伽马辐照对掺铒光纤性能影响的研究

李竞飞，陈伟民，雷小华，张 伟，齐 翊，许亨艺，刘显明

重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044

伽马辐照对掺铒光纤性能影响的研究

李竞飞，陈伟民*，雷小华，张 伟，齐 翊，许亨艺，刘显明

重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044

为了推进掺铒光纤抗辐射性能的研究，全面掌握掺铒光纤性能在辐照条件下的变化规律。基于色心模型对掺铒光纤的辐照作用机理进行了分析，并据此对掺铒光纤在辐照中的性能变化趋势进行了预测推断。然后根据掺铒光纤的工作原理和应用特性，在伽马辐照条件下对两种不同型号(EDF-L-980和MP980)掺铒光纤的980 nm波段损耗谱、1 530 nm波段损耗谱以及发射光谱的特性进行了在线实时监测，并在辐照停止后进行了恢复测量。研究表明，在辐照中两种掺铒光纤的性能变化趋势一致。在损耗谱方面，980 nm波段和1 530 nm波段的损耗随辐照单调增加，980 nm吸收峰与1 530 nm吸收峰处的损耗与辐照剂量呈近似线性关系； 在发射光谱方面，发射光谱强度随辐照单调降低，光谱能量向长波方向转移，平均波长和光谱带宽大幅增加，1 530 nm发射峰处的发光强度与辐照剂量也呈近似线性关系。辐照停止后，掺铒光纤体现出了一定的恢复能力，但是各项参数的恢复均不到40%。各项实验结果与理论模型和分析预测匹配良好，证明了辐照对掺铒光纤性能影响理论解释的合理性。

掺铒光纤； 伽马辐照； 色心； 发射光谱； 损耗谱

引 言

掺铒光纤能够在光纤的最佳传输窗口1 550 nm波段实现有效地光传输和光放大，因而在光纤通信和光纤传感等领域得到广泛应用[1-2]，以掺铒光纤为核心关键器件的掺铒超荧光光纤光源(superfluorescent fiber source，SFS，又称ASE光源)和掺铒光纤放大器(erbium-doped optical fiber amplifier，EDFA)是其中的典型代表。ASE光源具有输出光谱稳定、输出光功率高、荧光谱线宽、偏振相关性低、使用寿命长等优点，且与常规单模光纤兼容, 可实现整个应用系统的全光纤化，因此被广泛应用于光谱分析、光学层析、医学诊断等众多光纤传感和光通信系统中。EDFA能够直接对1 550 nm波段进行光放大，具有增益高，噪声低，带宽大，串话小，损耗低，对温度偏振不敏感，易与传输光纤耦合连接等优点。EDFA近乎完美的特性和半导体泵浦源的使用给1 550 nm窗口的光纤通信带来了一场革命，使长距离、大容量、高速率的光纤通信成为可能，是WDM系统及未来高速系统、全光网络不可缺少的重要器件，在光通信领域的应用极其广泛[3-5]。

随着光通信、光传感技术应用领域的扩展，ASE光源和EDFA等掺铒光纤器件被应用到空间、核电等辐照环境的情况越来越多[5]。由于辐照的电离特性会对光纤元器件及材料的性能产生影响甚至破坏[6-7]。因此研究掺铒光纤在辐照条件下的性能变化，掌握其在辐照条件下的性能蜕变规律，对于提高掺铒光纤的抗辐照性能，以及在实际应用中采取相应的防护或补救措施都具有重要意义。

针对掺铒光纤的辐照特性，国内外已经有一些研究报道： 早期有关于掺铒光纤在514 nm泵浦源条件下发射光谱的辐照特性报道[8-9]，但现在掺铒光纤的主流应用基本都转向了利用980 nm泵浦1 530 nm波段(含1 550 nm窗口)发射光谱的特性； 此外，还存在质子或X射线对掺铒光纤性能影响的报道[9-10]，然而空间应用环境中的辐照类型主要是电子和伽马射线，质子或X射线相对较少； 还有些文献通过研究掺铒光纤器件在辐照下的变化间接研究了掺铒光纤的变化[11-12]，但是这种方式难以明确掺铒光纤在其中的变化和作用。

