李凌樂，陳子睿，文建湘，董艷華，王廷云

（上海大學(xué) 特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地/特種光纖與先進(jìn)通信國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，上海先進(jìn)通信與數(shù)據(jù)科學(xué)研究院·上?！?00444）

0 引 言

隨著空間激光通信系統(tǒng)和空間站的建設(shè)，人們對(duì)于空間應(yīng)用的激光器和光纖陀螺儀提出了迫切的需求。摻鉺光纖（Erbium-Doped Fiber，EDF）能夠在光纖的最佳傳輸窗口1550nm波段實(shí)現(xiàn)有效的光傳輸和光放大，因此在光纖通信和光纖傳感等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，因?yàn)榇髿庠?550nm波長(zhǎng)附近也存在一個(gè)通信窗口，所以摻鉺光纖放大器可用于空間通信系統(tǒng)中，此外EDF還可以作為光纖陀螺儀的超熒光光源應(yīng)用于航天器內(nèi)部，具有非常重要的研究意義。

由于EDF以及有關(guān)器件會(huì)在太空中運(yùn)用，然而，太空環(huán)境中存在大量輻射源，例如γ射線、電子、中子等高能粒子束輻照，長(zhǎng)時(shí)間的空間輻照環(huán)境造成光學(xué)器件的損耗急劇增加，導(dǎo)致光學(xué)器件的性能下降或者失效。長(zhǎng)時(shí)間、低劑量率的空間輻照，對(duì)于光纖激光器和光纖陀螺儀來說，會(huì)造成器件性能急劇下降。因此，研究輻照對(duì)光纖的影響和研制具有良好抗輻照性能的光纖，使光纖陀螺儀等器件具有更長(zhǎng)的工作壽命以及更好的精確性具有十分重要的意義。

近年來，輻照對(duì)光纖性能的影響得到廣泛的研究，一般認(rèn)為導(dǎo)致光纖性能下降的主要原因是，高能輻照使得光纖材料中產(chǎn)生了自由電子對(duì)和空穴對(duì)，被光纖本身的初始原子缺陷或雜質(zhì)俘獲而形成了色心。輻致色心導(dǎo)致玻璃能級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，產(chǎn)生了新的吸收或熒光帶，從而嚴(yán)重影響了EDF的傳輸和發(fā)光特性。最近有研究稱，共摻雜鉍離子可以拓寬熒光光譜并提高發(fā)光效率。因此，鉍/鉺共摻雜光纖（Bismuth-Erbium co-Doped Fiber，BEDF）憑借其有望用于放大器和激光器而備受關(guān)注。此外，在光纖中摻雜鉍離子會(huì)影響輻照下的熒光特性。2009年，由C. Ban等的研究可知，由于鉍活性中心濃度的增加，熒光強(qiáng)度通過紫外線照射增強(qiáng)。此外，2015年，由Wen J.等的研究可知，在用伽馬射線照射處理的Bi/Al共摻雜二氧化硅光纖中實(shí)現(xiàn)了熒光增強(qiáng)。然而，鉍離子對(duì)EDF在伽馬射線照射下熒光的影響尚未得到研究。

本文利用改良化學(xué)氣相沉積法（Modified Chemical Vapor Deposition，MCVD）結(jié)合原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD）摻雜技術(shù)制備BEDF，經(jīng)不同輻照劑量的伽馬射線處理后，與EDF的輻照誘導(dǎo)損耗（Radiation Induced Attenua-tion，RIA）光譜和熒光光譜進(jìn)行對(duì)比研究。

1 抗輻照光纖研究機(jī)理

由于價(jià)態(tài)變化較多、原子序數(shù)較大的離子能有更大的吸收截面，可以為原子序數(shù)較低的離子提供一個(gè)輻照緩沖的作用，并借此降低有源光纖的輻照敏感性。因此，探究摻Bi是否可以提高EDF的抗輻照性是抗輻照光纖研究的一個(gè)具體方向。已有的研究表明，Bi離子有比Ce離子更加豐富的價(jià)態(tài)變化，且Bi的原子序數(shù)要遠(yuǎn)大于Er。

對(duì)于纖芯摻雜Bi離子的光纖，可以利用Bi離子豐富的價(jià)態(tài)變化吸收射線在纖芯內(nèi)沉積的能量，從而降低光纖輻照敏感性。Bi離子在光纖中的價(jià)態(tài)包括：Bi、Bi、Bi、Bi。盡管存在多種價(jià)態(tài)，但是光纖中比較穩(wěn)定存在的是Bi。而很多摻Bi光纖在輻照后都發(fā)現(xiàn)了近紅外的發(fā)光中心，普遍認(rèn)為這些近紅外的發(fā)光中心與低價(jià)態(tài)的Bi和Bi有關(guān)，在這一過程中轉(zhuǎn)化方程如式（1）。

（1）

同樣，輻照能量達(dá)到一定值時(shí)會(huì)發(fā)生相反的過程，重新生成Bi，其轉(zhuǎn)化方程如式（2）。

（2）

通過Bi的價(jià)態(tài)變化吸收射線在纖芯內(nèi)的能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Er離子的緩沖保護(hù)作用，達(dá)到有源光纖抗輻照的目的。

2 樣品準(zhǔn)備及實(shí)驗(yàn)條件

2.1 光纖參數(shù)及輻照條件

實(shí)驗(yàn)所用有源光纖為EDF和BEDF，兩種光纖都是通過改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積方法結(jié)合原子層沉積技術(shù)制造。纖芯和包層直徑分別約為9.0μm和125.0μm。

