小型化抗辐照EDFA研究_江镭.pdf

2023年第1期光 器 件小型化抗辐照 EDFA 研究Study on miniaturized anti-irradiation EDFAJIANG Lei,GUO Yue,LIU JING,JIN Caofan（The 23th Research Institute of CETC,Shanghai 201900,China）Abstract:In order to develop a miniaturized anti-irradiation erbium-doped fiber amplifier（EDFA）for satellite laser communica-tion,the failure mechanism of erbium-doped fiber（EDF）in the irradiation environment is introduced,the irradiation performanceof different erbium-doped concentrations EDF is studied,and the anti-irradiation performance of different material compositeshielding structures is compared.Finally,a high-performance miniaturized anti-irradiation EDFA with a size of 60 mm60 mm15 mm,an output power of more than 23 dBm and an output power fluctuation of less than 0.1 dB at 20 krad（SI）irradiation doseis realized.Key words:anti-irradiation,erbium-doped fiber amplifier,miniatureization,intersatellite laser communication江 镭，郭 跃，刘 静，金操帆（中国电子科技集团公司 第二十三研究所，上海201900）摘要：为了研制面向卫星激光通信的小型化抗辐照掺铒光纤放大器（EDFA），介绍了掺铒光纤（EDF）在辐照环境下的失效机理，研究了不同掺铒浓度 EDF 的辐照性能，对比了不同材料复合屏蔽结构的抗幅照性能，最终实现了一种尺寸为 60 mm60 mm15 mm、输出功率超过 23 dBm 和在 20 krad(SI）辐照剂量下输出功率波动幅度低于 0.1 dB 的高性能小型化抗辐照EDFA。关键词：抗辐照；掺铒光纤放大器；小型化；卫星光通信中图分类号：TN929.1文献标志码：A文章编号：1002-5561（2023）01-0077-04DOI：10.13921/ki.issn1002-5561.2023.01.014开放科学（资源服务）标识码（OSID）：引用本文：江镭，郭跃，刘静，等.小型化抗辐照EDFA研究J.光通信技术，2023，47（1）：77-80.0引言随着光纤通信的快速发展，掺铒光纤放大器（ED-FA）凭借优异的光学性能已被广泛地应用于陆地和海底通信系统。目前，卫星激光通信需求日益增长，迫切需要使用EDFA提高空间系统远距离通信能力1-3。然而，EDFA易受空间辐射环境的影响，随着辐射强度的增加其增益会显著下降，严重影响传输性能。因此，开展抗辐照EDFA的研究显得尤为重要，抗辐照EDFA已成为研究热点4-7。2010年，马晶团队4首次通过实验分析了EDFA输出功率、中心波长等性能参数在星间光通信应用中受辐照环境的影响，明确了EDFA在低轨应用的可行性。2013年，长春理工大学团队5提出通过退色心、预辐射和载氢等抗辐照技术来提高EDFA的抗辐照能力，最终降低了掺铒光纤（EDF）的辐射衰减量。