信息時(shí)代的發(fā)展需要建立覆蓋范圍更廣、傳輸速率更快、傳輸容量更大的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。作為被普遍看好的下一代空間通信技術(shù)，空間激光通信有著傳統(tǒng)微波通信無(wú)法比擬的眾多優(yōu)勢(shì)： （1）通信容量大。激光的頻率比微波高3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，頻段更寬，短時(shí)間內(nèi)可傳輸大量數(shù)據(jù)；

（2）通信速率高、功耗低。激光通信的速率能達(dá)到10Gbit/s，甚至更高。傳輸過(guò)程中能量集中，不易分散，功耗也比微波低；

（3）抗干擾能力強(qiáng)。激光的束散角極窄，不容易被偵收和干擾。

在此背景下，以激光為信息載體的空間通信系統(tǒng)得到越來(lái)越多的關(guān)注，空間通信技術(shù)也逐步發(fā)展并引發(fā)各國(guó)研究熱潮，并取得了很大進(jìn)展。

圖1 衛(wèi)星激光通信示意圖 空間激光通信由發(fā)射和接收系統(tǒng)構(gòu)成，發(fā)射端將激光放大到足夠功率，向?qū)Ψ桨l(fā)射被調(diào)制的激光脈沖信號(hào)（聲音或數(shù)據(jù)）；接收端通過(guò)光學(xué)天線將收集到的光信號(hào)進(jìn)行放大，然后檢測(cè)有用信號(hào)，其原理如圖1所示。由于是自由空間光通信，通信鏈路中無(wú)法實(shí)現(xiàn)中繼放大，因此除了要保證比較高的調(diào)制速率外，還需要能有較大的發(fā)射光功率。這就導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器在空間通信系統(tǒng)中具有無(wú)法逾越的瓶頸。然而，1550nm光纖激光由于處于現(xiàn)有通信系統(tǒng)波段，可以通過(guò)鉺纖和鉺鐿共摻光纖進(jìn)行放大，輸出功率高，抗干擾能力強(qiáng)，因此成為空間激光通信系統(tǒng)首選激光光源。

空間通信距離一般都很遠(yuǎn)，因此激光信號(hào)需要放大器進(jìn)行足夠放大，才能將光信號(hào)傳輸?shù)母h(yuǎn)。到達(dá)接收端時(shí)，長(zhǎng)距離的傳輸使信號(hào)變得非常微弱，也需要將信號(hào)再次進(jìn)行放大，才能進(jìn)行解調(diào)。因此，摻鉺光纖放大器的出現(xiàn)使1550nm空間激光通信成為可能。隨著空間通信技術(shù)的不斷發(fā)展，摻鉺及鉺鐿共摻光纖放大器憑借寬帶寬、低損耗的光學(xué)性能和輕重量等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，并成功搭載在衛(wèi)星上承擔(dān)空間通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)，目前其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)TB/s量級(jí)成為了1550nm空間激光通信的關(guān)鍵核心器件。

另外，衛(wèi)星空間通信系統(tǒng)多處于太空中，大量輻射粒子嚴(yán)重影響器件的壽命。因此，摻鉺及鉺鐿共摻放大器必須具備抗輻照性能，其嚴(yán)重依賴于抗輻照鉺纖及鉺鐿共摻光纖。國(guó)內(nèi)抗輻照鉺纖及鉺鐿光纖又嚴(yán)重依賴進(jìn)口，這嚴(yán)重制約了我國(guó)空間激光通信的發(fā)展。

抗輻照摻鉺光纖

相比于無(wú)源光纖，摻鉺光纖對(duì)輻照更加敏感，在太空及高能物理設(shè)施等輻射環(huán)境中很容易受到輻照，光學(xué)性能指標(biāo)會(huì)下降，最終影響光器件的正常工作。傳統(tǒng)的物理屏蔽方法雖然可以起到隔離高能量射線的作用，但這種方式存在重量過(guò)高，體積過(guò)大的問(wèn)題，無(wú)法應(yīng)用在現(xiàn)代太空精密設(shè)備中。因此，提升有源光纖自身的抗輻照性能才是解決有源光纖在太空中應(yīng)用難題的有效途徑。

目前的研究表明，輻照時(shí)光纖產(chǎn)生缺陷的機(jī)理主要有兩種：電離損傷和位移損傷。電離損傷是當(dāng)光纖收到輻照時(shí)其中的電子吸收入射粒子能量躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中產(chǎn)生對(duì)應(yīng)空穴，即電子-空穴對(duì)。位移損傷是當(dāng)輻照引入到光纖基質(zhì)中的粒子能量足夠大時(shí)，高能粒子會(huì)導(dǎo)致 Si 或者 O 原子位移從而形成相關(guān)缺陷。由于產(chǎn)生位移損傷所需能量高于電離損傷，所以電離損傷是引起有源光纖輻照損傷的主要機(jī)制。光纖通過(guò)輻照后，會(huì)導(dǎo)致光纖產(chǎn)生輻照損耗，降低系統(tǒng)的增益提高光纖的背景損耗，這些都會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)甚至無(wú)法正常工作。

