1、第 52 卷第 2 期2023 年 2 月Vol.52 No.2February 2023光子学报ACTA PHOTONICA SINICA02060031La掺杂对用于空间激光通信的掺铒光纤辐射损伤效应的影响文轩1，杨生胜1，高欣1，折胜飞2，3，王根成2，3，冯展祖1，王俊1，银鸿1，侯超奇2，3，张剑锋1（1 兰州空间技术物理研究所 空间环境材料行为及评价技术国防科技重点实验室，兰州 730000）（2 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）（3 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049）摘要：为验证 La掺杂对于掺铒光纤抗
2、辐照性能的影响，采用 La掺杂光纤与无 La掺杂光纤进行光纤辐照实验。使用60Co辐照源在常温下对光纤进行累积剂量 100 krad，剂量率 6.17 rad/s的辐照实验。结果发现，La 掺杂光纤在 1 200 nm 处损耗为 0.030 67 dB（km krad），相比于无 La 掺杂光纤 0.039 53 dB（km krad）更低，且 La掺杂光纤在辐照环境下的增益变化更小。通过光纤吸收谱和 EPR 谱辐照前后的对比，确定了 Al-OHC 缺陷为影响光纤辐致损耗的关键因素。La掺杂可以在一定程度上代替 Al作为Er离子的分散剂从而增强光纤的抗辐照能力，且 La掺杂对光纤的增益性能不会
3、产生负面影响。该研究可为后续特种光纤在空间应用中的抗辐射加固设计提供参考。关键词：激光通信；掺铒光纤；辐射效应；辐照；镧掺杂中图分类号：TN253 文献标识码：A doi：10.3788/gzxb20235202.02060030 引言空间激光通信具有传输带宽大、传输速率高、抗干扰能力强等突出优点，是未来通信技术的重要发展方向1。目前的空间激光通信终端需要通过调制器保证高调制速率，同时需要放大器在发射端实现较大的光功率输出2。掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）工作在 1 550 nm 通信窗口，采用掺铒光纤（Erbium-Doped Fiber
4、，EDF）作为光增益组件，通过石英光纤中铒（Er）离子的三能级结构实现1 550 nm 光信号的放大3-4，具有增益能力强，增益带宽大，工作性能稳定等优点5。然而，在空间辐射环境下，空间中的高能粒子会对掺铒光纤造成冲击，使光纤中产生大量载流子，载流子与光纤中原有缺陷相结合形成新的色心缺陷，色心缺陷在可见光波段的高损耗引起的拖尾效应会导致光纤工作波段损耗急剧上升，进一步导致掺铒光纤增益性能下降6。为解决这些问题，国内外科研工作者针对掺铒光纤抗辐照加固技术开展了大量的研究工作。目前掺铒光纤中一般选用 Al、Ge作为共掺组分，这是由于 Al可以分散 EDF中的 Er离子，抑制荧光淬灭效应，提高 Er
5、最大掺杂浓度7。Ge由于其较高的折射率，可以调控光纤纤芯折射率，控制光纤数值孔径。根据国内外的研究，EDF的辐射诱发的衰减（Radiation Induced Attenuation，RIA）的产生主要与 Al相关的缺陷有关，辐照过程中载流子会与 Al形成 Al-OHC和 Al-E缺陷，这两种缺陷对光纤工作波段的损耗上升贡献最大8。为了减小 RIA，研究人员提出了几种方法：通过少掺杂 Al组分以减小辐照后 Al相关缺陷；通过 Ge等引用格式：WEN Xuan，YANG Shengsheng，GAO Xin，et al.Effect of La Doping on the Radiation D
