CN104181749B - 一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器,包括接收模块、泵浦发射模块、辐射探测模块、控制模块、1×n第一光开关、1×n第二光开关、n根长度不同的掺铒光纤和合路器；其中，n为大于或者等于2的整数；本发明还公开了一种用于使掺铒光纤放大器具有高抗辐射特性的方法。本发明从掺铒光纤的工作特性出发，对不同辐射剂量配以不同长度以及泵浦光功率，把多种配置组合起来，实现掺铒光纤放大器的配置随所受辐射剂量的动态调整。本发明能够提高掺铒光纤放大器的抗辐射能力，减少掺铒光纤放大器增益由于受到辐射而引起的衰减。本发明硬件的设计与制作过程都不复杂，便于大批量的制作与投入使用。

Description

一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器及方法

技术领域

本发明涉及掺铒光纤放大器，特别是一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器及方法。

背景技术

在以往的长距离光纤通信系统中，通常在通信线路上建设大量的电中继站，对信号进行接收、转换再放大，来减少信号的衰减与色散。随着大信息时代的来临，传统的电中继由于其数据处理的电子瓶颈，已经不能适应人们对于高速率通信的需求。20世纪80年代，掺铒光纤放大器（EDFA）的问世，对于通信领域来说，具有跨时代的意义。由于EDFA直接对光信号进行放大，且具有高增益、低噪声、长带宽、结构简单、不受偏振态影响等优点，一经推出就迅速得到广泛的使用。随着NASA与ESA多项空间光通信项目的开展，EDFA也渐渐进入空间通信领域的应用之中。传统的空间光通信技术采用直接调制技术，即仅仅依靠于半导体激光器，但是星间通信或者星地通信链路上是没有中继站对信号进行放大的。由于需要调制系统输出比较大的光功率，传统的仅依赖激光器而没有放大器的发射端是不能满足日益增长的传输速率的。EDFA的应用可以在很大程度上解决这一问题。

然而，卫星运行在太空轨道中时，其各个组件要面临强烈的空间辐射，组件的性能受到的影响不可忽视。一些研究小组对于这一问题也进行了相关探索，其中O. Berne’s小组的研究尤为突出。O. Berne’s证明了在受到3000 Gy剂量的辐射后，其所测试的EDFA的增益将会衰减10 dB。但是他认为，实际空间通信系统中，EDFA将被铝板保护，因而其实际上相当于只受到60 Gy剂量的辐射，而这样的辐射对于EDFA的影响是很微弱的。但事实上，铝板只是对于电子辐射有较好的屏蔽作用，而对于其他高能粒子（如伽马粒子）的辐射的抵抗效果不大。并且按照航天领域惯有的冗余设计理念，光通信系统的设计人员也不会采用这么低的辐射剂量进行设计。现有研究EDFA辐射特性的文献并不少，对于抗辐射EDFA的研究也更多依靠实验对材质进行改变，缺乏理论研究，且现有技术中没有给出符合实际系统的高抗辐射EDFA。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器及方法，通过将不同长度的掺铒光纤和功率可调泵浦激光器组合起来，实现了掺铒光纤放大器的配置随辐射剂量动态调整的放大器，能够明显地提高掺铒光纤放大器的抗辐射能力，减少掺铒光纤放大器增益由于受到辐射而引起的衰减。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器，包括接收模块、泵浦发射模块、辐射探测模块、控制模块、1×n第一光开关、1×n第二光开关、n根长度不同的掺铒光纤和合路器，n为大于或者等于2的整数；其中，

