CN105207046A - 一种提高掺铒光纤放大器抗辐射能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高掺铒光纤放大器抗辐射能力的方法，当光纤等效掺铒半径与光纤的芯径a之比不变时，通过增大芯径a来提高掺铒光纤放大器的抗辐射能力，<maths num="0001"></maths>其中，λ_c为光纤截止波长，n_co为光纤芯层折射率，n_cl为光纤包层折射率。在光纤掺铒半径与芯径比值一定的情况下，通过增大芯径大小能够显著提高抗辐射的能力。

Description

一种提高掺铒光纤放大器抗辐射能力的方法

技术领域

本发明涉及掺饵光纤放大器技术领域，特别是一种提高掺铒光纤放大器抗辐射能力的方法。

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3000Gy剂量的辐射后，其所测试的EDFA的增益将会衰减10dB。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60Gy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出一种提高掺铒光纤放大器抗辐射能力的方法，在光纤等效掺铒半径与芯径比值一定的情况下，通过增大芯径大小能够显著提高抗辐射的能力。

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提高掺铒光纤放大器抗辐射能力的方法，当光纤等效掺铒半径与光纤的芯径a之比不变时，通过增大芯径a来提高掺铒光纤放大器的抗辐射能力，其中，λ_c为光纤截止波长，n_co为光纤芯层折射率，n_cl为光纤包层折射率。

作为本发明所述的一种提高掺铒光纤放大器抗辐射能力的方法进一步优化方案，所述光纤的芯径a不低于1.4μm。

作为本发明所述的一种提高掺铒光纤放大器抗辐射能力的方法进一步优化方案，所述光纤的芯径a不低于1.399μm。

作为本发明所述的一种提高掺铒光纤放大器抗辐射能力的方法进一步优化方案，所述光纤的芯径a不低于1.398μm。

作为本发明所述的一种提高掺铒光纤放大器抗辐射能力的方法进一步优化方案，所述光纤的芯径a不低于1.397μm。

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：在光纤掺铒半径与芯径比值一定的情况下，通过增大芯径大小能够显著提高抗辐射的能力。

附图说明

图1是掺铒光纤芯层铒离子分布示意图。

图2是无辐射下输出增益不变时，不同芯径a的掺铒光纤需要的长度。

图3是辐射剂量不同时，芯径不同掺铒光纤的增益变化。

图4是芯径不同掺铒光纤的截止波长。

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：

考虑辐射损耗时，信号光和泵浦光的传输方程可以表示为

$\frac{{\mathrm{dP}}_s}{dz}=(g_s\frac{n_2}{n_t}-a_s\frac{n_1}{n_t})P_s-a_{rads}{P}_s---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{dP}}_p}{dz}=(g_p\frac{n_2}{n_t}-a_p\frac{n_1}{n_t})P_p-a_{radp}{P}_p---\left(2\right)$

其中，n₂为激发态粒子数，n₁为基态的粒子，n_t为总的粒子数，P_s表示信号光功率，P_p表示泵浦功率，z表示从光源开始沿着掺铒光纤的某一段距离，t为某一时刻，g_s为无辐射下信号光增益系数，g_p为无辐射下泵浦光增益系数，α_s为无辐射下信号光损耗系数，α_p为无辐射下泵浦光损耗系数，α_rads为信号光的辐射损耗系数，α_radp为泵浦光的辐射损耗系数。为了更好地分析光纤自身的微观性能参数在辐射环境中对EDFA的影响，这里给出Saleh速率方程将(1)(2)转换成微观参数的传输方程。忽略ASE功率，Saleh给出的EDFA速率方程为

$\frac{{\mathrm{dn}}_2(z,t)}{dt}=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{sa}{\mathrm{\&Gamma;}}_s}{{\mathrm{h\&nu;}}_{s}A}{P}_s{n}_1-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{se}{\mathrm{\&Gamma;}}_s}{{\mathrm{h\&nu;}}_{s}A}{P}_s{n}_2+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{pa}{\mathrm{\&Gamma;}}_p}{{\mathrm{h\&nu;}}_{p}A}{P}_p{n}_1-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{pe}{\mathrm{\&Gamma;}}_p}{{\mathrm{h\&nu;}}_{p}A}{P}_p{n}_2-\frac{n_2}{\mathrm{\&tau;}}---\left(3\right)$

n_t(z,t)＝n₁(z,t)+n₂(z,t)(4)

