CN105226489A - 一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦edwa及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA，包括接收模块、泵浦发射模块、辐射探测模块、控制模块和光传输模块；所述光传输模块包括1×n波导光开关、n根不同浓度的掺铒波导条和波导耦合器，所述控制模块包括存储单元、处理单元和选通单元；其中，n为大于1的整数；本发明还公开了一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦的EDWA的实现方法，本发明能够提高掺铒波导放大器的抗辐射能力，提高泵浦效率，保持恒定输出功率。本发明利用已有的质子交换技术实现掺铒波导浓度的改变，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

一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA及其实现方法

技术领域

本发明涉及掺饵波导放大器，特别是一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA及其实现方法。

背景技术

1969年Miller博士提出集成光学的概念，1972年Somekh和Yariv提出在同一衬底上同时集成光、电子器件的构想。但是，相比在晶体上集成光学器件及通路，在硅片上大规模集成电路更加容易和稳定，因而后者得到广泛应用。

随着现代高科技的飞速发展，对集成电路微型以及高速化的要求不断提高，以电子作为信息载体的局限性不断的被暴露出来。与电子相比，光子具有更多的信息容量、更高的效率、更快的响应速度、更强的互连能力和并行能力、更大的存储量、更低的能量损耗。

而长期以来晶体光学集成的局限性在于，人们希望能够很好地把非线性和激光性相结合，获得复合功能的晶体材料。尽管这一功能看起来不难实现，但实际上，由于激光晶体和非线性晶体分别有实现其自身功能的不同要求，往往具有良好激光性能的晶体并不具有非线性，而优良的非线性光学晶体并不能为激活离子提供可产生激光运转的格位。所以，目前只有少数几种晶体能同时满足这两方面的要求。

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，一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA及其实现方法，通过在LiNbO₃晶体上集成光波导，实现了掺铒波导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波导放大器的抗辐射能力，减少掺铒波导放大器增益由于受到辐射而引起的衰减，提高泵浦效率并保持恒定功率输出。

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可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA，包括接收模块、泵浦发射模块、辐射探测模块、控制模块和光传输模块；所述光传输模块包括1×n波导光开关、n根不同浓度的掺铒波导条和波导耦合器，所述控制模块包括存储单元、处理单元和选通单元；其中，n为大于1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波导光开关、并行排列的n根不同浓度的掺铒波导条后输入至波导耦合器；

泵浦发射模块用于输出泵浦光，该泵浦光依次经1×n波导光开关、并行排列的n根不同浓度的掺铒波导条后输入至波导耦合器；

辐射探测模块用于探测空间中的辐射功率并发送至处理单元；

存储单元用于预先存储n根不同浓度的掺饵波导条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饵波导条，使得激光信号和泵浦光均通过该选通的掺饵波导条输入至波导耦合器。

作为本发明所述的一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA进一步优化方案，还包括反馈电路，波导耦合器输出两路光，一路作为输出，另一路依次经反馈电路、控制模块、泵浦激光器构成的负反馈系统；控制模块用于控制泵浦发射模块输出的泵浦光的功率，通过调整泵浦光的功率来保持波导耦合器的输出功率恒定。

作为本发明所述的一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA进一步优化方案，所述1×n波导光开关、掺铒波导条和波导耦合器均刻蚀在LiNbO₃晶体上。

作为本发明所述的一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA进一步优化方案，所述掺铒波导条的掺铒浓度的选取：设定EDWA额定输出功率，选择掺铒波导条长度；选定不同辐射剂量，在达到最佳泵浦效率时的输入泵浦光功率和掺铒波导铒离子浓度即对应初始泵浦输入功率和掺铒波导条的掺铒浓度。

作为本发明所述的一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA进一步优化方案，所述1×n波导光开关的导通是通过控制电压进行的。

作为本发明所述的一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA进一步优化方案，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。

作为本发明所述的一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA进一步优化方案，所述泵浦激光器输出波长为980纳米的泵浦光。

作为本发明所述的一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA进一步优化方案，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可用于空间辐射环境的高效率泵浦的EDWA的实现方法，包括以下步骤：

步骤一、根据预定的EDWA输出功率，选定n根不同浓度的掺铒波导条的长度；

步骤二、预先选定n个不同辐射剂量，将各辐射剂量与恒定输出功率进行计算得到在该辐射剂量下，最佳泵浦效率对应的输入泵浦光功率和掺饵波导条的掺铒浓度，并将其存储；

步骤三、在LiNbO₃晶体上并行排列刻蚀1×n波导光开关、n根掺饵波导条和波导耦合器，并将其顺次连接，所述1×n波导光开关用于传输激光信号、泵浦光；

步骤四、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；

步骤五、当步骤四中的累计辐射剂量达到步骤二中预先存储的某一辐射剂量时，通过控制电压，进行1×n波导光开关与该辐射剂量所对应的掺饵波导条的选通，使得激光信号和泵浦光均通过该选通的掺饵波导条输入至波导耦合器；

