空间激光通信系统光电器件辐射效应研究

杨生胜，高欣，冯展祖，王俊，把得东，曹洲



空间激光通信系统光电器件辐射效应研究

杨生胜1，高欣2，冯展祖2，王俊1，把得东1，曹洲1

（1. 兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室； 2. 兰州空间技术物理研究所 空间材料行为及评价技术重点实验室：兰州 730010）

针对空间激光通信系统所用高速半导体激光器、光电探测器、掺铒光纤放大器（EDFA）、石英光纤等关键器件，开展电子、质子和γ射线辐照试验。半导体激光器经60Co-γ射线和电子加速器辐照后斜率效率发生轻微下降，下降程度与总剂量大小有关；而光功率在电子辐照后出现严重下降，表明电子辐照比γ射线产生更多的损伤，可以归因于电子造成的位移损伤。PIN光电探测器在质子辐照后，暗电流和电容都明显增大，主要是由于质子造成的位移损伤引入深能级缺陷增加势垒，导致光电探测器性能退化。EDFA系统的掺铒光纤经60Co-γ射线辐照后，对系统的增益和噪声影响很大。石英光纤主要受总剂量效应影响，辐射损耗随光纤通入的光波波长增大而减小，而且光纤损耗的剂量率效应不明显，实际试验可以根据试验条件选择适当的剂量率。研究结果可为空间激光通信系统的元器件选型、辐射效应评估与抗辐射加固设计提供参考数据。

半导体激光器；光电二极管；掺铒光纤放大器；光纤；辐射效应

0 引言

随着我国新一代对地观测卫星空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率和量化深度的不断提高，高分辨率光谱图像数据急剧增加。受频谱资源和带宽的限制，目前卫星通信常用的微波数据传输技术无法适应卫星高码速率数据传输需求；而利用激光传输技术可实现星间、星地高速数据传输，能有效突破高分辨率对地微波数据传输速率技术瓶颈[1-2]。

空间激光通信系统由多种光电器件与光学元件组成，其中高速半导体激光器、光电探测器、光纤放大器等关键器件，易受到空间高能带电粒子的辐射影响，造成器件光电参数衰退。空间辐射会对半导体材料造成损伤，导致材料载流子迁移率降低和少数载流子寿命缩短，使激光二极管阈值电流增加与输出功率降低；而非辐射复合率的增加，又导致器件温度升高，造成漏电流增大、波长漂移等变化；还会使光电二极管光响应速度下降、暗电流增加，引起光子计数错误。由于经过长距离自由空间传输后，到达接收机的激光信号很弱，光电器件性能的任何变化，都有可能导致空间激光通信链接障碍甚至中断。因此，在应用之前，需要对光电器件的空间辐射效应进行全面细致的研究[3-5]。

本文针对激光通信系统所用高速半导体激光器、光电探测器、掺铒光纤放大器（EDFA）、石英光纤等关键器件，开展电子、质子和γ射线辐照试验，并通过试验结果分析评估器件的辐射敏感度，为器件的选用和抗辐射加固设计提供参考。

1 辐照试验设备及受试器件选用

辐照试验在兰州空间技术物理研究所进行，总电离剂量效应试验采用60Co-γ射线源，质子和电子辐照试验采用双束加速器。

试验选用的受试器件包括：

1）半导体激光器

①量子阱激光器，选用美国JDSU公司的MWL01550A分布反馈式1550nm波长的 InGaAsP量子阱激光器，其阈值电流范围10.48～11.01mA，斜率效率（阈值电流之上区域的光功率斜率）0.095～0.108。辐照试验前去除金属封装，以保证辐照粒子能入射到器件源区部分。

②量子点激光器，选用中国科学院上海技术物理研究所生产的中心波长为1550nm的InGaAs量子点激光器，其阈值电流约200mA，斜率效率约0.086。样品为未封装的裸芯片。

2）PIN光电二极管，选用美国JDSU公司的ETX 1000T光电二极管，探测器响应范围800～1700nm，典型响应度0.95A/W，典型暗电流值12nA。辐照试验前去除PIN二极管的玻璃窗口，以保证辐照粒子能入射到器件源区部分。

3）掺铒光纤（EDF）及泵浦激光器（PUMP），选用武汉光迅公司生产的143-0886-202.3掺铒光纤（长度12m）和26-7402-120-TW泵浦激光器（额定工作电流162.3mA，额定功率100mW，工作波长980nm）。试验中分别辐照掺铒光纤和泵浦激光器，然后再将它们接入EDFA系统中，测试辐照对系统性能的影响。