现有的相关报道存在着研究参数片面和不符合主流市场需求等问题。这不仅不利于推进掺铒光纤抗辐照性能的研究, 还使得已有掺铒光纤应用产品在辐照条件下的可靠性难以掌握。因此，为全面掌握掺铒光纤本身的性能在辐照条件下的变化规律，并符合掺铒光纤的主流应用特性，需要对980 nm波段和1 530 nm波段的损耗谱和发射光谱参数从理论和实验上进行全面分析。

1 辐照对掺铒光纤性能影响的理论分析

为全面研究辐照对掺铒光纤性能造成的影响，需要从掺铒光纤的工作原理出发，对掺铒光纤的辐照影响机理进行分析探讨。

1.1 掺铒光纤的工作原理

铒是一种稀土元素，在光纤制造过程中掺入一定量的三价铒离子(Er3+)，便形成了掺铒光纤。这种光纤中的铒离子会对特定波长的光子敏感，吸收其能量，使自身能级发生变化。从图1的铒离子能级图来看，掺铒光纤可以有1 530，1 480，980，800，650和514 nm等波长的泵浦源，当铒离子从基态4I15/2能级被泵浦到高能级并形成粒子数反转后，一般都会以无辐照跃迁的形式返回到激光的上能级4I13/2，而激光上能态4I13/2上的铒离子会以自发辐照或受激辐照的形式重新跃迁回基态4I15/2中，并产生1 530 nm波段的超荧光。

图1 铒离子能级结构图

可以注意到，铒离子的能级都有一定的宽度，因此泵浦掺铒光纤产生的超荧光并不是单一的波长，而是(1 530±30) nm左右的超荧光波段。而在铒离子没有得到充分泵浦(泵浦强度太低、掺杂浓度太高或掺铒光纤长度过长)的情况下，1 530 nm波段发射光会充当泵浦源使掺铒光纤发生二次泵浦，导致输出的超荧光波长向L波段[(1590±30) nm]偏移。

1.2 辐照对掺铒光纤性能影响的机理分析

研究表明，辐照对掺铒光纤的影响主要是电离总剂量效应 (total ionizing dose，TID)。电离辐照穿过材料时会产生大量的电子空穴对，这些电荷将会逐渐改变材料性能，其程度取决于材料吸收的电离辐照总能量的多少，这就是TID效应。TID效应的本质是材料中的点缺陷俘获了带电粒子。对掺铒光纤来说，材料中的点缺陷可以由辐照本身引起，也可以在光纤制造和掺杂的工艺过程产生。这种粒子俘获效应积累至一定程度，会引起光纤材料光学性质的变化，直接的表现就是光纤材料中色心(color center)的产生[13]。色心形成后，光纤材料对光谱中的紫外波段表现出强烈的吸收特性，几乎呈不透明状态。在红外波段的吸收虽然相对较小，但总体上仍表现出光的传输效率降低，损耗系数增加[9]。另外有文献报道，辐照对铒纤的影响主要是增加了铒纤的背景损耗而不是影响铒离子的吸收[14]。

在高能粒子辐照条件下，除了光纤中本身的点缺陷会被诱导形成色心外，还会使二氧化硅网格中疲劳键断裂或网格中氧移位形成色心。色心浓度与辐照剂量的关系如式(1)所示[13]

(1)

其中，N(D)为色心浓度，D为辐照剂量；Np(0)为光纤在制造过程中产生的点缺陷，kp和ke分别为该类点缺陷形成色心和色心重新恢复成点缺陷的概率；Nc为二氧化硅疲劳键浓度，kc为二氧化硅网格中疲劳键断裂和氧移位形成色心的概率。根据式(1)可以得出结论： 1)随着辐照剂量增加，公式中的第一部分成为主要影响因素，色心浓度与辐照剂量呈近似线性关系； 2)掺铒光纤的不同制造工艺会导致式(1)中除辐照剂量外的其他参数波动变化。