步骤六、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波导条对应的辐射剂量时，仍然选通此掺铒波导条，直到辐射剂量达到其它掺铒波导条对应的辐射剂量时，则控制其它掺铒波导条的选通；

步骤七、波导耦合器输出两路光，一路作为输出，另一路依次经反馈电路、控制模块、泵浦激光器构成的负反馈系统；控制模块用于控制泵浦发射模块输出的泵浦光的功率，通过调整泵浦光的功率来保持波导耦合器的输出功率恒定。

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)本发明从掺铒波导结构的特性出发，对不同辐射剂量配以不同浓度的掺铒波导条以及泵浦光功率，通过将不同浓度的掺铒波导条和功率可调的泵浦激光器组合起来，实现了掺铒波导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波导放大器的抗辐射能力，减少掺铒波导放大器增益由于受到辐射而引起的衰减；

(2)本发明利用波导结构简单，可以利用质子交换技术实现浓度变化的特点，替代了以往光纤不易改变浓度的局限性，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EDWA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集成在LiNbO₃晶体芯片上，方便易操作，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是光传输模块中的LiNbO₃晶体集成芯片示意图。

图中的附图标记解释为：1-LiNbO₃晶体，2-接收模块，3-波导光开关，4-电极，5-掺铒波导条，6-波导耦合器，7-第一输出端，8-第二输出端。

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：

本发明即利用LiNbO₃晶体的光学特性，采用集成光学平面工艺，在晶体上制作光学回路和光学器件，不仅可以实现要求的全部光学功能，运用于外太空抗辐射的条件下，而且能以低的成本，可靠、重复地生产大量高性能的EDWA。因而高效率泵浦EDWA的推广应用，与晶体集成光学技术的发展有十分密切的关系。

如图1所示，本发明利用O.Berne’s的理论模型，在研究EDWA泵浦效率的基础上，构建了一个配置随辐射剂量变化动态可调的EDWA。一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA，包括接收模块2、泵浦发射模块、辐射探测模块、控制模块和光传输模块；图2是光传输模块中的LiNbO₃晶体集成芯片示意图，电极4用来接电源，所述光传输模块包括1×n波导光开关3、n根不同浓度的掺铒波导条5和波导耦合器6，所述控制模块包括存储单元、处理单元和选通单元；其中，n为大于1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1×n波导光开关、并行排列的n根不同浓度的掺铒波导条后输入至波导耦合器；

泵浦发射模块用于输出泵浦光，该泵浦光依次经1×n波导光开关、并行排列的n根不同浓度的掺铒波导条后输入至波导耦合器；

辐射探测模块用于探测空间中的辐射功率并发送至处理单元；

存储单元用于预先存储n根不同浓度的掺饵波导条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饵波导条，使得激光信号和泵浦光均通过该选通的掺饵波导条输入至波导耦合器。

本发明还包括反馈电路，波导耦合器输出两路光，如图2所示，第一输出端7与第二输出端7；第一输出端这一路作为输出，另一路即为第二输出端依次经反馈电路、控制模块、泵浦激光器构成的负反馈系统；控制模块用于控制泵浦发射模块输出的泵浦光的功率，通过调整泵浦光的功率来保持波导耦合器的输出功率恒定。

所述1×n波导光开关、掺铒波导条和波导耦合器均刻蚀在LiNbO₃晶体1上。

所述1×n波导光开关的导通是通过控制电压进行的。

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。

所述辐射探测器为半导体电探测器。

波导耦合器用于输出光信号和提供反馈信号，波导耦合器与n根掺饵波导条的输出端连接，使得选择不同掺铒波导条作为传输路径时，共用同一个输出端口。

所述掺铒波导条掺铒浓度的选取：预先设定额定输出功率，选择合适的掺铒波导条长度，选定不同辐射剂量，此时掺铒放大器的泵浦最佳效率对应掺铒浓度和泵浦输入光功率即为该辐射剂量下对应掺铒波导条掺铒浓度和初始泵浦输入光功率。n根掺铒波导条浓度是由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。