其中，n₂(z,t)为激发态的粒子数密度，n₁(z,t)为基态的粒子数密度，n_t(z,t)表示总的粒子数密度，σ_sa是信号光吸收截面，σ_se是信号光发射截面，σ_pa是泵浦光吸收截面，σ_pe是泵浦光发射截面，Γ_s是信号光模场和掺杂Er³⁺分布之间的重合积分，Γ_p是泵浦光模场和掺杂Er³⁺分布之间的重合积分,h为普朗克常数，ν_s为信号光频率，ν_p为泵浦光频率，A表示等效掺铒截面积，τ是激发态⁴I_13/2的粒子数寿命，其型值为10ms。

EDFA正常工作时处于稳态过程，则有从而可以得到

$n_2=\frac{(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{sa}{\mathrm{\&Gamma;}}_s}{{\mathrm{h\&nu;}}_{s}A}{P}_s+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{pa}{\mathrm{\&Gamma;}}_p}{{\mathrm{h\&nu;}}_{p}A}{P}_p)n_t}{(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{sa}{\mathrm{\&Gamma;}}_s}{{\mathrm{h\&nu;}}_{s}A}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{se}{\mathrm{\&Gamma;}}_s}{{\mathrm{h\&nu;}}_{s}A})P_s+(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{pa}{\mathrm{\&Gamma;}}_p}{{\mathrm{h\&nu;}}_{p}A}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{pe}{\mathrm{\&Gamma;}}_p}{{\mathrm{h\&nu;}}_{p}A})P_p-\frac{1}{\mathrm{\&tau;}}}---\left(5\right)$

此外，对于信号光和泵浦光的辐射损耗系数可以用1310nm波长辐射吸收损来进行估计

$\mathrm{\&alpha;}{\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}_{rad}=\frac{{(1310-{\mathrm{\&lambda;}}_0)}^2}{{(\mathrm{\&lambda;}-{\mathrm{\&lambda;}}_0)}^2}{\mathrm{cR}}^{1-f}{D}^f---\left(6\right)$

其中，λ是信号光或者泵浦光波长，λ₀是一个紫外参考光波长，这里取320nm，R是辐射速率，D是辐射剂量，c和f是调整参数。

将公式(5)稍作变形，如下

$n_2=\frac{(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{sa}{\mathrm{\&Gamma;}}_s}{{\mathrm{h\&nu;}}_s}{P}_s+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{pa}{\mathrm{\&Gamma;}}_p}{{\mathrm{h\&nu;}}_p}{P}_p)n_t}{(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{sa}{\mathrm{\&Gamma;}}_s}{{\mathrm{h\&nu;}}_s}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{se}{\mathrm{\&Gamma;}}_s}{{\mathrm{h\&nu;}}_s})P_s+(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{pa}{\mathrm{\&Gamma;}}_p}{{\mathrm{h\&nu;}}_p}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{pe}{\mathrm{\&Gamma;}}_p}{{\mathrm{h\&nu;}}_p})P_p-\frac{A}{\mathrm{\&tau;}}}---\left(7\right)$

可以看出来n₂只有分母下有等效掺铒截面积A，当A增大时，激发态粒子数n₂就会增加，显然EDFA的增益就会有所提高。基于这一点，我们提出制备大芯径掺铒光纤的方式，来提升EDFA的抗辐射能力。

然而在实际光纤制备中，为了获得单模光纤，光纤的芯径并不能一直增大，需要是光波长大于截止波长。光纤截止波长λ_c与芯径a之间的关系满足

${\mathrm{\&lambda;}}_c=\frac{2\mathrm{\&pi;}a\sqrt{{n_{co}}^2-{n_{cl}}^2}}{2.405}---\left(8\right)$

