柳青峰，李 博，康冬鵬，楊清波，馬 晶，譚立英，于思源，趙 生，王 淇

（1.哈爾濱工業(yè)大學航天學院，哈爾濱 150001；2.哈工大衛(wèi)星激光通信股份有限公司，哈爾濱 150028）

引 言

國外正逐漸將地面成熟應用的摻鉺光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）波分復用技術(shù)推廣至空間應用，在深空輻射條件下若僅僅從單一波長的角度來分析EDFA的性能變化將無法跟上這一迫切發(fā)展趨勢。波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）[1]技術(shù)，是一種在光域上的復用技術(shù)，將幾個不同的標稱波長或光信道信號通過WDM耦合器復用在一個信道中進行空間傳輸，WDM技術(shù)可有效拓展原有衛(wèi)星光通信的傳輸數(shù)據(jù)率。

目前各國在進行空間試驗衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中，一般僅采用單通道模式，隨著對存儲數(shù)據(jù)容量大大增加的需求，空間波分復用技術(shù)將成為拓展通信容量的有效手段，因此需要研究EDFA波分復用特性在深空輻射條件下的性能變化情況。

2013年，F(xiàn)ox等對一系列鉺鐿共摻光纖樣品進行了18 個月的國際空間站在軌試驗，主要研究色心產(chǎn)生后輻射對樣品的可見光至近紅外光譜的影響，結(jié)果表明：由于共摻技術(shù)相對于摻雜一種稀土元素而引入更少的鋁元素，色心產(chǎn)生的可見光吸收和近紅外吸收較小，并通過地面輻射源Co60產(chǎn)生的Gamma 射線驗證了這一輻射致色心吸收現(xiàn)象[2]。

2014年，Girard S小組通過實驗研究了新型結(jié)構(gòu)（Hole-Assisted Carbon Coated，HACC）的摻鉺光纖對輻射的耐受能力，在輻射速率為0.15 rad/s，輻射總劑量為100 krad時，增益只下降了1.7%，通過實驗測試和仿真分析，采用該結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖大大提高耐輻射性能[3-5]。

不同摻雜材料的光纖放大器的抗輻射特性不同，其中Yb3+的存在會降低摻鉺光纖輻射下的性能，從而使得鉺鐿共摻光纖放大器的輻射性能明顯弱于摻鉺光纖放大器[6]；采用EDFA 黑匣子模型的多波長EDFA輻射增益特性的測試方法，大幅度提高測試的效率，解決了測試時間對分析多波長EDFA輻射增益特性的限制[6-13]。

盡管國內(nèi)外對EDFA在空間環(huán)境中，針對不同輻射源、不同劑量率、不同溫度場進行了大量的輻射實驗[14-17]，但以上研究內(nèi)容均未涉及波分復用的各通道特性與深空輻射的關(guān)系，而在EDFA 進行WDM 應用時，增益譜的平坦特性[18-19]也是尤為重要的。

本文首先研究衛(wèi)星光通信系統(tǒng)采用波分復用技術(shù)時，深空輻射及溫度場對EDFA的性能影響、非均勻特性，建立深空輻射條件下EDFA 的WDM 信號之間的增益影響模型，給出了溫度、輻射等變化對EDFA波分復用信號增益的非均勻變化影響的評估方法。在深空輻射環(huán)境的各類粒子中，由于電子更能體現(xiàn)出對靶材的電離效應，而中子不帶電荷，更能體現(xiàn)出對靶材的位移效應，為了更詳細地研究EDFA的深空輻射性能變化規(guī)律，分別采用電子和中子作為輻射源，進行地面模擬深空輻射環(huán)境的輻射電離效應和輻射位移效應實驗，測試EDFA波分復用信號的變化情況，建立深空輻射條件下EDFA 的WDM 信號之間的增益影響模型，并通過實驗結(jié)果進一步驗證該模型與實驗結(jié)果的一致性。