实验表明，对于相同输入能量，在光纤长度相同的条件下，高浓度光纤可在小泵浦下可以实现同样的输出功率，而此时对应的低浓度光纤情况，可在大泵浦下实现同样的输出功率。但是，此时会涉及泵浦效率问题。对于相同长度的光纤，在保持恒定输出功率的条件下，降低泵浦能量可以有效提高泵浦效率。由于光纤改变掺杂离子浓度比较困难，我们用具有相同特性的光波导结构来替代光纤，采用发展较成熟的质子交换技术，改变光波导中的掺铒浓度，从而达到对于不同辐射量采用不同浓度掺铒光波导，在输出功率一定的条件下，提高泵浦效率的目的。

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，控制模块可为微型计算机，微型计算机和负反馈回路控制输入泵浦功率，以保持恒定的输出功率和较高泵浦效率。

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波导受到的累积辐射剂量。当装配方式相同时，可以通过在LiNbO₃晶体上做出类似掺铒光纤的掺铒光波导结构，这样方便修改掺铒波导中掺铒浓度，对于相同输入能量，在相同长度，高浓度掺铒波导条可在小泵浦下可以实现同样的输出功率，提高了泵浦效率。

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波导光开关发送指令选通某一掺铒波导条，同时发指令给泵浦激光器对其进行输出功率控制，数模转换器将指令翻译成模拟信号以实现波导光开光和泵浦激光器的具体操作。

一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦的EDWA的实现方法，包括以下步骤：

步骤一、根据预定的EDWA输出功率，选定n根不同浓度的掺铒波导条的长度；

步骤二、预先选定n个不同辐射剂量，将各辐射剂量与恒定输出功率进行计算得到在该辐射剂量下，最佳泵浦效率对应的输入泵浦光功率和掺饵波导条的掺铒浓度，并将其存储；

步骤三、在LiNbO₃晶体上并行排列刻蚀1×n波导光开关、n根掺饵波导条和波导耦合器，并将其顺次连接，所述1×n波导光开关用于传输激光信号、泵浦光；

步骤四、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；

步骤五、当步骤四中的累计辐射剂量达到步骤二中预先存储的某一辐射剂量时，通过控制电压，进行1×n波导光开关与该辐射剂量所对应的掺饵波导条的选通，使得激光信号和泵浦光均通过该选通的掺饵波导条输入至波导耦合器；

步骤六、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波导条对应的辐射剂量时，仍然选通此掺铒波导条，直到辐射剂量达到其它掺铒波导条对应的辐射剂量时，则控制其它掺铒波导条的选通；

步骤七、波导耦合器输出两路光，一路作为输出，另一路依次经反馈电路、控制模块、泵浦激光器构成的负反馈系统；控制模块用于控制泵浦发射模块输出的泵浦光的功率，通过调整泵浦光的功率来保持波导耦合器的输出功率恒定。

为保持EDWA输出功率恒定，波导耦合器的输出功率经反馈电路输出至控制模块，当波导耦合器的输出功率高于额定输出功率时，输入泵浦光功率降低，当输出功率低于额定输出功率时，输入泵浦光功率增加。

所述掺铒波导条的掺铒浓度的选取：先设定额定输出功率，选择合适的掺铒波导条长度，选定不同辐射剂量，此时掺铒波导放大器的泵浦最佳效率对应掺铒浓度和泵浦输入光功率即为该辐射剂量下对应掺铒波导条掺铒浓度和初始泵浦输入光功率。

本发明的一种实施例，包括接收模块、泵浦激光器、辐射探测器、微型计算机、1×6波导光开关、6根掺铒浓度不同的掺铒波导条和波导耦合器；其中：所述接收端用于输入光信号，并传送给1×6波导光开关的输入端；1×6波导光开关用于将激光信号注入某一根掺铒波导条，并且在计算机处理后泵浦激光器输出为保持恒定输出功率所对应的泵浦光注入同一波导条，组成掺铒波导放大器；并行排列6根不同浓度的掺铒波导条，一端分别与1×6波导光开关各个输出端连接，另一端接入波导耦合器，掺铒波导条的掺铒浓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，掺铒波导放大器在此状态下对应一个最佳泵浦效率和掺铒浓度。n根掺铒波导浓度是由n种不同辐射剂量与初始泵浦光功率的组合决定的。泵浦激光器与输出端及微型计算机构成负反馈，作为掺铒波导的激励光，为光的放大提供能量，同时为保持EDWA恒定输出，由计算机计算所需泵浦光功率；合路器与所有掺铒波导条输出端连接，使得选择不同掺铒波导条作为传输路径时，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，计算出掺铒波导受到的累计辐射剂量后，通过改变1×6波导光开关的电极电压控制光开关的选通，为激光信号与泵浦光选择某一波导条，一方面计算此时最佳泵浦效率对应的泵浦光功率。