其中，n_co，n_cl分别为光纤芯层和包层折射率。

$a=\frac{2.405{\mathrm{\&lambda;}}_c}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{{n_{co}}^2-{n_{cl}}^2}}---\left(9\right)$

当光纤等效掺铒半径与光纤的芯径a之比不变时，通过增大芯径a来提高掺铒光纤放大器的抗辐射能力，

图1为掺铒光纤芯层铒离子分布示意图。掺铒光纤在结构上与一般光纤是类似的，主要由包层和芯层组成，区别在于掺铒光纤的芯层中需要掺杂Er³⁺。Er³⁺在芯层中的分布并不是均匀的，而是在径向上发生变化，其中在光纤中心Er³⁺浓度为n(0)。这一变化的分布可以等效为一个在半径r范围内的均匀分布，Er³⁺平均浓度为N，称r是光纤的等效掺铒半径，而πr²即等效掺铒面积A。图中掺铒光纤的芯径为a，在下面的分析中假设r/a是不变的。

设信号光波长为1550nm，信号功率为Ps＝10mW；采用980nm波长光作为泵浦光，泵浦功率为Pp＝2W。等效掺铒半径和芯径比值r/a为1.05/1.4，在(1.2,2.4)μm范围内改变芯径大小。为了对不同芯径的掺铒光纤进行抗辐射性能比较，我们在设计时使它们无辐射环境下的增益保持相同，都在20dB附近，则不同芯径下需要的掺铒光纤长度如图2所示。可以看出，芯径越小需要的掺铒光纤长度越长；当芯径达到2.0μm之后，需要的掺铒光纤长度已经差异不大。这是由于，芯径小的掺铒光纤泵浦效率低，需要更长的作用距离。

如图3所示，当辐射剂量为0Gy时，芯径变化时增益都保持在20dB，这个与图2设计的初始状态是一致的。当辐射剂量增加到500Gy时，2.4μm的光纤增益衰减了2dB，而1.2μm却衰减了6dB。并且对于一定剂量的辐射，小芯径掺铒光纤的增益总是比大芯径的低。随着辐射的增加，大小芯径掺铒光纤增益衰减量之差越来越大。当辐射剂量增加到3000Gy时，2.4μm掺铒光纤的增益比1.22μm的要高出近10dB。

图4是光纤截止波长随着芯径增加的变化趋势。一般光纤芯层与包层折射率差1％，这边设芯层折射率为n_co＝1.46。可以看出来，光纤截止波长与芯径成线性关系，为了使1550nm光单模传输，则芯径a需要小于2.88μm。一般掺铒光纤光纤芯径不会低于1.4μm，这是因为当芯径明显小于光波长之后，光的一部分模场会在包层传输，此时光容易受到包层表面形态和外部环境影响。

综上可知，当等效掺铒半径与芯径之比不变时，增大芯径能够提高掺铒光纤的抗辐射能力，并且为了达到一定增益时需要的掺铒光纤长度也较短。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种提高掺铒光纤放大器抗辐射能力的方法，其特征在于，当光纤等效掺铒半径与光纤的芯径a之比不变时，通过增大芯径a来提高掺铒光纤放大器的抗辐射能力，其中，λ_c为光纤截止波长，n_co为光纤芯层折射率，n_cl为光纤包层折射率。

2.根据权利要求1所述的一种提高掺铒光纤放大器抗辐射能力的方法，其特征在于，所述光纤的芯径a不低于1.4μm。

3.根据权利要求1所述的一种提高掺铒光纤放大器抗辐射能力的方法，其特征在于，所述光纤的芯径a不低于1.399μm。

4.根据权利要求1所述的一种提高掺铒光纤放大器抗辐射能力的方法，其特征在于，所述光纤的芯径a不低于1.398μm。

5.根据权利要求1所述的一种提高掺铒光纤放大器抗辐射能力的方法，其特征在于，所述光纤的芯径a不低于1.397μm。