光纤中比较稳定存在的是Bi。而很多掺Bi光纤在辐照后都发现了近红外的发光中心，普遍认为这些近红外的发光中心与低价态的Bi和Bi有关，在这一过程中转化方程如式（1）。

（1）

同样，辐照能量达到一定值时会发生相反的过程，重新生成Bi，其转化方程如式（2）。

（2）

通过Bi的价态变化吸收射线在纤芯内的能量，从而实现对Er离子的缓冲保护作用，达到有源光纤抗辐照的目的。

2 样品准备及实验条件

2.1 光纤参数及辐照条件

实验所用有源光纤为EDF和BEDF，两种光纤都是通过改进的化学气相沉积方法结合原子层沉积技术制造。纤芯和包层直径分别约为9.0μm和125.0μm。

光纤辐照实验采用Cobalt-60 辐射源进行辐照处理（上海市农业科学院辐照中心，上海）。光纤样品长度为20m，所有实验都在室温下进行，光纤辐照量分别用0.3kGy、0.5kGy、0.8kGy和1.5kGy 剂量，辐照剂量率均为800Gy/h，实验中选取不同辐照剂量对光纤进行辐照处理，辐照结束后，对光纤性能进行离线测试。

2.2 光纤的吸收光谱测试

利用常规截断法对掺杂光纤的吸收光谱（α（λ）） 进行测量，使用白光光源和光谱分析仪（OSA，YAKOGAWA AQ-6315A） 测量辐射前后EDF和BEDF样品的光谱特性并进行分析，测量波长范围选为400～1700nm，OSA分辨率设定为10nm。

RIA由光纤经辐照前后吸收强度的差进行计算，其表达式如下

（）=（）-（）

（3）

式中，（）为辐射前的光纤吸收强度；（）为辐射后的光纤吸收强度。

2.3 光纤的荧光光谱测试

在室温下，使用泵浦源为 980nm 激光器和OSA （YAKOGAWA AQ-6370C），测量0.7m 光纤样品的反向荧光谱，测量波长范围选为600～1700nm，OSA分辨率设定为2nm。

3 实验结果分析

3.1 光纤的衰减光谱特性

测量辐照前EDF和BEDF的吸收光谱，如图1所示。它们分别在645nm、790nm、970nm和1530nm四个波长处具有明显的吸收峰，其中EDF的吸收峰强度分别为7.54dB/m、3.48dB/m、5.74dB/m和12.07dB/m，BEDF的吸收峰强度分别为17.03dB/m、5.78dB/m、11.42dB/m和24.67dB/m。

图1 辐照前 EDF 和 BEDF 的吸收光谱和光纤端面Fig.1 Absorption spectra and cross-sections of EDF and BEDF before irradiation

随后，通过方程式（3）计算EDF和BEDF辐照处理后的RIA光谱，如图2（a）和（b）所示。它们的RIA都随着辐射剂量的增加而增加，并且在较短波长处的增加明显高于在较长波长处。此外，在800～1600nm范围内，BEDF的RIA通常小于EDF的RIA。经不同剂量照射处理后，两种光纤的RIA随着辐射剂量的增加而增加，而且EDF的RIA增长速度明显比BEDF要快，尤其经1.5kGy辐照处理后，EDF的RIA比BEDF高1.93dB/m，如图2（c）所示。

（a）

（b）

（c）图2 （a）EDF和（b）BEDF辐照前后的RIA光谱；（c）两种光纤的RIA与1300nm处不同辐射剂量的关系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 光纤的荧光光谱特性

如图3（a）和（b）所示，两种光纤的荧光光谱范围从1520nm到1580nm，泵浦功率固定为1050mW，记录不同辐射剂量下的荧光强度。值得注意的是，EDF的荧光强度随着辐射剂量（0～1.5kGy）的增加而降低，而且经0.5kGy辐照处理后，其荧光强度以最大的幅度增强（如图3（b）所示）。与未照射样品相比，BEDF经0.3kGy、0.5kGy、0.8kGy 和1.5kGy辐照处理后，在1536nm处的荧光强度分别增加了0.83dB、1.30dB、1.06dB 和0.52dB。

（a）

（b）图3 （a）辐照前后 BEDF 的荧光强度特性； （b）BEDF在1536nm处的荧光强度与不同辐照剂量之间关系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 结 论

本文研究了伽马辐射对BEDF和EDF荧光特性的影响，这两种光纤都是通过改进的化学气相沉积法结合原子层掺杂沉积技术制造的。光纤样品分别经0.3kGy、0.5kGy、0.8kGy 和1.5kGy辐照处理后，通过对比吸收光谱发现， BEDF的RIA增加明显低于EDF, 特别是经1.5kGy的辐照处理后，EDF的RIA比BEDF高1.93dB/m。对比荧光光谱可知，对于EDF而言，经过不同剂量辐照后光纤的荧光强度都低于未辐射时的荧光强度，并且强度随着照射剂量的增加而降低； 然而，对于BEDF来说，经过不同剂量辐照后光纤的荧光强度随辐照剂量的增加先增加后减弱，且均高于未辐照的荧光强度，在1536nm 处与未照射样品相比，BEDF的荧光强度经0.3kGy、0.5kGy、0.8kGy 和1.5kGy 辐照处理后，分别增加了0.83dB、1.30dB、1.06dB 和 0.52dB。 由实验结果分析表明，铋铒共掺有利于提高EDF的抗辐照性能。这对制备出在辐照环境下性能良好的有源光纤具有非常重要的实际应用价值。