接收模块用于接收空间中的激光信号，该激光信号依次经1×n第一光开关、并行排列的n根掺铒光纤后输入至合路器；

泵浦发射模块用于输出泵浦光，该泵浦光依次经1×n第二光开关、并行排列的n根掺铒光纤后输入至合路器；

辐射探测模块用于探测空间中的辐射功率并发送至控制模块；

所述控制模块包括存储单元、处理单元和选通单元；其中，

存储单元用于预先存储n根长度不同的掺铒光纤以及各自对应的辐射剂量；

处理单元用于将接收的辐射功率经处理得到累计辐射剂量；

选通单元用于当累计辐射剂量达到预先存储的某一辐射剂量时，选通与该辐射剂量所对应的掺铒光纤，使得激光信号和泵浦光均通过该选通的掺铒光纤输入至合路器。

作为本发明的一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器的进一步优化的方案，所述掺铒光纤的长度的选取：预先选定不同辐射剂量与初始泵浦光功率，此时掺铒光纤放大器的最大增益对应的最佳光纤长度即为该辐射剂量下对应掺铒光纤的长度。

作为本发明的一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器的进一步优化的方案，所述控制模块还用于控制泵浦光的功率，通过提高泵浦光的功率来提高掺铒光纤放大器的增益。

作为本发明的一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器的进一步优化的方案，所述接收模块为接收天线，所述泵浦发射模块为泵浦激光器，所述辐射探测模块为辐射探测器，所述控制模块为微型计算机。

作为本发明的一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器的进一步优化的方案，所述泵浦激光器输出波长为980纳米的泵浦光。

作为本发明的一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器的进一步优化的方案，所述辐射探测器为半导体电探测器。

根据本发明提出的一种用于使掺铒光纤放大器具有高抗辐射特性的方法，包括以下步骤：

步骤一、预先选定n个不同辐射剂量，将各辐射剂量与初始泵浦光功率进行计算得到在该辐射剂量下，掺铒光纤放大器最大增益所对应的掺铒光纤长度作为该辐射剂量下对应的掺铒光纤的长度，并将其存储；

步骤二、将n根掺铒光纤并行排列，并将其分别与1×n第一光开关、1×n第二光开关连接，所述1×n第一光开关用于传输激光信号，1×n第二光开关用于传输泵浦光；

步骤三、探测空间中的辐射功率，辐射功率经处理得到累计辐射剂量；

步骤四、当步骤三中的累计辐射剂量达到步骤一中预先存储的某一辐射剂量时，通过1×n第一光开关、1×n第二光开关控制与该辐射剂量所对应的掺铒光纤选通，使得激光信号和泵浦光均通过该选通的掺铒光纤输入至合路器；

步骤五、随着累计辐射剂量的增加，在累计辐射剂量还未达到其它掺铒光纤对应的辐射剂量时，仍然选通此掺铒光纤，直到辐射剂量达到其它掺铒光纤对应的辐射剂量时，则控制其它掺铒光纤选通。

作为本发明的一种用于使掺铒光纤放大器具有高抗辐射特性的方法的进一步优化的方案，所述掺铒光纤的长度的选取：预先选定不同辐射剂量与初始泵浦光功率，此时掺铒光纤放大器的最大增益对应的最佳光纤长度即为该辐射剂量下对应掺铒光纤的长度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：（1）本发明从掺铒光纤的工作特性出发，对不同辐射剂量配以不同长度以及泵浦光功率，通过将不同长度的掺铒光纤和功率可调泵浦激光器组合起来，实现了掺铒光纤放大器的配置随辐射剂量动态调整的放大器，能够明显地提高掺铒光纤放大器的抗辐射能力，减少掺铒光纤放大器增益由于受到辐射而引起的衰减。（2）本发明不需要从光纤的材料成分入手，避免了材料掺杂带来的复杂实验过程以及高工艺要求，本发明硬件装置的设计与制作过程都不复杂，便于大批量的制作与投入空间通信领域的使用。（3）本发明的EDFA性能的改善，对于光通信信通来说，其误码率将会有显著的降低，而且此配置调整模块不需要对光纤材料内部成分进行改变，避免了改变掺杂成分时的偶然性与不确定性，易于设计且可控性强。