2017年，胡宗华等人6基于一种新型EDF搭建了EDFA实验系统，EDFA在70 krad（SI）的辐照剂量下的增益下降了0.35 dB。同年，LADACI A等人7通过优化模型仿真和实验对比了EDFA的抗辐照性能，发现优化光纤长度和泵浦方案对降低EDFA辐照敏感性具有重要意义。上述文献虽然开展了EDFA的抗辐照研究，但主要侧重于EDF而非EDFA，尤其未涉及EDFA的小型化研究。为此，本文开展小型化抗辐照EDFA研究。1空间环境EDFA失效机理地球轨道空间环境主要存在3种辐射源：银河宇宙辐射、地磁捕获辐射和太阳质子事件，成份主要为收稿日期：2022-05-03。作者简介：江镭（1988），男，湖北黄冈人，硕士，工程师，主要从事光通信传输系统的核心光电器件的应用研究工作，包括微弱光信号低噪声放大、大功率激光放大、长寿命高可靠性等，先后完成国家及相关部委科研项目7项，获中国电子科技集团公司科技进步二等奖1项。772023年第1期江镭，郭跃，刘静，等.小型化抗辐照EDFA研究高能粒子（如质子、电子）或伽马射线。这些空间辐射对宇航光电子系统造成的损伤主要有电离辐射总剂量（TID）、单粒子效应（SEE）和位移损伤（DD）8-9。理论研究和试验发现，EDFA在空间环境下的失效主要来源于其核心器件EDF的辐照损伤。这种辐照损伤是由TID效应造成的。当电离辐射穿过EDF时会产生大量的电子空穴对，随着辐射的积累，这些带电粒子积累到一定程度将会改变EDF光学性能，其程度取决于EDF吸收的TID。TID效应引起EDF光学性能的显著变化，直接表象是光纤材料中色心的产生10。色心形成后，EDF对光谱中紫外波段表现出强烈的吸收特性，几乎呈不透明状态；虽然在红外波段的吸收相对较小，但光的传输效率降低，且损耗系数增加11。在高能粒子辐照条件下，光纤产生的色心浓度与辐照剂量的关系近似表示为N（D）=kckpNckc+kpD（1）其中，N（D）为色心浓度，D为辐照剂量，Nc为二氧化硅疲劳键浓度，kc为二氧化硅网格中疲劳键和氧位移形成色心的概率，kp为点缺陷形成色心的概率。根据式（1）可知，色心浓度与辐照剂量呈近似线性关系，即EDF在辐照环境下产生色心引起的传输损耗与辐照剂量呈近似线性关系，使得EDFA增益或输出功率呈线性下降趋势。2实验与分析2.1实验系统本文自主搭建的实验系统如图1所示，主要分为2个区域：监控区和辐射区。光源、EDFA驱动模块（无EDF）、电源和功率计等监测设备位于监控区，不受辐射影响。辐射源采用Co-60源，仅将待辐照的EDF放置于辐射区内，这样可以有效避免其它器件受辐照的影响，降低实验结果的准确性。调整待辐照样品EDF距离辐射源的中心位置，可以获得不同的辐照剂量率。2.2 EDF的辐照性能作为EDFA核心器件，EDF的辐照性能很大程度决定着EDFA的辐照性能。为了进一步验证EDF的辐照失效模式并确保实验的可靠性，本文选择相同掺杂工艺、不同掺铒浓度的3种光纤进行对比实验。实验辐照剂量率为1 rad（SI）/s，累积辐照剂量为20 krad（SI），泵浦源为半导体激光器（波长为974 nm），光源为分布式反馈激光器（波长为1550 nm）。当输入光功率为0 dBm时，本文采用相同的泵浦功率对3种不同吸收峰值系数的EDF（EDF1、EDF2和EDF3的吸收峰值系数分别为7 dB/m、22 dB/m和36 dB/m）进行泵浦，表征EDF掺铒浓度的高低（吸收峰值系数越大，EDF的掺铒浓度越高；吸收峰值系数越小，EDF的掺铒浓度越低）。3种EDF输出功率随辐照剂量的变化情况如图2所示，可以看出，3种EDF在辐照情况下输出功率与辐照剂量均呈近似线性关系，这与理论分析保持一致。但是，相同的辐照剂量引起3种EDF的功率下降程度差异显著，对于掺铒浓度越高的EDF（EDF3），辐照引起的功率下降越小，EDFA抗辐照能力越强；反之，对于掺铒浓度越低的EDF（EDF1），辐照引起的功率下降越大，EDFA抗辐照能力越差。