4）石英光纤，选用烽火通信公司的G.657单模光纤。该光纤可充分利用1260～1625nm波段传输，有较低的偏振模色散，可以满足高速率、长距离传输要求。

2 试验结果与分析

2.1 半导体激光器辐射效应试验

对半导体激光二极管进行电子和γ射线辐照试验，试验期间所有半导体激光二极管都处于短路状态，室温下利用1和2MeV的电子对激光器进行辐照，电子辐照的注量率为1013和1015e/(cm2·h)，最大辐照注量为1016e/cm2；γ射线辐照的剂量率为1×105rad(Si)/h，最大辐照剂量为5×107rad(Si)。

对1550nm半导体激光器经γ射线和电子辐照后的斜率效率进行归一化处理（辐照后与辐照前的数值的比值），获得归一化斜率效率与半导体激光器源区材料吸收的电离总剂量的关系，如图1所示。可以看出，在同等电离总剂量条件下，不论是电子还是γ射线辐照下，半导体激光器斜率效率的衰减基本是一致的。由于γ射线的位移损伤效应很弱，而电子辐射的位移损伤效应较强，所以上述现象说明斜率效率主要受到电离总剂量的影响，而与位移损伤效应关系不大。

图1 归一化斜率效率与激光二极管源区材料吸收剂量的关系

图2给出的是在偏置电流为30mA时（远在阈值电流之上），半导体激光器的归一化光功率与γ射线总剂量和电子的吸收剂量之间的关系。在总剂量为5×107rad(Si)的γ射线辐照后，光功率从辐照前的2.15mW下降到1.93mW，大约下降了10%；而在近似相等总剂量的电子辐照下，光功率大约下降了43%。这表明在相等的辐照吸收剂量条件下，电子比γ射线产生的损伤更多，而额外的损伤可以归因于电子造成的位移损伤。位移损伤在半导体材料中产生了缺陷能级，从而通过少数载流子扩散长度的缩小恶化了半导体激光器的性能[6-7]。

图2 在偏置电流30mA条件下，激光二极管的归一化光功率与电子和γ射线的吸收剂量的关系

如果将图2中的归一化最大光功率作为等效1MeV电子位移损伤剂量的函数重新作图，则2条曲线将会重叠为1条曲线（如图3所示）。这说明半导体激光器的输出光功率衰退主要由位移损伤效应决定。

以上试验现象表明，半导体激光器在空间辐射环境作用下，其性能参数的衰退与电离总剂量和位移损伤效应都有关系，但对于不同的参数而言，起主要影响作用的效应不同。

图3 激光二极管归一化光功率随等效1MeV电子位移损伤剂量变化关系（正向电流IF=30mA）

2.2 PIN光电二极管辐射效应试验

对InGaAs PIN二极管开展质子辐照试验，辐照质子能量为2MeV，注量为3×1012p/cm2，测量温度为25℃。图4给出了2MeV质子辐照前后光电二极管的反偏暗电流-特征曲线和-曲线。

图4 质子辐照前后InGaAs PIN光电二极管电特性对比

从图4(a)可以看出，辐照前InGaAs PIN二极管在10V反偏电压下，暗电流强度约为7×10-10A量级；经过质子辐照后，其暗电流强度增大到约5×10-5A量级，增大了近5个数量级。光电二极管的暗电流噪声性能出现了严重的退化，说明光电二极管对质子辐照非常敏感。质子造成的位移损伤是光电二极管辐射损伤的主要因素，因为位移损伤引入的缺陷会增加势垒，产生电流和表面漏电流，从而使器件暗电流有增大的趋势[8]，这将会极大地制约通信系统的探测灵敏度，影响系统误码率指标。

从图4(b)可以看出，辐照前后InGaAs PIN二极管的高频（@10MHz）电容随反向偏压的增大而逐渐减小，当电压降低到10V以下后基本达到饱和，不再随偏压变化。这说明此时耗尽区已几乎扩展到整个I区。辐照后，二极管电容的变化规律与辐照前相似，但是电容值明显增大，这主要是由于质子位移损伤引起的漏电流增大。而电容增大将会导致探测器响应速度下降、带宽缩小，严重降低系统的整体性能。

2.3 掺铒光纤放大器辐射效应试验

利用60Co-γ射线源开展EDFA总剂量辐照试验，辐照剂量率为1×103rad(Si)/h，总剂量分别为1×103、5×103、1×104和5×104rad(Si)。在达到每个剂量点后，将受照后的掺铒光纤或泵浦激光器接入EDFA系统，测量系统增益和噪声变化，如图5所示。

