CN102147496A - 一种空间用抗电离辐照有源光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间用抗电离辐照有源光纤，包括有源纤芯、内包层、外包层和涂覆层，有源纤芯的材料中包含有源活性离子和共掺杂剂的二氧化硅，其中有源活性离子为原子序数为57～71的稀土元素的卤化物或氧化物的一种或者多种，共掺杂剂为锗、磷、铝、氟的化合物的一种或多种，所述有源纤芯的材料中掺杂有铈的化合物，其掺杂浓度为2000～10000ppm，内包层的材料中也可掺杂有铈或氟，铈离子掺杂浓度为0～8000ppm，氟离子掺杂浓度为0～1000ppm。本发明所述的抗电离辐照有源光纤在纤芯中掺杂铈，经过试验验证可以极大提高有源光纤的抗辐照特性，解决了当前有源光纤在辐照环境中使用受限问题。

Description

一种空间用抗电离辐照有源光纤

技术领域

本发明涉及一种有源光纤，特别是涉及在诸如外太空等对抗电离辐照性能要求比较严格的环境中使用的抗电离辐照有源光纤。

背景技术

一般来说，有源光纤由能够传输并放大信号光的纤芯和能够将光限制在纤芯内的包层构成。为使纤芯具有放大性能通常会引入一定浓度的金属元素，特别是稀土金属元素，如钕(Nd)、铒(Er)、铥(Tm)及镱(Yb)等等。同时为了改善放大作用还可以共掺多种金属元素，例如镱就可以用于掺铒光纤(EDF)以改善光纤对泵浦信号光的吸收效率。为了提高光学性能通常还会将有源光纤做成双包层光纤或光子晶体光纤等形式，其中光子晶体光纤又有单芯和多芯之分。

如今有源光纤已经在光纤放大器、光纤激光器和以及传感器中获得了广泛应用。特别是在光纤激光器中的应用被称为第三代激光器，与传统固体/气体等激光器相比，光纤激光器具有高可靠性、高效率、热耗低、重量轻等优势，可作为空间通信、地球观测、深空探测中信息获取与传输的关键器件，因此越来越得到世界各国众多航天机构的青睐。例如光纤激光器可作为卫星内部及卫星与地面之间的光通信系统的激光光源(大气在1.55μm处存在一个通信窗口，而这正对应于掺Er光纤的一个发射波长)，另外由于相位调制器的插入损耗和损伤阈值的限制，还需要用到有源光纤放大器对调制过的信号光功率进行放大，此外有源光纤还可以用在卫星中光纤陀螺仪的超荧光光源中。目前，许多国家的科研人员都在研究有源光纤及其器件在太空中使用的可行性。在空间中，很多器件会长时间暴露在恶劣的空间辐照环境中，所受到的高剂量辐照是导致其性能降低或失效的主要因素。对于光纤激光器和放大器，在空间长时间、低剂量率的辐照下也会引起器件性能的急剧降低、甚至完全失效。因此，在实现这些应用之前，必须先解决有源光纤的抗辐照性能问题。

辐照使得光纤性能下降是由于辐照在光纤中产生色心。这些色心主要与光纤中所含的杂质及光纤本身的初始原子缺陷有关。前者会使辐照产生的部分自由电子被光纤内的一些着色阳离子(如Fe、Cr、Mn、Cu及Ni等)俘获还原而形成新的色心，从而降低光纤的传输能力；后者是高能辐照粒子破坏具有初始原子缺陷的桥氧(BO)键，从而形成硅E′色心和非桥氧空心色心(NBOHC)等。更大剂量的辐照有可能会造成光纤玻璃材料的原子位移损伤，导致玻璃材料的密度及折射率改变。

综上所述，为提高光纤抗辐照性能，一般可以通过采用高纯度的石英或人为掺杂少量可变价的不着金属色阳离子以抑制色心形成，并且注意减少初始的原子缺陷，使光纤在辐照下产生较少的断键色心。不过光纤在太空中受到的辐照总剂量不太大(10年不超过2kGy)，对纯石英光纤来说受到的影响并不明显。但是由于有源光纤中不仅掺杂了稀土元素，为了改善其光学性能通常还会共掺一些其他元素，比如为了抑制稀土离子的团簇效应，提高其在石英玻璃中的溶解度而共掺铝，为提高铒镱之间的能量传递效率而共掺磷，及其他常见的共掺元素，这就使得辐照对有源光纤的影响变得非常复杂，极大地增加了有源光纤的辐照敏感性。因此即使小剂量的辐照所导致的附加损耗也是不能接受的。