小型化是EDFA宇航应用的一个重要指标。使用掺杂浓度越高的EDF可以有效减少掺杂纤的使用长度，有利于EDFA的小型化制作。但是，不可一味地提高EDF的掺杂浓度，否则，将导致EDFA的噪声系数恶化。因此，设计小型化抗辐照EDFA，需在不恶化EDFA噪声系数的前提下，尽可能选择掺铒浓度较高的EDF，减少掺杂光纤的使用长度。上述实验表明，辐照必然会引起EDFA输出功率或增益的降低，导致无法满足传输要求。图1辐照实验系统示意图图2不同EDF辐照性能对比光 器 件782023年第1期江镭，郭跃，刘静，等.小型化抗辐照EDFA研究2.3抗辐照屏蔽结构抗辐照屏蔽结构设计是提升EDFA抗辐照性能的有效手段，小型化EDFA设计更是如此。常用屏蔽材料有硬铝、钨合金和铅玻璃等，考虑到EDFA本身的发热情况和工程应用，本文选择硬铝和钨合金2种材料进行辐照对比实验，同时对比了不同厚度硬铝的屏蔽效果。实验采用的3种屏蔽结构外形尺寸均为60 mm60 mm15 mm,材料分别为2 mm厚钨合金、2 mm厚硬铝和3 mm厚硬铝。3组EDF具有相同的掺杂浓度和长度，EDF在2 mm厚钨合金、2 mm厚硬铝和3 mm厚硬铝3种屏蔽结构下的辐射衰减系数分别为0.617 dB/krad、0.372 dB/krad和0.288 dB/krad，抗辐照性能对比情况如图3所示。可以看出，相同材料、不同厚度的硬铝辐照屏蔽效果差异较大。根据上述辐射衰减系数可计算得出3 mm厚硬铝比2 mm厚硬铝屏蔽效果提高约29%；密度更高的钨合金屏蔽EDF的效果不如硬铝好，其原因有待进一步研究。为了提高EDFA抗辐照性能，小型化EDFA设计时可以适当增加屏蔽结构厚度，但需平衡航天发射成本，因为厚度增加到一定程度时，屏蔽效果相对不明显而重量显著增加，增加了航天发射成本。2.4小型化EDFA性能首先，本文在研制小型化EDFA时选择了高掺杂铒浓度的EDF，同时对EDF进行了抗辐照预处理，进一步提升EDF本身的抗辐照性能，EDF长度最终被控制在3 m以内。然后，按照等效铝厚度对EDFA的屏蔽结构进行了优化设计，采用多种材料复合的形式提高屏蔽效果。EDFA结构主体材料采用硬铝作为外屏蔽层，内部采用薄铅作为二次屏蔽层。本文确定复合外壳材料后，依照等效铝厚度分析整体屏蔽性能。辐照屏蔽等效铝厚度分析可以采用以下公式进行计算。=M S（2）H=0.27（3）其中，为材料的质量面密度，M为材料大面积部分的质量（需扣除材料中质量过度集中部分的质量，如蜂窝板中的预埋件质量），S为材料的实际面积（需扣除材料中挖空部分的面积，如开孔），H为材料的等效铝厚度。按式（2）、式（3）可计算出1 mm铅辐照屏蔽等效铝厚度约为4 mm。以EDFA整体重量为边界综合考虑，外屏蔽层硬铝厚度设计为2 mm，二次屏蔽层铅厚度设计为0.5 mm，这样小型化EDFA屏蔽等效铝厚度约达到4 mm。最后，在电学设计上采用纯模拟电路构建EDFA泵浦激光器的高稳定性电流驱动和半导体制冷器（TEC）控 制 电路，并利用末级输出功率采样构建 输出-检测-再输出的闭环比例积分微分（PID）控制算法。图4为自主研制的小型化EDFA实物照片，EDFA尺寸仅为60 mm60 mm15 mm。在EDFA如此小的情况下，其抗辐照性能图如图5所示。可以看出，EDFA输出功率超过23 dBm，在20 krad（SI）辐照计量下，输出功率基本保持不变，整个辐照过程中输出功率稳定，波动幅度不超过0.1 dB。图3不同材料屏蔽结构抗辐照性能对比图4小型化抗辐照EDFA实物图图5小型化EDFA抗辐照性能图光 器 件792023年第1期江镭，郭跃，刘静，等.小型化抗辐照EDFA研究3结束语本文开展了面向卫星光通信应用的小型化抗辐照EDFA研究，理论分析了EDF失效机理，分别对比了不同掺铒浓度EDF的抗辐照性能，钨合金和硬铝2种常用屏蔽材料的辐照屏蔽性能，以及不同厚度硬铝结构的辐照屏蔽性能差异，研制了高性能小型化抗辐照EDFA，尺寸仅