从图5可以看出，当辐照剂量达到1×103rad(Si)时，EDFA系统增益略有下降；随着辐照剂量逐渐增大，在5×103和1×104rad(Si)这2个剂量点，系统增益迅速下降；继续增加辐照剂量达到5×104rad(Si)时，测得的系统增益值已经小于0（输出功率小于输入功率），放大器已不能正常工作。

EDFA系统噪声的辐射损伤规律与此类似[9-10]。

从图6可以看出，泵浦激光器的工作电流为162.3mA（额定工作电流）时，泵浦激光器的输出功率在γ射线辐照后有轻微的下降，但并未随着辐照剂量的增大而继续下降。因此，可以认为泵浦激光器输出功率基本不受总剂量影响。

图6 泵浦激光器光功率随辐照剂量的变化

2.4 石英光纤辐射效应试验

利用60Co-γ射线源对石英光纤开展总剂量辐照试验，分别在2.5×103、2.7×104、1.0×105rad(Si)/h等3个不同剂量率点，选择不同波长激光作为信号光源，在线测量光纤损耗受辐照影响的情况。

图7给出的是在1550nm波长信号光下，光纤衰减损耗随不同辐照剂量率的变化关系。可以看出，不同剂量率条件下，光纤衰减损耗曲线比较接近，说明光纤辐射损伤受剂量率影响很小。因此，光纤辐照试验可以根据试验时间、成本等因素，在较大的剂量率范围内选择。

图8给出的是在1.0×105rad(Si)/h剂量率辐照条件下，不同波长信号光的衰减损耗随辐照剂量的变化关系。可以看出，损耗随剂量增加呈现饱和趋势说明吸收缺陷数量有限，一旦缺陷耗尽，将不再形成新的吸收中心。980nm波长的辐射损伤远大于其他几个波长，是由于近红外光区的吸收主要是由紫外吸收的拖尾和位于630nm的强吸收造成的，所以红外区总体趋势是波长越短，损伤越严重[11-12]。

图7 不同辐照剂量率对光纤衰减损耗的影响 （1550nm波长）

图8 光纤衰减损耗随辐照剂量的变化（剂量率1.0×105 rad(Si)/h）

3 结束语

利用电子加速器、质子加速器、60Co-γ射线源对激光通信系统的关键光电器件与材料开展辐照试验。分析试验数据，研究电离总剂量与位移损伤效应对光电器件与光纤材料性能的影响。研究表明：光电器件主要受位移损伤效应影响，总剂量辐射对器件的部分参数有一定影响；光纤材料的主要辐射损伤效应是总剂量效应，一般没有明显的剂量率效应。研究结果可为激光空间通信系统的光电器件选型、辐射效应评估与抗辐射加固设计提供参考。

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（编辑：张艳艳）

The effect of radiation on the optoelectronic devices used inspace laser communication system

YANG Shengsheng1, GAO Xin2, FENG Zhanzu2, WANG Jun1, BA Dedong1, CAO Zhou1

(1. Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory, Lanzhou Institute of Physics; 2. Science and Technology on Material Performance Evaluating in Space Environment Laboratory, Lanzhou Institute of Physics: Lanzhou 730010, China)

The irradiation tests by electron, proton and60Co-γ sources are completed for the laser diodes, PIN photo detector, erbium-doped fiber amplifier (EDFA), and silica fiber used in space laser communication systems. The slope efficiency of laser diodes is slightly decreased after irradiation by electron and γ ray, and the value is correlated with the total ionizing dose. The optical power is seriously degraded after the electron irradiation, indicating that the electron irradiation causes more damage than that by the γ ray doses, which can be attributed to the displacement damage induced by the electrons. The dark current and capacitance of the PIN photodetector increases notably after the proton irradiation, which leads to deep-energy level defects in the semiconductors, impairing the performance of the laser diode through a reduction in the minority carriers’ diffusion length. The radiation hardness of the EDFA is determined by the erbium-doped fiber. The gain and the noise of the EDFA system become very bad when the erbium-doped fiber is irradiated under60Co-γ. The silica fiber’s radiation damage is mainly determined by the total dose effect, and the loss of the optical power degreases with the increase of the optical wavelength. In addition; minor dose rate effect is observed, allowing a flexible choice of an appropriate dose rate within the limit of the experimental conditions. The research results can provide a reference for the selection of components, the evaluation of radiation effects, and the radiation-hardening design for the space laser communication systems.

diode laser; optoelectronic diode; EDFA; optic fiber; radiation effects

V416.5; O242.2

A

1673-1379(2017)06-0571-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.06.001

杨生胜（1966—），男，博士学位，研究员，主要从事空间环境效应研究。E-mail: 2syang@sina.com。

2017-09-22；

2017-12-01

国家自然科学基金项目（编号：11475078；11375078）