6、amage Effect of Er3+-Doped Silica Fibers for Space Laser Communication J.Acta Photonica Sinica，2023，52（2）：0206003文轩，杨生胜，高欣，等.La掺杂对用于空间激光通信的掺铒光纤辐射损伤效应的影响 J.光子学报，2023，52（2）：0206003基金项目：国防科技重点实验室基金项目（No.6142910210210），航天科技集团自主研发项目第一作者：文轩，通讯作者：杨生胜，收稿日期：2022 09 27；录用日期：2022 11 10http:/光子学报02060032元素的掺杂实现
7、对于辐照后 Al相关缺陷抑制；通过改善掺杂手段实现无 Al组分光纤制备。由于 Er在石英网格结构中自发聚集的特性9，减小 Al组分含量会导致最大 Er掺杂浓度的下降，不利于高性能耐辐照掺铒光纤的制备10。而 Ge/Al组分调控对光纤中 Al-OHC 缺陷的抑制能力有限，且 Ge大量掺杂会影响光纤纤芯的折射率。为同时达到分散 Er离子和降低 Al使用量的目的，需要一种既能起到分散 Er离子作用，又不会在辐照前后影响光纤增益性能的耐辐照处理方法。镧（La）作为稀土元素，与 Er一样存在于石英网格结构的间隙位置，可以与 Er离子竞争附着位点，起到分散 Er离子的作用11，可以在不影响最大 Er离子掺
8、杂量的前提下实现 Al的低剂量掺杂。目前针对镧掺杂的掺铒光纤辐射效应研究很少，进一步了解 La掺杂掺铒光纤的辐射诱导吸收产生机制对于保持掺铒光纤在恶劣辐照环境中的性能至关重要。本文选用镧掺杂掺铒光纤与非掺镧掺铒光纤作为试验样品，利用60Co辐照源对两种光纤开展在线与离线辐照测试，通过光纤吸收系数、损耗、电子探针、拉曼光谱、电子顺磁共振等测试手段对光纤宏观性能以及微观缺陷开展研究，分析镧掺杂对掺铒光纤的抗辐照性能影响机理，该研究结果可以为后续掺铒光纤的空间抗辐照加固技术以及空间应用提供参考。1 理论分析辐射对掺铒光纤的性能影响与光纤组分、辐照参数等因素相关，开展镧掺杂掺铒光纤的辐照损伤研究，有必
9、要从光纤的掺镧机理以及光纤辐照过程中出现的缺陷类型进行研究。掺铒光纤中 Er3+浓度的提高，能够在一定程度上增大光纤吸收系数，有效减少光纤达到相同增益强度下的使用长度，提升光纤的增益性能表现12，但是由于 Er3+在 SiO2中的溶解度极低，且 Er3+的掺杂浓度稍高就会发生 Er3+之间的能量转移，即荧光淬灭，使得光纤转换效率、增益能力下降，在掺铒的 SiO2中加入 Al2O3可以提高光纤中非桥氧键浓度，实现 Er离子的分散，进而提高 Er3+的最大掺杂浓度，但与此同时，Al3+在辐照情况下生成的色心会造成光纤的损耗迅速增大，导致光纤的增益性能衰退8，13。含有 Al的掺杂光纤在高能粒子辐照
10、下，内部会形成 Al相关的色心缺陷，AlO4/2和 AlO3/20基团分别是 Al-OHC 和 Al-E的前身；在辐照过程中石英网格结构会因核外电子电离过程产生大量的载流子，AlO4/2基团通过俘获空穴而成为 Al-OHC 色心（图 1），而 AlO3/20基团通过俘获电子而成为 Al-E色心（图 2）7。辐射诱发的 Al-OHC 和 Al-E色心缺陷是造成空间辐射环境中应用的掺铒光纤性能衰退的主要损伤机制。=Al=(AlO4 2-)+h+h Al-O0Al-OHC（1）图 1 AlO4/2基团俘获空穴而成为 Al-OHC色心示意图Fig.1Schematic diagram of the A
11、lO4/2 defects trapping a hole and becoming Al-OHC color center图 2 AlO3/20基团通过俘获电子成为 Al-E色心示意图Fig.2Schematic diagram of the AlO3/20 group becoming Al-E color center by capturing electrons文轩，等：La掺杂对用于空间激光通信的掺铒光纤辐射损伤效应的影响02060033 Al(AlO3 20)+e-h Al.Al-E（2）镧作为稀土元素，可以通过与 Er离子竞争石英网格结构中的间隙位点，起到阻止 Er离子团簇的作用