高浓度光纤损耗与低浓度受辐射后损耗增加相比较大，这样相对低浓度光纤，其要增加较多的泵浦以维持输出功率。如，相同功率和相同辐射损耗下，对于低浓度光纤，增加到相同辐射量需要增加的泵浦量比高浓度掺饵光纤要多。

如将额定输出功率保持在20mW，测试在不同辐射剂量下EDFA达到最佳泵浦效率时所对应的泵浦光输入功率，根据实验可知在0Gy、1000Gy、2000Gy、3000Gy、4000Gy和5000Gy的辐射剂量时，随着辐射剂量的增加，EDFA的增益会有明显的衰减。而最佳泵浦效率也是随着泵浦的增加而降低，因而可以在一定的辐射剂量下提高掺铒浓度以降低泵浦光功率，从而提高泵浦效率。

综上可知，当将泵浦光功率以及对应的EDW浓度按照上述方案设计时，可以使本发明过程中设计的EDWA晶体芯片集成模块保持泵浦的高效率。并且，在本发明利用波导结构上可实施的较成熟的质子交换技术，硬件装置简单，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 (9)

1.一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA，其特征在于，包括接收模块、泵浦发射模块、辐射探测模块、控制模块和光传输模块；所述光传输模块包括1×n波导光开关、n根不同浓度的掺铒波导条和波导耦合器，所述控制模块包括存储单元、处理单元和选通单元；其中，n为大于1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波导光开关、并行排列的n根不同浓度的掺铒波导条后输入至波导耦合器；

泵浦发射模块用于输出泵浦光，该泵浦光依次经1×n波导光开关、并行排列的n根不同浓度的掺铒波导条后输入至波导耦合器；

辐射探测模块用于探测空间中的辐射功率并发送至处理单元；

存储单元用于预先存储n根不同浓度的掺饵波导条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饵波导条，使得激光信号和泵浦光均通过该选通的掺饵波导条输入至波导耦合器。

2.根据权利要求1所述的一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA，其特征在于，还包括反馈电路，波导耦合器输出两路光，一路作为输出，另一路依次经反馈电路、控制模块、泵浦激光器构成的负反馈系统；控制模块用于控制泵浦发射模块输出的泵浦光的功率，通过调整泵浦光的功率来保持波导耦合器的输出功率恒定。

3.根据权利要求1所述的一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA，其特征在于，所述1×n波导光开关、掺铒波导条和波导耦合器均刻蚀在LiNbO₃晶体上。

4.根据权利要求1所述的一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA，其特征在于，所述掺铒波导条的掺铒浓度的选取：设定EDWA额定输出功率，选择掺铒波导条长度；选定不同辐射剂量，在达到最佳泵浦效率时的输入泵浦光功率和掺铒波导铒离子浓度即对应初始泵浦输入功率和掺铒波导条的掺铒浓度。

5.根据权利要求1所述的一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA，其特征在于，所述1×n波导光开关的导通是通过控制电压进行的。

6.根据权利要求1所述的一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA，其特征在于，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。

7.根据权利要求6所述的一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA，其特征在于，所述泵浦激光器输出波长为980纳米的泵浦光。

8.根据权利要求6所述的一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦EDWA，其特征在于，所述辐射探测器为半导体电探测器。

9.一种可用于空间辐射环境的高效率泵浦的EDWA的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据预定的EDWA输出功率，选定n根不同浓度的掺铒波导条的长度；

步骤二、预先选定n个不同辐射剂量，将各辐射剂量与恒定输出功率进行计算得到在该辐射剂量下，最佳泵浦效率对应的输入泵浦光功率和掺饵波导条的掺铒浓度，并将其存储；

步骤三、在LiNbO₃晶体上并行排列刻蚀1×n波导光开关、n根掺饵波导条和波导耦合器，并将其顺次连接，所述1×n波导光开关用于传输激光信号、泵浦光；

步骤四、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；

步骤五、当步骤四中的累计辐射剂量达到步骤二中预先存储的某一辐射剂量时，通过控制电压，进行1×n波导光开关与该辐射剂量所对应的掺饵波导条的选通，使得激光信号和泵浦光均通过该选通的掺饵波导条输入至波导耦合器；

步骤六、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波导条对应的辐射剂量时，仍然选通此掺铒波导条，直到辐射剂量达到其它掺铒波导条对应的辐射剂量时，则控制其它掺铒波导条的选通；

步骤七、波导耦合器输出两路光，一路作为输出，另一路依次经反馈电路、控制模块、泵浦激光器构成的负反馈系统；控制模块用于控制泵浦发射模块输出的泵浦光的功率，通过调整泵浦光的功率来保持波导耦合器的输出功率恒定。