附图说明

图1是本发明的一种实施例示意图。

图2是不同辐射剂量下，EDFA的增益随EDF长度变化图。

图3是不同长度EDF，在辐射剂量为0Gy和1000Gy时的增益随泵浦光功率变化图。

图4是三种调整方案下，EDFA增益随辐射剂量的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明利用O. Berne’s的理论模型，在研究EDFA增益特性的基础上，构建了一个配置随辐射剂量变化动态可调的EDFA。一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器，包括接收模块、泵浦发射模块、辐射探测模块、控制模块、1×n第一光开关、1×n第二光开关、n根长度不同的掺铒光纤和合路器，n为大于或者等于2的整数；其中，

接收模块用于接收空间中的激光信号，该激光信号依次经1×n第一光开关、并行排列的n根掺铒光纤后输入至合路器；

泵浦发射模块用于输出泵浦光，该泵浦光依次经1×n第二光开关、并行排列的n根掺铒光纤后输入至合路器；

辐射探测模块用于探测空间中的辐射功率并发送至控制模块；

所述控制模块包括存储单元、处理单元和选通单元；其中，

存储单元用于预先存储n根长度不同的掺铒光纤以及各自对应的辐射剂量；

处理单元用于将接收的辐射功率经处理得到累计辐射剂量；

选通单元用于当累计辐射剂量达到预先存储的某一辐射剂量时，选通与该辐射剂量所对应的掺铒光纤，使得激光信号和泵浦光均通过该选通的掺铒光纤输入至合路器。

所述掺铒光纤的长度的选取：预先选定不同辐射剂量与初始泵浦光功率，此时掺铒光纤放大器的最大增益对应的最佳光纤长度即为该辐射剂量下对应掺铒光纤的长度。所述控制模块还用于控制泵浦光的功率，通过提高泵浦光的功率来提高掺铒光纤放大器的增益。所述接收模块为接收天线，所述泵浦发射模块为泵浦激光器，所述辐射探测模块为辐射探测器，所述控制模块为微型计算机。

合路器用于输出光信号，合路器与n根掺铒光纤的输出端连接，使得选择不同掺铒光纤作为传输路径时，共用同一个输出端口。

所述掺铒光纤的长度的选取：预先选定不同辐射剂量与泵浦激光器输出的初始泵浦光功率，此时掺铒光纤放大器的最大增益对应的最佳光纤长度即为该辐射剂量下对应掺铒光纤的长度。在一定辐射环境下，给定一个初始泵浦光功率，掺铒光纤放大器在此状态下对应一个最佳工作长度。n根掺铒光纤长度是由n种不同辐射剂量与初始泵浦光功率的组合决定的，辐射剂量的设定，可以离散等间隔设定。初始泵浦光功率可以相同也可以等间隔增加。这样可以保证组合的有序性。辐射会使掺铒光纤放大器的增益衰减；在泵浦光功率不变时掺铒光纤放大器的最佳工作长度（EDFA增益最大时对应的EDF长度）会随着辐射剂量增加而变短；而增加泵浦光功率在一定程度能够提高掺铒光纤的增益，且掺铒光纤越长增益提高的效果越明显。

泵浦激光器输出波长为980纳米的泵浦光，泵浦激光器的功率可调，微型计算机控制1×n第二光开关为泵浦光选通道某一掺铒光纤，同时控制泵浦光功率的初始化与调节，微型计算机还用于控制泵浦光的功率，通过提高泵浦光的功率来提高掺铒光纤放大器的增益。

辐射探测器为半导体电探测器，将空间中的辐射功率转换为电信号，输出信号形式可为电流或者电压信号，由微型计算器处理计算出单位面积的辐射功率（辐照度），再进一步计算出掺铒光纤受到的累积辐射剂量。当装配方式相同时，掺铒光纤的表面积与其长度成正比，则在受到相同辐射时间时，同一辐射环境内的光纤受到的辐射能量与其长度成正比。但掺铒光纤的质量也是与长度成正比的，因而根据辐射剂量的定义（物体单位质量所受到的辐射能量），同一辐射环境内，辐射时间相同的掺铒光纤，受到的累积辐射剂量是相同的。