光纖輻照實(shí)驗(yàn)采用Cobalt-60 輻射源進(jìn)行輻照處理（上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院輻照中心，上海）。光纖樣品長(zhǎng)度為20m，所有實(shí)驗(yàn)都在室溫下進(jìn)行，光纖輻照量分別用0.3kGy、0.5kGy、0.8kGy和1.5kGy 劑量，輻照劑量率均為800Gy/h，實(shí)驗(yàn)中選取不同輻照劑量對(duì)光纖進(jìn)行輻照處理，輻照結(jié)束后，對(duì)光纖性能進(jìn)行離線測(cè)試。

2.2 光纖的吸收光譜測(cè)試

利用常規(guī)截?cái)喾▽?duì)摻雜光纖的吸收光譜（α（λ）） 進(jìn)行測(cè)量，使用白光光源和光譜分析儀（OSA，YAKOGAWA AQ-6315A） 測(cè)量輻射前后EDF和BEDF樣品的光譜特性并進(jìn)行分析，測(cè)量波長(zhǎng)范圍選為400～1700nm，OSA分辨率設(shè)定為10nm。

RIA由光纖經(jīng)輻照前后吸收強(qiáng)度的差進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式如下

（）=（）-（）

（3）

式中，（）為輻射前的光纖吸收強(qiáng)度；（）為輻射后的光纖吸收強(qiáng)度。

2.3 光纖的熒光光譜測(cè)試

在室溫下，使用泵浦源為 980nm 激光器和OSA （YAKOGAWA AQ-6370C），測(cè)量0.7m 光纖樣品的反向熒光譜，測(cè)量波長(zhǎng)范圍選為600～1700nm，OSA分辨率設(shè)定為2nm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 光纖的衰減光譜特性

測(cè)量輻照前EDF和BEDF的吸收光譜，如圖1所示。它們分別在645nm、790nm、970nm和1530nm四個(gè)波長(zhǎng)處具有明顯的吸收峰，其中EDF的吸收峰強(qiáng)度分別為7.54dB/m、3.48dB/m、5.74dB/m和12.07dB/m，BEDF的吸收峰強(qiáng)度分別為17.03dB/m、5.78dB/m、11.42dB/m和24.67dB/m。

圖1 輻照前 EDF 和 BEDF 的吸收光譜和光纖端面Fig.1 Absorption spectra and cross-sections of EDF and BEDF before irradiation

隨后，通過方程式（3）計(jì)算EDF和BEDF輻照處理后的RIA光譜，如圖2（a）和（b）所示。它們的RIA都隨著輻射劑量的增加而增加，并且在較短波長(zhǎng)處的增加明顯高于在較長(zhǎng)波長(zhǎng)處。此外，在800～1600nm范圍內(nèi)，BEDF的RIA通常小于EDF的RIA。經(jīng)不同劑量照射處理后，兩種光纖的RIA隨著輻射劑量的增加而增加，而且EDF的RIA增長(zhǎng)速度明顯比BEDF要快，尤其經(jīng)1.5kGy輻照處理后，EDF的RIA比BEDF高1.93dB/m，如圖2（c）所示。

（a）

（b）

（c）圖2 （a）EDF和（b）BEDF輻照前后的RIA光譜；（c）兩種光纖的RIA與1300nm處不同輻射劑量的關(guān)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 光纖的熒光光譜特性

如圖3（a）和（b）所示，兩種光纖的熒光光譜范圍從1520nm到1580nm，泵浦功率固定為1050mW，記錄不同輻射劑量下的熒光強(qiáng)度。值得注意的是，EDF的熒光強(qiáng)度隨著輻射劑量（0～1.5kGy）的增加而降低，而且經(jīng)0.5kGy輻照處理后，其熒光強(qiáng)度以最大的幅度增強(qiáng)（如圖3（b）所示）。與未照射樣品相比，BEDF經(jīng)0.3kGy、0.5kGy、0.8kGy 和1.5kGy輻照處理后，在1536nm處的熒光強(qiáng)度分別增加了0.83dB、1.30dB、1.06dB 和0.52dB。

（a）

（b）圖3 （a）輻照前后 BEDF 的熒光強(qiáng)度特性； （b）BEDF在1536nm處的熒光強(qiáng)度與不同輻照劑量之間關(guān)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 結(jié) 論

本文研究了伽馬輻射對(duì)BEDF和EDF熒光特性的影響，這兩種光纖都是通過改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法結(jié)合原子層摻雜沉積技術(shù)制造的。光纖樣品分別經(jīng)0.3kGy、0.5kGy、0.8kGy 和1.5kGy輻照處理后，通過對(duì)比吸收光譜發(fā)現(xiàn)， BEDF的RIA增加明顯低于EDF, 特別是經(jīng)1.5kGy的輻照處理后，EDF的RIA比BEDF高1.93dB/m。對(duì)比熒光光譜可知，對(duì)于EDF而言，經(jīng)過不同劑量輻照后光纖的熒光強(qiáng)度都低于未輻射時(shí)的熒光強(qiáng)度，并且強(qiáng)度隨著照射劑量的增加而降低； 然而，對(duì)于BEDF來說，經(jīng)過不同劑量輻照后光纖的熒光強(qiáng)度隨輻照劑量的增加先增加后減弱，且均高于未輻照的熒光強(qiáng)度，在1536nm 處與未照射樣品相比，BEDF的熒光強(qiáng)度經(jīng)0.3kGy、0.5kGy、0.8kGy 和1.5kGy 輻照處理后，分別增加了0.83dB、1.30dB、1.06dB 和 0.52dB。 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，鉍鉺共摻有利于提高EDF的抗輻照性能。這對(duì)制備出在輻照環(huán)境下性能良好的有源光纖具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。