早在上世纪九十年代初，国外就已经开始研究辐照对有源光纤性能的影响了。辐照对光学玻璃及无源光纤性能影响的研究工作则可追溯到上世纪六七十年代。主要的工作表现在以下几个方面：其中方法一是在纯石英光纤芯中加入一定量的OH^-可以提高光纤的γ射线，深紫外光，X光的抗辐照能力。但是由于OH^-的加入，光纤在红外通信波段的传输损耗会加大，影响正常通信。另外OH^-的注入浓度也是有限的。方法二是对石英光纤进行载氢处理，并涂覆密封碳涂层以阻止氢从光纤中扩散出来，能够明显地提高光纤的抗辐照性能。但是这种方法不仅需要改变目前常规光纤的涂覆工艺，还需要对涂覆设备进行改造，限制了商品化，因此仅仅是一种想法。方法三是在石英光纤材料中掺杂一定量的氟也能够提高光纤的抗辐照性能，其带来的缺陷也是非常明显，就是如果纤芯中掺有氟的话，则这种光纤在近红外通信波段的损耗也会较常规掺锗芯光纤高一些，会使光纤的一些光学特性等随着改变。方法四即在中国专利CN 1800891A中公开了一种抗辐照石英光纤及其组合制作方法。高性能抗辐照石英光纤由纯石英纤芯、石英掺氟包层和石英掺铈制作辐射屏蔽层组成。该种光纤可在辐射环境下作为抗辐射光纤保持正常的信息传输。该专利没有涉及有源光纤的相关特性，仅仅涉及纯石英纤芯光纤，不能解决纤芯里面有稀土掺杂的有源光纤的抗电离辐照特性问题。

为了解决有源光纤的抗电离辐照特性问题，满足在辐照环境下的光纤激光器、光纤放大器以及传感器稳定应用，需要提供一种新型的，易于制备实现的电离辐照光纤。

发明内容

本发明的目的在于解决有源光纤的抗辐照问题，提供一种具有抗电离辐照性能的有源光纤，其中有源光纤包括双包层光纤和光子晶体光纤两种形式。

本发明提供了一种空间用抗电离辐照有源光纤，包括有源纤芯、内包层、外包层和涂覆层，有源纤芯的材料中包含有源活性离子和共掺杂剂的二氧化硅，其中有源活性离子为原子序数为57～71的稀土元素的卤化物或氧化物的一种或者多种，共掺杂剂为锗的化合物、磷的化合物、铝的化合物、氟的化合物其中的一种或多种，其特征在于，所述有源纤芯的材料中掺杂有铈的化合物。