微型计算机用于卫星在太空中运作时的自动控制以及数据处理，微型计算机包括模数转换器、数模转换器、处理器、控制器等核心部分。模数转换器将由辐射探测器传递的模拟信号转换为数字信号，处理器处理这些数字信号并将结果传递给控制器，控制器据此给1×n第一光开关、1×n第二光开关发送指令选通某一掺铒光纤，同时发指令给泵浦激光器对其进行功率控制，数模转换器将指令翻译成模拟信号以实现光开光和泵浦激光器的具体操作。

一种用于使掺铒光纤放大器具有高抗辐射特性的方法，包括以下步骤：

步骤一、预先选定n个不同辐射剂量，将各辐射剂量与初始泵浦光功率进行计算得到在该辐射剂量下，掺铒光纤放大器最大增益所对应的掺铒光纤长度作为该辐射剂量下对应的掺铒光纤的长度，并将其存储；

步骤二、将n根掺铒光纤并行排列，并将其分别与1×n第一光开关、1×n第二光开关连接，所述1×n第一光开关用于传输激光信号，1×n第二光开关用于传输泵浦光；

步骤三、探测空间中的辐射功率，辐射功率经处理得到累计辐射剂量；

步骤四、当步骤三中的累计辐射剂量达到步骤一中预先存储的某一辐射剂量时，通过1×n第一光开关、1×n第二光开关控制与该辐射剂量所对应的掺铒光纤选通，使得激光信号和泵浦光均通过该选通的掺铒光纤输入至合路器；

步骤五、随着累计辐射剂量的增加，在累计辐射剂量还未达到其它掺铒光纤对应的辐射剂量时，仍然选通此掺铒光纤，直到辐射剂量达到其它掺铒光纤对应的辐射剂量时，则控制其它掺铒光纤选通。

所述掺铒光纤的长度的选取：预先选定不同辐射剂量与初始泵浦光功率，此时掺铒光纤放大器的最大增益对应的最佳光纤长度即为该辐射剂量下对应掺铒光纤的长度。

如图1所示，为本发明的一种实施例，包括接收天线、泵浦激光器、辐射探测器、微型计算机、1×4第一光开关、1×4第二光开关、4根长度不同的掺铒光纤和合路器；其中：所述接收天线用于收集空间中的光信号，并传送给1×4第一光开关的输入端；1×4第一光开关用于将激光信号注入某一根掺铒光纤，1×4第二光开关用于将泵浦激光器输出的泵浦光注入同一根光纤，组成掺铒光纤放大器；并行排列4根不同长度的掺铒光纤，一端分别与1×4第一光开关、1×4第二光开关的各个输出端连接，另一端接入合路器，掺铒光纤的长度由适应的辐射剂量与采用的初始泵浦光功率共同决定在一定辐射环境下，给定一个初始泵浦光功率，掺铒光纤放大器在此状态下对应一个最佳工作长度。n根掺铒光纤长度是由n种不同辐射剂量与初始泵浦光功率的组合决定的。泵浦激光器与1×4第二光开关的输入端连接，作为掺铒光纤的激励光，为光的放大提供能量；合路器与所有掺铒光纤输出端连接，使得选择不同掺铒光纤作为传输路径时，共用同一个输出端口；辐射探测器探测空间中的辐射功率，并以电信号的形式传递给微型计算机；微型计算机，一方面接收辐射探测器传递的信号，计算出掺铒光纤受到的累计辐射剂量后，向1×4第一光开关、1×4第二光开关发送指令为激光信号与泵浦光选择某一光纤。

如图2所示,为不同辐射剂量下，EDFA的增益随EDF长度变化图。将泵浦激光器输出泵浦光的功率（后面简称泵浦光功率）保持在20mW，测试在不同辐射剂量下EDFA的最佳工作长度，本发明采用0Gy、1000Gy、2000Gy、3000Gy、4000Gy和5000Gy的辐射剂量。可以看到，随着辐射剂量的增加，EDFA的增益会有明显的衰减，但这种衰减渐渐趋于饱和。而最佳工作长度，也随着辐射剂量的增加而变短。