虽然辐照会使掺铒光纤内部形成上述的色心产生规律，但是这些色心会使980 nm波段和1 530 nm波段的相关光谱发生怎样的变化还未见报道。综合TID效应以及掺铒光纤的能级应用特性，可以推测辐照会对掺铒光纤的性能造成如下影响： (1)980和1 530 nm波段在掺铒光纤中的传输损耗将增大，其中又以980和1 530 nm这两个吸收峰因为受到铒离子和色心的双重吸收而损耗最大； (2)以上两个波段的损耗增大又会导致980 nm泵浦出的1 530 nm波段发射光谱强度降低； (3)980 nm泵浦光被色心吸收会导致泵浦强度降低，当这一过程的程度足够深即泵浦光强度降低足够多时，会使本来可以忽略不计的二次泵浦现象因为铒离子得不到充分泵浦而大幅增强，输出的超荧光波长向L波段[(1590±30) nm]偏移。(4)以上(1)，(2)和(3)同时作用，会使1 530 nm发射峰成为整个发射光谱中强度降低最为剧烈的波长。

2 实验部分

根据辐照对掺铒光纤性能影响的机理分析可知，辐照会导致掺铒光纤在980和1 530 nm波段的传输损耗增加，为此实验将对980和1 530 nm波段损耗谱的变化情况进行测量； 此外辐照还会造成发射光谱强度降低，二次泵浦增强，因此还将对掺铒光纤的发射光谱及其平均波长和光谱带宽变化进行测量。同时，为了准确反映出辐照对掺铒光纤性能造成的影响，为提高掺铒光纤的抗辐射性能提供依据，将对以上参数在辐照过程中进行实时在线监测，并在辐照后进行恢复测量。

制造工艺不同可能导致辐照造成的影响有明显差异。因此，为了验证辐照对掺铒光纤性能影响的预测并确保实验结果的可靠性，选择两种不同型号的单模掺铒光纤进行对比实验： 一种是武汉烽火锐光科技有限公司生产的EDF-L-980型掺铒光纤(以下简称EDF-L-980)，另一种是美国OFS公司生产的MP980型掺铒光纤(以下简称MP980)。两种掺铒光纤均是针对C波段应用研制的产品，它们的主要出厂参数如表1所示。

表1 被测掺铒光纤主要出厂参数

辐照实验系统如图2所示，采用Co60辐照源对样品进行γ射线辐照，并用30 m光纤将信号引到辐照室外进行在线测量。实验的辐照剂量率为4.17 Gy·min-1，辐照总剂量2 600 Gy。实验中，掺铒光纤样品被固定在有机玻璃板上，同时利用辐照剂量测试仪对辐照总剂量进行实时监测。

图2 实验系统示意图

实验测量光路如图3所示，光谱分析仪型号为ANDO AQ6317B。LD光源用于对掺铒光纤发射光谱的测量，选取的掺铒光纤长度为5 m。SLD和ASE光源分别用于对980nm波段和1 530 nm波段损耗谱的测量，其中SLD的工作波长为960～990 nm，ASE的工作波长为1 525～1 558 nm。由于需要对损耗谱进行实时在线监测，因此实验中采用了国家标准测量方法中的插入损耗法，选取的掺铒光纤长度为2和1.5 m。插入损耗法需要分别测量一段较短光纤和一段较长光纤在相同波长相同输入光功率条件下的输出光功率，计算两者的差值，然后利用这两段光纤的长度差, 计算出单位长度的该种光纤在该波长处的损耗。

图3 实验测量光路原理图

Fig.3 Experimental setup used for online measurements of radiation induced spectral modifications in erbium-doped fiber samples

3 结果与讨论

3.1 980和1 530 nm波段损耗谱的实验结果及分析

图4(a)，(c)和图4(b)，(d)分别是EDF-L-980和MP980在980 nm波段和1 530 nm波段的损耗谱在辐照中的变化。两种掺铒光纤在这两个波段的变化趋势一致，随着辐照剂量增加，损耗谱强度整体增强，但谱形几乎未变； 此外，在辐照过程中始终以980 nm吸收峰和1 530 nm吸收峰的损耗最高。损耗谱强度增加正是因为辐照诱导掺铒光纤基质产生了大量色心，这些色心会对包括980 nm波段和1 530 nm波段在内的红外波段产生强烈吸收； 而980 nm吸收峰和1 530 nm吸收峰的损耗最高，则是因为这两个吸收峰不仅要受到色心的吸收，同时还要受到铒离子的吸收。色心在各波长产生的损耗在较短的波长范围内基本均匀[8]，因此谱形保持不变从侧面印证了辐照导致的损耗增加主要来自于色心增加，辐照对铒离子的影响可忽略不计。