进一步的，所述有源纤芯的材料中铈的掺杂浓度为2000～10000ppm。

进一步的，所述内包层的材料中掺杂有铈或氟，其中铈的掺杂浓度为0～8000ppm，氟的掺杂浓度为0～1000ppm。

进一步的，所述的空间用抗电离辐照有源光纤为双包层光纤。

进一步的，所述的双包层光纤的内包层分为第一分层和第二分层，铈或氟掺杂在第一分层。

进一步的，所述的空间用抗电离辐照有源光纤为有源光子晶体光纤。

进一步的，所述的有源光子晶体光纤的内包层分为第一分层、第二分层和第三分层，铈或氟掺杂在第一分层。

本发明获得的有益效果为：

(1)本发明所述的抗电离辐照有源光纤在纤芯中掺杂铈，经过试验验证可以极大提高有源光纤的抗辐照特性，解决了当前有源光纤在辐照环境中使用受限问题。

(2)本发明所述的抗电离辐照有源光纤的结构、尺寸以及基质材料都与目前的传统光纤相当，因此避免了采用背景技术中所述的提高光纤的抗电离辐照性能方法而带来的相应问题。

附图说明

图1是本发明所述的内包层为八边形的抗电离辐照有源双包层光纤截面示意图；

图2是图1所示铒镱共掺双包层有源光纤纤芯中不同掺铈浓度时的激光性能测试结果图；

图3是图1所示铒镱共掺双包层有源光纤内包层中不同掺铈浓度时的激光性能测结果图；

图4是本发明所述的纤芯数目为1的抗电离辐照有源光子晶体光纤截面示意图；

图5是图4所示掺镱光子晶体光纤纤芯中不同掺铈浓度时的激光性能测试结果图。

具体实施方式

本发明提供的抗电离辐照有源光纤，包括有源纤芯、内包层、外包层和涂覆层。有源纤芯的材料中包含有有源活性离子、掺杂有铈的化合物以及共掺杂剂的二氧化硅，其中有源活性离子为原子序数为57～71的稀土元素的卤化物或氧化物的一种或者多种，共掺杂剂为锗、磷、铝和氟的化合物的一种或多种。

所述纤芯中铈的掺杂浓度为2000～10000ppm；内包层中铈的掺杂浓度为0～8000ppm。

本发明提供的抗电离辐照有源光纤分为双包层光纤和有源光子晶体光纤。

所述双包层光纤的内包层分为两个分层，第一分层靠近纤芯，第二分层位于第一分层外侧，第一分层的材料为掺杂有铈或氟及共掺杂剂的二氧化硅。第二分层的材料为掺杂共掺杂剂的二氧化硅。所述内包层第一分层和第二分层折射率相同，其中内包层第一分层中铈的掺杂浓度为0～8000ppm，氟的掺杂浓度为0～1000ppm。内包层的截面外形可为圆形、四边形、六边形、八边形或其他几何形状。

所述有源光子晶体光纤的内包层分为三个分层，第一分层靠近纤芯，其为周期性排列的内空气孔层，其截面外形可以为圆形、六边形、八边形等多边形形状，内空气孔层的材料可为纯石英玻璃、掺氟石英玻璃、掺铈石英玻璃或氟铈混合掺杂石英玻璃；第二分层位于第一分层外侧，第二分层为掺杂有共掺杂剂的石英玻璃材料，也可采用第一分层所用的材料，第三分层位于第二分层外侧，第三分层为周期性排列的外空气孔层，可以为单层或者多层，外空气孔层材料可以与内空气孔层材料一样，也可以采用纯石英玻璃，第三分层的截面形状为圆形。光子晶体光纤的纤芯数目为一芯、七芯、或十九芯。所述内包层第一分层中铈的掺杂浓度为0～8000ppm，氟的掺杂浓度为0～1000ppm。

在第一实施例中涉及到一种双包层光纤如图1所示，该光纤包括四个部分即有源纤芯1、内包层2、外包层3和涂覆层4，其中内包层2又分第一分层和第二分层。该光纤的有源纤芯1中掺杂有铈、铒和镱，内包层2的材料中未掺杂铈和氟，内包层2的形状为八边形。

该类双包层光纤的纤芯1中铈的掺杂浓度及激光性能的关系如图2所示，图中横坐标为铈的掺杂浓度，本实施例所述的光纤有源纤芯1中铈的掺杂浓度分别为0、2000ppm、5000ppm、7000ppm、10000ppm和15000ppm，纵坐标为在相同泵浦条件下1540nm附近归一化了的激光输出功率，即取纤芯中未掺杂铈离子的光纤输出功率值为1，图中正方形表示辐照前的激光输出功率，圆形表示经500Gy伽马射线辐照后的激光输出功率。由测试结果可见没有掺铈的光纤受辐照后输出功率下降至0.66，掺杂2000ppm的光纤受辐照后输出功率下降至0.86(辐照前为0.94)。同时还可以看出，掺杂铈会导致光纤的激光性能下降，且下降幅度随铈的掺杂浓度增加而增大，至掺杂浓度为10000ppm时光纤的输出功率辐照前后分别约为0.75和0.74。

在第二实施例中涉及到一种双包层光纤，结构同第一实施案例。该光纤的有源纤芯1中掺杂有铈、铒和镱，其中铈的掺杂浓度为2000ppm，内包层2的第一分层掺杂有铈，内包层2的形状为八边形。