如图3所示,为不同长度EDF，在辐射剂量为0Gy和1000Gy时的增益随泵浦光功率变化图。选取4根EDF，其长度分别对应于图2中0Gy、1000Gy、2000Gy和3000Gy辐射剂量下EDFA最佳工作长度（取整数，单位：米）。测试这4根EDF在受到0Gy与1000Gy辐射剂量下的增益随泵浦光功率变化特性，这里泵浦光功率由0mW均匀增长到80mW。着重观察34m与27m这两根EDF的增益-泵浦特性。1000Gy辐射下，泵浦光功率为20 mW处，27m长的EDF的增益要高于其他3根EDF，因为它正工作在其最佳工作长度上，这与图2中的结果相符合。在泵浦光功率达到32mW后，34m EDF的增益开始超过27m的，但是其它2根EDF的增益始终小于27m 的EDF。由此可以说明三点：首先，当EDF长度越大，其更易受辐射影响，因为这个时候的泵浦光功率不足以支持光在这么长的距离的持续放大；其次，当功率增加时，长EDF的增益会随之增大；最后，泵浦光功率由20mW到32mW这一段，可以通过增加泵浦光功率进一步提高受辐射后EDF的增益。

图4是三种调整方案下，EDFA增益随辐射剂量的变化图。如图4中所示,无辐射环境下20mW的泵浦光功率时EDFA最佳工作长度为34m，使EDFA受到的辐射剂量从0Gy均匀增长到5000Gy，EDFA不做任何调整。

结合图2和图3的EDFA增益特性分析可知，提高辐射环境下EDFA的增益有三种方案：

如图4中所示，方案一，只在特定辐射剂量改变掺铒光纤长度。泵浦光功率保持20mW不变，EDF的长度L1~L4分别为34m、27m、25m和23m，这4种长度对应于0Gy、1000Gy、2000Gy和3000Gy辐射剂量时EDFA的最佳工作长度。当EDF受到的累积辐射剂量达到上述4种的某一值时，就将1×4第一光开关、1×4第二光开关选通到此值对应长度的EDF，在此之前掺铒光纤不作变动。可以看到当辐射剂量达到5000Gy时，方案一可以使EDFA增益比无调整时提高3dB。

如图4所示，方案二，只适当增加泵浦光功率。EDF的长度保持L1（34m）不变，在辐射剂量由0Gy增至5000Gy过程中，使泵浦光功率由20mW均匀增加至80mW。可以看到当辐射剂量达到5000Gy时，方案二可以使EDFA增益比无调整时提高4dB。

如图4所示，方案三，在某一剂量下改变掺铒光纤长度后适当增加泵浦光功率。在0Gy、1000Gy、2000Gy和3000Gy辐射剂量下改变EDF的长度，4根EDF的长度L1~L4为对应辐射剂量与对应初始泵浦光功率的条件下EDFA的最佳工作长度。在此仿真增益与泵浦光功率的关系时，泵浦光功率为80mW时四根EDF基本上都达到了饱和状态（增益没有明显增长），所以在此将四根掺铒光纤的初始泵浦光功率设置为20mW，32mW，44mW，56mW。当空间中EDF受到的剂量在0~1000Gy时，泵浦由20mW~32mW随辐射剂量等比例增长。初始泵浦光功率分别为20mW、32mW、44mW和56mW，L1~L4分别为34m、28m、26m和25m（EDF的长度计算方法为某根EDF所受辐射剂量和相应初始泵浦功率下其增益最大时对应的长度）。当EDF受到的累积辐射剂量达到上述4种辐射剂量的某一个时，就将1×4第一光开关、1×4第二光开关选通到此值对应长度的EDF，之后泵浦光功率随辐射剂量增加做等比例增加，直到下一个更高剂量对应EDF的初始泵浦光功率。在此之前1×4第一光开关、1×4第二光开关都不作变动。可以看到当辐射剂量达到5000Gy时，方案三可以使EDFA增益比无调整时提高7dB。

