折勝飛，梅 林，周振宇，侯超奇，郭海濤

1. 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710119

2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

3. 中科信工程咨詢（北京）有限責(zé)任公司，北京100039

隨著世界各國對(duì)空間領(lǐng)域的高度重視，空間光通信技術(shù)已經(jīng)成為全世界研究的熱點(diǎn)之一. 空間光通信具有極高的傳輸速率、極大的通信容量、良好的保密性、不需要無線電頻率使用許可、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，成為未來空間鏈路的發(fā)展方向，引發(fā)各航天強(qiáng)國的研究熱潮[1-3]. 在空間光通信系統(tǒng)中，采用半導(dǎo)體激光器作為信號(hào)光源在結(jié)構(gòu)和可靠性上具備無可匹敵的優(yōu)勢(shì)，但因?yàn)榭臻g光通信傳輸距離很長，所以該方法無法滿足空間光通信高速率、大容量、長距離傳輸?shù)囊骩3-5]. 光纖放大器具有抗電磁干擾、緊湊輕質(zhì)、電光轉(zhuǎn)換效率高、免調(diào)試維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，成為衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中信息和能量傳輸?shù)睦硐肫骷1-5]. 尤其是摻鉺光纖放大器（erbium-doped fiber amplifier, EDFA）和鉺鐿共摻光纖放大器（erbium-ytterbium codoped fiber amplifier, EYDFA）的出現(xiàn)，降低了信號(hào)光源對(duì)功率的要求，大大提高了空間激光通信的中繼距離，在空間光通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[5-6].

然而，當(dāng)EDFA 和EYDFA 長時(shí)間暴露在地球空間軌道惡劣的輻照環(huán)境中時(shí)，會(huì)受到宇宙中的帶電粒子（正負(fù)電子、質(zhì)子、α粒子等）和高能電磁輻射（X 射線、γ射線）的綜合作用，尤其是增益光纖在輻照環(huán)境會(huì)引起輻照損傷，而在光纖內(nèi)部形成色心，使信號(hào)光在光纖放大器內(nèi)的傳輸損耗急劇增加，導(dǎo)致光纖放大器綜合性能顯著下降甚至完全失效[6-8]. 雖然采用防輻射屏蔽層可以提高光纖類器件的耐輻照能力，但會(huì)極大地增加空間載荷的額外質(zhì)量，嚴(yán)重制約光纖在空間光通信領(lǐng)域的應(yīng)用，所以提高摻鉺光纖（erbium-doped fiber, EDF）和鉺鐿共摻光纖（erbium-ytterbium codoped fiber, EYDF）材料自身的耐輻照特性是根本途徑[6].

目前，許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)EDF 和EYDF 的輻照特性開展了廣泛的研究，但耐輻照光纖要最終走向成熟并長期應(yīng)用于空間光通信和未來太空探索，還有許多關(guān)鍵理論和技術(shù)問題有待解決. 基于此，本文從太空輻照環(huán)境、輻照導(dǎo)致的現(xiàn)象與問題出發(fā)，從輻照效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素、輻照加固方法三方面詳細(xì)闡述當(dāng)前耐輻照EDF 和EYDF 的研究現(xiàn)狀，并對(duì)其未來的研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望.

1 空間輻照效應(yīng)

1.1 太空輻射環(huán)境

近地空間的輻射主要來自于銀河系宇宙射線、太陽粒子事件、地磁捕獲射線等[9]. 銀河系宇宙射線的主要成分是來自太陽系外的粒子，如質(zhì)子、α粒子、重離子和電子；太陽粒子事件的主要成分是質(zhì)子流、X射線、γ射線，源于太陽耀斑的偶然發(fā)生；地磁捕獲輻射主要由被地球磁場(chǎng)捕獲的電子和質(zhì)子組成，如表1 所示.

金屬能屏蔽大部分質(zhì)子和電子，但對(duì)誘導(dǎo)輻射、宇宙輻射和太陽耀斑的中子、X 射線、γ射線作用較小，具體如圖1 所示. 高能輻射和中子輻射穿透能力最強(qiáng)，可以穿透幾厘米后的普通鉛板，尤其是γ射線，即使用幾厘米后的鉛板屏蔽也會(huì)有一部分γ射線穿透鉛板；β粒子一般只能穿透微米到毫米范圍的板，只會(huì)引起材料表面的缺陷[10]；α粒子、質(zhì)子和其他重離子束電離能力強(qiáng)，但穿透力弱，哪怕一張白紙也可以將其阻擋. 由此可見，高能電磁輻射是太空中影響光纖光學(xué)性能的主要因素. 雖然在元器件表面增加防輻射屏蔽的被動(dòng)防護(hù)技術(shù)可以提高器件的抗輻射能力，但這往往會(huì)增加大量無用的額外質(zhì)量，而飛行器對(duì)載荷的質(zhì)量要求相當(dāng)苛刻，每千克載荷質(zhì)量的增加都要發(fā)射系統(tǒng)付出數(shù)百千克的巨大代價(jià)[11]，所以提高光纖器件本身的耐輻照能力是各國的首要選擇.