该类双包层光纤的内包层2第一分层中铈的掺杂浓度及激光性能的关系如图3所示，其中横坐标为铈的掺杂浓度，内包层2的第一分层铈的掺杂浓度分别为0、1000ppm、3000ppm、5000ppm、8000ppm和15000ppm，纵坐标为在相同泵浦条件下1540nm附近归一化了的激光输出功率，即取纤芯中未掺杂铈离子的光纤输出功率值为1，图中正方形表示辐照前的激光输出功率，圆形表示经500Gy伽马射线辐照后的激光输出功率。由图可见，通过在内包层中引入铈可以明显抑制辐照过程中色心的形成，使得泵浦光可以在光纤中传输更长距离，进而提高了激光输出功率，但当铈掺杂到一定浓度时其本身的吸收又影响了光纤的激光性能。内包层中掺铈浓度为1000ppm时辐照前后激光输出功率分别为0.94和0.95，浓度为8000ppm时辐照前后激光输出功率0.90和0.87。

在第三实施例中，涉及到一种有源光子晶体光纤，如图4所示，该光纤包括有源纤芯1、第一分层21、第二分层22、第三分层23、外包层3和涂覆层4，其中第一分层21、第二分层22和第三分层23合称内包层2。该光纤的纤芯数目为1芯，第一分层有6层空气孔，排列成八边形，第三分层为单层。其中，光纤有源纤芯1中掺杂铈，内包层2的材料中铈的掺杂浓度为2000ppm、氟的掺杂浓度为400ppm。

该类有源光子晶体光纤纤芯中铈的掺杂浓度及激光性能的关系如图5所示，其中横坐标为铈的掺杂浓度，有源纤芯1中掺杂铈的掺杂浓度分别为0、2000ppm、5000ppm、7000ppm、10000ppm和15000ppm；纵坐标为在相同泵浦条件下1060nm附近归一化了的激光输出功率，即取纤芯中未掺杂铈离子的光纤输出功率值为1，图中正方形表示辐照前的激光输出功率，圆形表示经500Gy伽马射线辐照后的激光输出功率。由图可见，没有掺杂铈的光纤受辐照后输出功率约为0.79，铈掺杂浓度为5000ppm的光纤抗辐照性能表现最佳，辐照前后其输出功率分别约为1.1和1.14，而掺杂浓度增至15000ppm时光纤的激光性能则明显下降，照前后其输出功率分别约为0.92和0.99。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种空间用抗电离辐照有源光纤，包括有源纤芯、内包层、外包层和涂覆层，有源纤芯的材料中包含有源活性离子和共掺杂剂的二氧化硅，其中有源活性离子为原子序数为57～71的稀土元素的卤化物或氧化物的一种或者多种，共掺杂剂为锗的化合物、磷的化合物、铝的化合物、氟的化合物其中的一种或多种，其特征在于，所述有源纤芯的材料中掺杂有铈的化合物。

2.根据权利要求1所述的空间用抗电离辐照有源光纤，其特征在于，所述有源纤芯的材料中铈的掺杂浓度为2000～10000ppm。

3.根据权利要求1所述的空间用抗电离辐照有源光纤，其特征在于，所述内包层的材料中掺杂有铈或氟，其中铈的掺杂浓度为0～8000ppm，氟的掺杂浓度为0～1000ppm。

4.根据权利要求3所述的空间用抗电离辐照有源光纤，其特征在于，所述的空间用抗电离辐照有源光纤为双包层光纤。

5.根据权利要求4所述的空间用抗电离辐照有源光纤，其特征在于，所述的双包层光纤的内包层分为第一分层和第二分层，铈或氟掺杂在第一分层。

6.根据权利要求3所述的空间用抗电离辐照有源光纤，其特征在于，所述的空间用抗电离辐照有源光纤为有源光子晶体光纤。

7.根据权利要求6所述的空间用抗电离辐照有源光纤，其特征在于，所述的有源光子晶体光纤的内包层分为第一分层、第二分层和第三分层，铈或氟掺杂在第一分层。

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