为更加清楚地表征损耗谱和辐照剂量的关系，两种掺铒光纤在980和1 530 nm处的损耗在辐照中和辐照后的变化如图5所示。可以看出，两个吸收峰处的损耗在辐照中和辐照剂量成近似线性关系，结合色心浓度与辐照剂量呈近似线性关系的结论，可以推断辐照导致的损耗与辐照诱导产生的色心浓度也呈近似线性关系，这也证明了损耗的增加来源于色心的产生和增加。但是，两种掺铒光纤的变化趋势虽然一致，变化幅度却存在明显差异。当辐照剂量达2 600 Gy时，EDF-L-980在980和1 530 nm处增加的损耗分别达到了25和15 dB，均为MP980的两倍左右，它在辐照停止后的恢复情况也明显弱于MP980。

3.2 发射光谱的实验结果及分析

EDF-L-980和MP980的发射光谱在辐照中的变化如图6(a)和(b)所示。可以看到，随着辐照剂量增加，发射光谱明显畸变，光谱强度显著降低。截止2 600 Gy，EDF-L-980位于1 530 nm处的发射峰已经变峰为谷，光谱能量向长波方向转移； MP980的实验结果也有相同趋势，但是其抗辐照能力明显优于EDF-L-980。

图4 (a)： EDF-L-980； (b)： MP980的980 nm波段损耗谱在辐照中的变化；(c)： EDF-L-980； (d)： MP980的1 530 nm波段损耗谱在辐照中的变化

Fig.4 Loss spectra evolution at 980 nm wave band duringγradiation for (a) EDF-L-980 and (b) MP980, Loss spectra evolution at 1 530 nm wave band duringγray irradiation for (c) EDF-L-980 and (d) MP980

图5 EDF-L-980和MP980辐照中和辐照后在

Fig.5 Evolution of losses at (a) 980 nm and (b) 1 530 nm during and afterγradiation for EDF-L-980 and MP980

发射光谱强度降低主要源于两点： 色心对发射光谱的吸收是直接原因，对980 nm泵浦光吸收导致泵浦出的发射光强降低是间接原因。而1 530 nm发射峰光强降幅最大除了以上两个原因外，还由于色心对980 nm泵浦光的吸收导致了铒离子不能被充分泵浦，1 530 nm波段的二次泵浦现象显著增强。同时，二次泵浦也正是光谱能量向长波方向转移的原因。

辐照停止后，发射光谱的恢复情况如图6(c)和(d)所示。辐照停止36 h后，EDF-L-980和MP980在1 530 nm处分别恢复了20%和33%，恢复速度慢且程度低，与以前一些文献的结论相似[8-9]。

发射峰1 530 nm处的发光强度在辐照中的变化如图7所示。可以看出，发光强度与辐照剂量也呈近似线性关系，这进一步证明了辐照导致的损耗增加来源于色心的产生和增加。此外，MP980在此处的发光强度衰减了25 dB，只有EDF-L-980的30%。

图6 (a)： EDF-L-980； (b)： MP980的发射光谱在辐照中的变化; (c)： EDF-L-980； (d)： MP980的发射光谱在辐照后的恢复

Fig.6 Luminescence spectra evolution duringγradiation for (a)EDF-L-980 and (b)MP980, Luminescence spectra evolution afterγradiation for (c)EDF-L-980 and (d)MP980

为了更加清楚地刻画出发射光谱的变化，对发射光谱的平均波长和光谱带宽在辐照中和辐照后的变化进行了计算，如图8所示。辐照前EDF-L-980和MP980的平均波长在1 537 nm左右，光谱带宽大概30 nm。经过辐照，EDF-L-980和MP980的平均波长分别增加了4.3%和1.3%，光谱带宽则分别增大了90 nm和60 nm。在多数场合中，这种蜕化程度的掺铒光纤已经完全不可用； 但是可以看出，MP980的表现明显要优于EDF-L-980，前者的平均波长变化量只有后者的1/3，光谱带宽变化也只有后者的2/3。同时，这两项参数在辐照后的恢复程度也很低。