12、（图 3）。同时 La在 Er3+工作波段不存在吸收，Er3+也不能借助 La实现能量传递，减少了 Er3+与 Er3+间因能量传递而导致上转换的几率14，从而抑制了因团簇而导致的荧光淬灭效应11。因此 La掺杂既可以降低 Er3+团簇效应，提高 Er3+的最大掺杂浓度，又可以降低光纤组分对 Al的需求，提高掺铒光纤的抗辐射能力。2 实验2.1样品参数及测试条件试验中选取两种掺铒光纤，其中镧掺杂掺铒光纤为 S1，非掺镧掺铒光纤为 S2。两种光纤的长度均为50 m。为了阐明光纤中的各物质组分，利用电子探针（Electron Probe Micro-Analyzer，EPMA）对光纤的化学成分进行
13、了表征（表 1）。其中电子探针测试使用 JXA-8230设备，点扫描使用电流为 10 nA。光纤损耗在线辐照损伤测试中，选取 JDSU 的 MAP-200系列的光源，使用 Thorlabs公司的 PM100D 功率计与 S144C 探测器作为接收器，实现对光纤在 843/983/1 314/1 550/1 659 nm 波长下的实时功率数据测试，并进一步计算获得对应的损耗数据；拉曼（Raman）光谱测试，选取 HORIBA 公司的 HR Evolution设备，激光波长选用 753 nm 以规避 Er3+主要的吸收波段，防止出现强的荧光信号对结果产生影响。测试范围为 2001 200 cm1。
14、离线损耗谱测试，选取光纤综合参数测试仪（Photonic Kenetics 2500），测试中选取辐照前后的适宜光纤长度，利用截断法实现对光纤损耗谱和吸收谱的测试。电子顺磁共振波谱（Electron Paramagnetic Resonance，EPR）测试，选用 BRUKER 公司的 ELEXSYS-II E500设备，测试中选用辐照前后 10 cm 样品光纤，剥去涂覆层，将纤芯研磨成粉，装入顺磁管中，在 100 K 温度下对光纤纤芯材料开展 EPR测试，磁场范围为 3 2003 600 Gauss。增益性能测试，使用的信号光为 1 550 nm，功率为20 dBm，泵浦光波长为 980 n
15、m，泵浦功率为 50图 3La掺杂掺 Er光纤及普通掺 Er光纤的原子分布示意图Fig.3Schematic diagram of the atomic distribution of La-Er-doped fiber and normal Er-doped fiber表 1电子探针测试的两种光纤的组分表Table 1Components of the two optical fibers tested by the EPMAComponentsFAl2O3SiO2GeO2Ce2O3Er2O3P2O5La2O3S1/（wt%）0.049 511.08185.9780.049 50.0350.
16、3030.1962.248S2/（wt%）0.069 413.367 486.050 20.047 60.023 80.2120.329 60光子学报02060034600 mW。测试中使用的光纤长度 S1为 3 m，S2为 3.5 m。测试系统示意图见图 4。2.2辐照试验在辐射剂量学中，1 rad 是指 1 g 受照射物质吸收 100 erg（尔格）辐射能时的剂量，1 rad=102 Gy102 J/kg。本文选用60Co 辐照源，60Co 是金属元素钴的放射性同位素之一，它会通过 衰变放出能量高达315 keV 的高速电子衰变成为镍60，同时会放出伽马（）射线，伽马射线具有高能量、穿透能力极强等特点，射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。根据中科院SEREAT 软件预测，地球同步轨道，在 10 mm 铝球屏蔽下，空间辐射环境在硅中产生的剂量每年不大于10 krad15，作为航天器内部辐照剂量的参考，对两种光纤开展 0100 krad辐照损伤测试，剂量率为 6.17 rad/s，辐照时间为 4.5 h。3 结果与讨论3.1在线损耗测试结果光纤