1 原理分析

在深空輻射條件下?lián)姐s光纖（Erbium Doped Fiber，EDF）產(chǎn)生的色心[20]，對全譜范圍內(nèi)的傳輸光均產(chǎn)生一定的吸收[21]，一部分吸收能量引起晶格振動最終以熱量形式釋放出來[22]。光通信衛(wèi)星鏈路中不能像地面一樣進行中繼放大，所以對通信發(fā)送端的光功率要求較大，功率一般為10 dBm 以上。若泵浦效率為10%時，其對應的泵浦光至少為100 dBm，當如此高功率的泵浦在EDF 中傳輸時，色心吸收產(chǎn)生的熱量積累會導致EDF內(nèi)部溫度升高，甚至燒毀EDFA。

若單通道信號傳輸光功率為Psingle，則N路WDM信號傳輸時，對應的傳輸光功率PWDM為

在變化的溫度場中，考慮Er3+能級的Stark 分裂，溫度對EDFA 中參與工作的Er3+能級粒子數(shù)分布滿足波爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律。圖1為980 nm泵浦EDFA的鉺離子Stark能級分布。

溫度較高時，改變了各分裂能級粒子數(shù)分布權(quán)重，由此產(chǎn)生了更多的基級向工作能級激發(fā)，即帶內(nèi)激發(fā)，吸收了更多的較短波長的放大光，并將吸收的能量傳遞給較長的波長，從而在高溫時，較長波長的信號放大幅度較大，低溫時，較短波長的信號放大幅度較大。

鉺離子在1 550 nm 光放大能級和基態(tài)能級吸收[23]，如圖2所示。鉺離子在1 550 nm光放大能級和基態(tài)能級發(fā)射如圖3所示。

圖1 Er3+的Stark分裂能級Fig.1 Energy level diagram of Er3+in fiber showing the Stark-split levels

圖2 能級Stark分裂下的鉺離子能級4I15/2和能級4I13/2吸收示意圖［23］Fig.2 Energy diagram showing the Stark components of the 4I15/2 and 4I13/2 manifolds and the assignment of observed absorption transitions［23］

圖3 能級Stark分裂下的鉺離子能級4I15/2和能級4I13/2發(fā)射示意圖［23］Fig.3 Energy diagram showing the Stark components of the 4I15/2 and 4I13/2 manifolds and the assignment of observed fluorescence transitions［23］

下面研究不同溫度下EDFA 對1 530～1 560 nm寬帶光源的響應情況，試驗結(jié)果如圖4所示，圖4中的高溫對應的是+85 ℃，低溫對應的是-170 ℃。

由圖4可知，低溫時對寬帶光源的短波長附近產(chǎn)生一定的吸收，并將吸收的能量傳遞給較長波長，在EDFA內(nèi)部形成帶內(nèi)泵浦，給長波帶來一定的增大作用。這種增益隨波長變化的情況可影響WDM接收系統(tǒng)中信號處理的動態(tài)響應。摻鉺光纖處于深空輻射環(huán)境中時，其內(nèi)部的色心吸收和退化的過程將對應更多的吸收發(fā)射能級，輻射后增益變化更加明顯。

圖4 不同溫度下EDFA對寬帶光源的響應情況Fig.4 Broadband light source transmission response of EDFA at different temperature

目前光衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計中，只能實現(xiàn)路數(shù)較少的波分復用，比如兩路或者四路波分復用。在此情況下，為了計算簡單，考慮在1 550 nm附近的一小段波長區(qū)間內(nèi)，可認為深空輻射對其帶內(nèi)能量傳遞的影響是近似線性的。

基于這種近似，為了得到波分復用時各波長的增益關(guān)系，本文定義了在深空輻射環(huán)境中變化溫度場作用下EDFA的信道增益斜率SWDM

其中：ΔGλ為最短與最長有效波長對應增益的差值；N為WDM中的有效波長個數(shù)；Δλ為WDM中各有效波長的波長間隔；C為待定斜率修正常數(shù)；Sβ為輻射斜率因子。