抗輻照摻鉺光纖技術(shù)

長(zhǎng)進(jìn)激光采用鈰離子摻雜技術(shù)消除輻照產(chǎn)生的色心，通過(guò)調(diào)控鋁和鈰的摻雜濃度和比例提升光纖的抗輻照性能，利用鑭離子降低鉺離子團(tuán)簇效應(yīng)，提升光纖效率，最終制備出了具有良好抗輻照性能的摻鉺光纖，其中Er3+的摻雜濃度約為1.9×1025 （Ions/m3），所制備光纖纖芯和包層的直徑分別為9μm和125μm。考慮到真實(shí)太空環(huán)境下的輻照劑量處于102 ~105 Gy量級(jí)之間，因此選擇了1500Gy輻照劑量與0.2Gy/s的劑量率來(lái)測(cè)試抗輻照摻鉺光纖的輻致?lián)p耗與輻致增益變化。圖2為抗輻照摻鉺光纖截面圖。

圖2 抗輻照摻鉺光纖截面 圖3為C波段抗輻照摻鉺光纖在輻照前與經(jīng)過(guò)1500Gy劑量輻照后的吸收譜以及相應(yīng)的輻致?lián)p耗譜。其中圖3（a）為泵浦波段，圖3（b）為信號(hào)波段。吸收譜均使用PHOTON KINETICS 2500吸收譜測(cè)試儀進(jìn)行截段法測(cè)試。輻致?lián)p耗譜由輻照后與輻照前的吸收譜作差得到，在常用的泵浦吸收波段980nm的輻致?lián)p耗約為1.4dB/m，在C波段信號(hào)1550nm處的輻致?lián)p耗約為0.8dB/m。

圖3抗輻照摻鉺光纖的原始光纖吸收譜、輻照光纖吸收譜以及對(duì)應(yīng)的輻致?lián)p耗。（a）泵浦波段；（b）信號(hào)波段 圖4為C波段抗輻照摻鉺光纖的增益測(cè)試結(jié)構(gòu)圖。采用典型的前向泵浦EDFA結(jié)構(gòu)，WDM（Wavelength Division Multiplexing）為波分復(fù)用，ISO（Isolator）為隔離器。信號(hào)光源采用可調(diào)諧C波段光源，泵浦源采用高穩(wěn)定性980nm泵浦源，原始與輻照后的摻鉺光纖測(cè)試長(zhǎng)度均為2.7m。實(shí)驗(yàn)中將原始光纖與輻照后的光纖分別接入增益測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，采用功率為-20dBm的1550nm信號(hào)，將980nm泵浦源的功率由50mw逐步提升至550mw，同時(shí)記錄摻鉺光纖的增益水平。增益測(cè)試結(jié)果均由橫河AQ6370D光譜儀測(cè)得。

圖4 C波段抗輻照摻鉺光纖增益測(cè)試系統(tǒng)與光纖截面 圖5為C波段抗輻照摻鉺光纖在輻照前后的增益隨泵浦變化曲線。原始光纖在100mw泵浦條件下的增益為27dB，1500Gy輻照光纖在同等條件下的增益為26.2dB，兩者作差得到輻致增益變化為僅0.8dB。隨著泵浦功率的提升，光纖逐步接近增益飽和。由于泵浦漂白作用，在泵浦功率為500mW時(shí)，原始光纖增益達(dá)到36.8dB，輻照光纖增益為36.6dB，輻致增益變化減小到0.2dB。

圖5 抗輻照摻鉺光纖輻照前與輻照后在1550nm處增益隨泵浦功率變化曲線

以MCVD技術(shù)制備的抗輻照摻鉺光纖經(jīng)過(guò)1500Gy劑量，0.2Gy/s平均劑量率輻照后其RIA在980nm和1550nm分別為1.4dB/m和0.8dB/m。通過(guò)搭建EDFA進(jìn)行輻致增益衰減的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示在1550nm處的RIGV在泵浦功率100mW和500mW下分別為0.8dB和0.2dB。該摻鉺光纖抗輻照性能優(yōu)越，在衛(wèi)星通信、數(shù)據(jù)采集和太空探測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

隨著有源光纖在輻照環(huán)境下的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，目前國(guó)內(nèi)很多光纖生產(chǎn)企業(yè)都對(duì)抗輻照光纖進(jìn)行深入的研究。武漢長(zhǎng)進(jìn)激光技術(shù)有限公司（長(zhǎng)進(jìn)激光）經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累和創(chuàng)新研發(fā)，通過(guò)在光纖制備時(shí)改變光纖摻雜元素、光纖結(jié)構(gòu)等手段，現(xiàn)已成功研制出高性能的抗輻照摻鉺光纖與抗輻照鉺鐿共摻光纖，得到客戶的肯定。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，抗輻照光纖的應(yīng)用也必定會(huì)越來(lái)越廣泛，長(zhǎng)進(jìn)激光會(huì)持續(xù)在抗輻照光纖領(lǐng)域加大研發(fā)力度，為更多的潛在客戶提供高性能的抗輻照有源光纖。

審核編輯 ：李倩