综上可知，当将泵浦光功率以及对应的EDF长度按照方案三设计时，可以使本发明过程中设计的EDFA模块的增益，在受到5000Gy的辐射后，比没有调整时少衰减7dB。并且，本发明硬件装置不需要对EDFA的材料成分做改善，仅仅基于不同配置的组合，易于实现。对于空间通信系统来说，放大器性能的提升将明显改善系统性能，降低传输误码率，为空间高速率通信提供更加可靠的技术支持。

Claims (8)

1.一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器，其特征在于，包括接收模块、泵浦发射模块、辐射探测模块、控制模块、1×n第一光开关、1×n第二光开关、n根长度不同的掺铒光纤和合路器，n为大于或者等于2的整数；其中，

接收模块用于接收空间中的激光信号，该激光信号依次经1×n第一光开关、并行排列的n根掺铒光纤后输入至合路器；

泵浦发射模块用于输出泵浦光，该泵浦光依次经1×n第二光开关、并行排列的n根掺铒光纤后输入至合路器；

辐射探测模块用于探测空间中的辐射功率并发送至控制模块；

所述控制模块包括存储单元、处理单元和选通单元；其中，

存储单元用于预先存储n根长度不同的掺铒光纤以及各自对应的辐射剂量；

处理单元用于将接收的辐射功率经处理得到累计辐射剂量；

选通单元用于当累计辐射剂量达到预先存储的某一辐射剂量时，选通与该辐射剂量所对应的掺铒光纤，使得激光信号和泵浦光均通过该选通的掺铒光纤输入至合路器。

2.根据权利要求1所述的一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器，其特征在于，所述掺铒光纤的长度的选取：预先选定不同辐射剂量与初始泵浦光功率，此时掺铒光纤放大器的最大增益对应的最佳光纤长度即为该辐射剂量下对应掺铒光纤的长度。

3.根据权利要求1所述的一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器，其特征在于，所述控制模块还用于控制泵浦光的功率，通过提高泵浦光的功率来提高掺铒光纤放大器的增益。

4.根据权利要求1所述的一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器，其特征在于，所述接收模块为接收天线，所述泵浦发射模块为泵浦激光器，所述辐射探测模块为辐射探测器，所述控制模块为微型计算机。

5.根据权利要求4所述的一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器，其特征在于，所述泵浦激光器输出波长为980纳米的泵浦光。

6.根据权利要求4所述的一种具有高抗辐射特性的掺铒光纤放大器，其特征在于，所述辐射探测器为半导体电探测器。

7.一种用于使掺铒光纤放大器具有高抗辐射特性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、预先选定n个不同辐射剂量，将各辐射剂量与初始泵浦光功率进行计算得到在该辐射剂量下，掺铒光纤放大器最大增益所对应的掺铒光纤长度作为该辐射剂量下对应的掺铒光纤的长度，并将其存储；

步骤二、将n根掺铒光纤并行排列，并将其分别与1×n第一光开关、1×n第二光开关连接，所述1×n第一光开关用于传输激光信号，1×n第二光开关用于传输泵浦光；

步骤三、探测空间中的辐射功率，辐射功率经处理得到累计辐射剂量；

步骤四、当步骤三中的累计辐射剂量达到步骤一中预先存储的某一辐射剂量时，通过1×n第一光开关、1×n第二光开关控制与该辐射剂量所对应的掺铒光纤选通，使得激光信号和泵浦光均通过该选通的掺铒光纤输入至合路器；

步骤五、随着累计辐射剂量的增加，在累计辐射剂量还未达到其它掺铒光纤对应的辐射剂量时，仍然选通此掺铒光纤，直到辐射剂量达到其它掺铒光纤对应的辐射剂量时，则控制其它掺铒光纤选通。

8.根据权利要求7所述的一种用于使掺铒光纤放大器具有高抗辐射特性的方法，其特征在于，所述掺铒光纤的长度的选取：预先选定不同辐射剂量与初始泵浦光功率，此时掺铒光纤放大器的最大增益对应的最佳光纤长度即为该辐射剂量下对应掺铒光纤的长度。