考慮不同信道增益的差分關(guān)系對應的斜率，摻鉺光纖形成色心的吸收帶特征與硅基的石英晶體輻射致色心的吸收帶特征相似，因此摻鉺光纖的微觀結(jié)構(gòu)可近似按照石英晶體的晶格理論進行研究[24-25]。

為了描述不同輻射速率下的EDFA特性變化，并同時考慮摻鉺光纖中的色心效應，從輻射場對硅基氧化物材料色心產(chǎn)生的原理出發(fā)[24-25]，得到

其中：NP為摻鉺光纖中固有的缺陷個數(shù)；為輻射速率；AN為摻鉺光纖制造工藝或者外界因素引起的色心退化項；NCS為輻射對摻鉺光纖作用時產(chǎn)生的色心數(shù)量；T為輻射對摻鉺光纖作用時的溫度相關(guān)量；τa為摻鉺光纖制造工藝或者外界因素引起的色心退化時間；b、c、ω為待定常量。

輻射與損耗成正比的關(guān)系和輻射與近紅外波段的損耗關(guān)系，可近似認為ΔGλ（Sβ）～λD，ST為溫度斜率因子。

石英晶格在受到溫度場作用后產(chǎn)生振動，使得色心退化概率增大，按照統(tǒng)計力學理論符合麥克斯韋－波爾茲曼統(tǒng)計概率分布為

其中：p為摻鉺光纖受溫度影響的概率；KB為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度。

將式（5）按照Taylor級數(shù)展開

若將Δp忽略，即考慮Δp為無窮小量，式（6）為1-（1/KBT）。

實際上Δp是不能忽略的，下面對低階量Δp進行修正，為使問題簡便，將本底影響設為常量，同時考慮溫度場對晶格產(chǎn)生熱激發(fā)作用使得材料更易受到外界條件影響，導致輻射敏感性的增加，加入修正系數(shù)f，因此可以得到，摻鉺光纖在輻射條件下的損耗與工作溫度的概率關(guān)系為

對于SWDM，考慮信道增益斜率與不同信道增益的差分有關(guān)，近似認為ΔGλ（ST）～（T-T0）2，T0為與應用環(huán)境有關(guān)的溫度量。

將上述簡化過程代入式（2）中，可得深空輻射環(huán)境中變化溫度場作用下EDFA的信道增益斜率函數(shù)SWDM為

其中：T0為起始溫度常數(shù)。

可以看出，式（9）給出了EDFA 中WDM 信號之間的增益關(guān)系，因此又可定義它為增益影響模型。該模型描述了EDFA 中，WDM 各信號對應增益的非均勻性程度。

在空間采用波分復用技術(shù)時，在復用波長數(shù)較少的情況下，信道中各信號增益具有一定的線性比例關(guān)系，是空間溫度場和輻射場的函數(shù)。

當溫度選擇適當時，信道中各信號增益大小相當，SWDM接近于 0 dB/nm。SWDM不等于0 時，若|SWDM|＜0.1 dB/nm，可認為溫度和輻射對通信接收系統(tǒng)各信號增益的均勻性影響可忽略，反之亦然。當|SWDM|很大時，信道增益斜率函數(shù)反映了WDM 信道中各信號的不均勻性，可導致通信接收系統(tǒng)的動態(tài)響應范圍變小，為衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)最優(yōu)溫度閾值控制設計提供了理論依據(jù)。

2 建立實驗

上一節(jié)給出了在深空輻射環(huán)境及變化溫度場作用下，建立的EDFA 中WDM 信號之間的增益影響模型。為驗證該模型的正確性，給出高能電子輻射后的實驗驗證結(jié)果，實驗裝置如圖5～6所示。