图7 EDF-L-980和MP980 1 530 nm处 发射光谱强度在辐照中的变化

Fig.7 Evolution of luminescence intensity at 1 530 nm duringγradiation for EDF-L-980 and MP980

图8 EDF-L-980和MP980发射光谱的(a)平均波长在辐照中和辐照后的变化，EDF-L-980和MP980发射光谱的(b)光谱带宽在辐照中和辐照后的变化

Fig.8 Evolution of (a)mean wavelength and (b)bandwidth during and afterγradiation for EDF-L-980 and MP980

4 结 论

对掺铒光纤的辐照作用机理进行分析，得出了980 nm波段和1 530 nm波段的传输损耗会增大，发射光谱强度会降低，二次泵浦现象会明显增强等结论。通过对两种不同型号掺铒光纤进行的伽马射线辐照实验，得到实验结果如下： 两种掺铒光纤在辐照中的性能变化趋势相同。在损耗谱方面，980和1 530 nm波段损耗增加，980和1 530 nm吸收峰附近的损耗相对辐照剂量呈近似线性增长，由于色心浓度同样呈线性增长，证明损耗增加确实源于色心； 在发射光谱方面，发射光谱强度降低，能量向长波方向转移，平均波长和光谱带宽大幅增加，发射峰1 530 nm处的光强与辐照剂量也呈近似线性关系，再次证明损耗增加来源于色心。辐照结束后，所有参数恢复不到40%。实验结果与理论预测匹配良好，证明了辐照对掺铒光纤性能影响理论解释的合理性。

此外，虽然在辐照中的性能变化趋势相同，但是除了发射光谱的光谱带宽外，MP980各项参数的变化量均不到EDF-L-980的50%，体现出了更加优秀的抗辐照性能。国产厂商还需进一步采取措施提高产品的抗辐照性能，以适应越来越残酷的应用环境和商业竞争。

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*Corresponding author

(Received Apr. 14, 2015; accepted Aug. 9, 2015)

Gamma Radiation Effects on Erbium-Doped Optical Fibers Properties

LI Jing-fei, CHEN Wei-min*, LEI Xiao-hua, ZHANG Wei, QI Yi, XU Heng-yi, LIU Xian-ming

Key Laboratory for Optoelectronic Technology & System of Ministry of Education, College of Optoelectronic Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China

In order to promote the research on erbium-doped fiber’s anti-radiation properties and fully grasp variation laws of erbium-doped fiber’s properties under radiation, theoretical analysis on how irradiation effect erbium-doped Fiber based on model of color centers was conducted. The performance changes of erbium-doped fiber that may occur during irradiation were predicted. According to working principle and application characteristics, online real-time monitoring of 980 nm wave band loss spectra, 1 550 nm wave band loss spectra, luminescence spectra of two different types(EDF-L-980 and MP980) of erbium-doped fiber as well as recovery measuring after radiation were carried out,. Studies showed that spectral characteristics of both types have similar variation trends during radiation. Losses at 980 and 1 530 nm wave band increase monotonically with dose, and the relationship is approximately linear at absorption peak of 980 and 1 530 nm; luminescence spectra intensity decreases monotonically with dose, and energy of luminescence spectra is shifting to long wavelengths, while its mean wavelength and bandwidth increasing substantially. The relationship between luminescence intensity and dose is also approximately linear at luminescence peak of 1 530 nm. Erbium-doped fiber’s spectral characteristics recovered modestly after radiation, but to a limited extent of less than 40% for all parameters. The experiment result is in good agreement with theoretical analysis and prediction, so rationality of theoretical explanation of erbium-doped fiber’s performance changes during radiation has been proven.

Erbium-doped optical fiber; Gamma radiation; Color center; Luminescence spectra; Loss spectra

2015-04-14，

2015-08-09

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA03A118)资助

李竞飞，1990年生，重庆大学光电工程学院硕士研究生 e-mail： lijingfei888@163.com *通讯联系人 e-mail: wmchen0802@126.com

TN253

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1882-06