圖5 實驗中的波分器照片F(xiàn)ig.5 The photo of wave divider in experiment

圖6 實驗中的耦合器照片F(xiàn)ig.6 The photo of optical fiber couplerin experiment

在EDFA 輸入端接入WDM 信號，該WDM 信號由C放大自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）寬帶光源產(chǎn)生，經(jīng)過光纖光柵波分器后進入耦合器，由耦合器輸出至EDFA輸入端。

耦合器輸出至EDFA輸入端的信號質(zhì)量較好，信噪比較高，如圖7所示，作為本次實驗可以認為是較理想的WDM信號，波長間隔為1.6 nm。

對EDFA 在輻射前進行本底測試，如圖8 所示。本底測試后的WDM信號隨溫度變化如圖9所示。在高溫時，較長波長的信號得到了更大的放大，但增大趨勢不明顯。而在低溫時，較長波長的信號放大幅度有較大的衰減。

圖7 波分復用EDFA連接圖Fig.7 The diagram of wavelength division multiplexing connecting EDFA

圖8 EDFA輸入端的WDM信號Fig.8 Input WDM signal of EDFA

圖9 輻射前EDFA輸出的WDM信號Fig.9 The output WDM signal of EDFA before irradiation

3 實驗驗證

在空間輻射環(huán)境的各類粒子中，電子更能體現(xiàn)出對靶材的電離效應，而中子不帶電荷，更能體現(xiàn)出對靶材的位移效應，為了更詳細地研究EDFA的空間輻射性能變化規(guī)律，本文分別采用電子和中子作為輻射源，進行地面模擬空間輻射環(huán)境的輻射電離效應和輻射位移效應實驗，驗證空間輻射條件下EDFA 的WDM信號之間的增益影響模型。

1）電子試驗驗證

電子輻射實驗主要參數(shù)：電子能量為1.0 MeV，束流1～2 μA，測試板面積70 cm2，掃描寬度50 mm，輻射樣品距掃描盒300 mm；輻射實驗精度：在試驗范圍內(nèi)掃描不均勻度小于±5%，能量不穩(wěn)定度小于±5%，束流積分儀最大測量誤差±2%。

對電子輻射實驗后的EDFA 進行WDM 信號測試，EDFA 輸入端的信號光如圖8 所示，輻射后的WDM輸出信號在不同溫度下的表現(xiàn)如圖10所示，經(jīng)EDFA 放大后的WDM 輸出信號均有所衰減，各信號衰減幅度大致相同，高溫時，較長波長的信號放大幅度較大，低溫時，較短波長的信號放大幅度較大，與輻射前的規(guī)律相同。

圖10 輻射后EDFA輸出的WDM信號Fig.10 The output WDM signal of EDFA after irradiation

由圖10 可知，輻射后各信號對溫度變化更加敏感，不同溫度下輻射對EDFA中的各光波長放大的影響相差較大，輻射前后WDM各信號對應的峰值波長未發(fā)生明顯變化，仿真曲線與實測數(shù)據(jù)符合較好，信號波長越大，對溫度敏感性越大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是鉺離子對寬帶光源的短波長附近產(chǎn)生一定的吸收，并將吸收得能量傳遞至較長的波長，在EDFA內(nèi)部形成帶內(nèi)泵浦，并給長波長信號帶來一定的放大，與低溫時相比，鉺離子在高溫時各能級產(chǎn)生展寬，基態(tài)能級中分裂的較高的Stark 能級其粒子數(shù)較低溫時更多，在EDFA內(nèi)部更易發(fā)生帶內(nèi)泵浦，對長波長信號的放大更多。利用信道增益斜率公式可以很好的描述空間在不同溫度場中電離輻射對增益影響的不均衡性質(zhì)。

從實驗結(jié)果可以得出：利用信道增益斜率公式建立的深空輻射環(huán)境中變化溫度場作用下EDFA 的WDM中各波長增益關(guān)系，只要測量輻射條件下的一組WDM信號的各波長增益數(shù)據(jù)，即可外推出在該輻射條件下，變化溫度場對EDFA 中WDM 信號性能的影響。

2）中子試驗驗證

中子輻射待輻射樣品為980 nm泵浦的EDFA，位于高能中子脈沖反應堆旁，輻射源中子能量平均為1 MeV，輻射通量為1.5×1013n/cm2，輻射時間為7 d。

高能中子對EDFA 增益損耗影響實驗過程為：EDF（6 個裸纖樣品）放置在中子反應堆附近，保證6 個樣品同時受到均勻的輻照。本次實驗為離線測試，輸入信號光功率可通過可變光衰減器進行控制，EDFA 的特性變化將通過光譜儀測量。中子輻射后，通過測量輻射導致的EDFA增益變化與輸入信號光功率、泵浦光功率的關(guān)系，并與輻射之前的結(jié)果相比。在本次實驗中6 個商用EDF 樣品的參數(shù)一致，EDF1樣品裸纖參數(shù)見表1，EDF1 輻射前后參數(shù)變化情況如表2所示。

表1 EDF1樣品裸纖參數(shù)Table 1 The parameter of original EDF sample

表2 EDF1輻射前后參數(shù)變化情況Table 2 Characteristic change of EDF sample 1 before and after irradiation

針對EDFA的波分復用技術(shù)進行高能中子輻射效應研究，實驗中將ASE 平坦寬帶光源輸出的信號光通過波分器，分成中心波長間距為1.6 nm的信號光，依然選取中心波長1 547.7、1 549.3、1 550.9、1 552.5 nm 的4 束信號光，再將4 束信號光通過耦合器耦合成1束梳狀信號光輸入中子輻射后摻鉺光纖制作的EDFA，經(jīng)中子輻射后摻鉺光纖制作的EDFA 放大后輸入高精度光譜分析系統(tǒng)AQ6317C 輸出光譜。圖11 為在滿功率泵浦條件下，高能中子輻射前后的WDM圖形，WDM的輸入信號見圖8。

圖11 輻射前后EDFA輸出的WDM信號Fig.11 The output WDM signal of EDFA before and after irradiation

將圖11 中的各WDM 信號的峰值區(qū)域進行放大，如圖12所示，將輻射實驗條件代入已推導的EDFA的信道增益斜率模型，并繪制模型計算的增益斜線。

圖12 輻射前后EDFA輸出的WDM信號增益關(guān)系Fig.12 The output WDM signal relationship of EDFA before and after irradiation

從圖12可知，輻射前后EDFA輸出的WDM信號經(jīng)放大后各信號波長保持恒定，對應的放大信號功率變化不大，輻射導致的平均吸收損失0.6 dB，單個波長的光信號與WDM信號的最大差異分別為0.5 dB和0.6 dB，各信號峰值功率幾乎沒有改變。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因是由于反應堆的中子能量較小，在輻射位移實驗過程中，EDF 內(nèi)部未能產(chǎn)生足夠多的位移缺陷，同時中子在EDF 中的二次電離效應不明顯。仿真曲線與實測數(shù)據(jù)符合較好，利用信道增益斜率模型可以描述深空輻射中輻射位移效應增益的不均衡性質(zhì)。

4 結(jié) 論

利用信道增益斜率公式建立的深空輻射環(huán)境中變化溫度場作用下EDFA 的WDM 中各波長的增益關(guān)系，即可研究深空輻射環(huán)境中兩種最主要的輻射效應為輻射電離效應和輻射位移效應對EDFA 中WDM 信號的影響，只要測量輻射條件下的一組WDM信號的各波長的增益數(shù)據(jù)，即可外推出在該輻射條件下，變化溫度場對EDFA中WDM信號性能的影響。

利用該模型，可獲得深空輻射環(huán)境中，不同的輻射類型、不同的溫度下，EDFA 在WDM 應用時各波長增益的非均勻特性，為衛(wèi)星光通信中EDFA 的WDM應用提供參考。