研究表明，空間輻射對(duì)光纖材料的影響主要是總電離劑量（total ionizing dose, TID）和位移損傷劑量（displacement damage dose, DDD）效應(yīng)[9]. DDD 效應(yīng)是指帶電粒子碰撞到光纖材料內(nèi)部原子上并將原子擊出原位，導(dǎo)致材料產(chǎn)生晶格缺陷. 地球輻射帶捕獲的質(zhì)子和太陽耀斑是位移損傷效應(yīng)的主要來源. TID 效應(yīng)是指帶電粒子輻射引起的電離物質(zhì)的累積效應(yīng). 當(dāng)劑量率較低時(shí)，光纖的輻射衰減僅由總輻射劑量決定，而與劑量率無關(guān). 電離是由于TID 效應(yīng)中的高能帶電粒子被材料中的點(diǎn)缺陷捕獲而引起的.

表1 不同輻照環(huán)境的影響Table 1 Influence of different radiation environment

圖1 不同輻射穿透力示意圖Figure 1 Schematic diagram of different radiation penetration

1.2 空間輻照導(dǎo)致的現(xiàn)象與問題

1.2.1 光纖損耗增加

當(dāng)EDF 和EYDF 光纖受到高能射線輻照時(shí)，光纖材料會(huì)在紫外及可見光波段產(chǎn)生一個(gè)非常強(qiáng)的寬吸收帶，其尾端可延伸至近紅外區(qū)，從而產(chǎn)生附加損耗. 輻致?lián)p耗（radiation induced attenuation, RIA）與光纖材料的組分密切相關(guān)，通常純石英纖芯光纖的耐輻照性能最強(qiáng)，稀土摻雜光纖較差. 這主要是因?yàn)楣矒絼┑囊霑?huì)破壞石英玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生了新的缺陷中心，極大地降低了光纖的耐輻照性能. 法國里昂大學(xué)的Girard 等[12]對(duì)稀土摻雜光纖進(jìn)行了大量研究，并給出了幾種有源光纖的RIA 譜. 從圖2（a）中可以看出，隨著總輻照劑量的加大，RIA 不斷增加，達(dá)到一定程度后趨于飽和狀態(tài)；由圖2（b）可以看出，磷、鋁組分的引入使得稀土摻雜光纖的RIA 顯著增加. 稀土摻雜光纖中鋁的存在會(huì)促進(jìn)與硅有關(guān)的缺陷生成，尤其是氧空位缺陷中心的生成；磷則會(huì)引入新的缺陷中心，經(jīng)輻照后形成的磷氧空穴中心（phosphorus oxygenholecenter, POHC）與300～550 nm 范圍的寬吸收帶有關(guān)，而P1 則會(huì)在近紅外波段產(chǎn)生吸收帶，使得1 550 nm 波段處的RIA 明顯增大，極不利于EDF 和EYDF在空間輻照環(huán)境中的使用.

圖2 不同組分摻雜光纖的RIA [12]Figure 2 RIA of fibers with different components[12]

1.2.2 增益特性變化

光纖放大器的增益為輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的比值，它是衡量光纖放大器放大能力的指標(biāo)參數(shù). 空間輻照環(huán)境對(duì)EDF 和EYDF 的最直接影響是導(dǎo)致其增益放大性能顯著下降. 法國里昂大學(xué)的Ladaci 等[13]通過模擬和實(shí)驗(yàn)研究分析了輻照對(duì)EDF 增益放大性能的影響. 如圖3（a）所示，當(dāng)輻照從0 krad 增加到52 krad 時(shí)，EDF 的增益明顯下降，說明空間輻照會(huì)嚴(yán)重影響光纖放大器的增益放大性能. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李等[14]則研究了輻照對(duì)EYDF 增益性能的影響規(guī)律. 從圖3（b）中可以看出，EYDF 的增益呈現(xiàn)明顯的線性下降趨勢(shì). EYDF 經(jīng)過40 krad 輻射后增益降低了17.6 dB，明顯高于EDF，說明EYDF 比EDF 的耐輻照性能更差.這主要是因?yàn)閅b3+的存在使得光纖在輻射過程中產(chǎn)生更多的色心，導(dǎo)致光纖RIA 增加，從而使光纖放大器的增益下降得更加嚴(yán)重.

圖3 光纖輻照前后的增益特性Figure 3 Gain characteristics of optical fiber before and after irradiation

1.2.3 熒光光譜變化

研究表明，空間輻照還會(huì)對(duì)稀土摻雜光纖的熒光特性產(chǎn)生影響. 法國里昂大學(xué)的Ladaci等[15]研究了在不同輻照源類型條件下EYDF 的熒光特性變化規(guī)律，如圖4 所示. 經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：輻照對(duì)光纖熒光光譜的影響不大，但對(duì)熒光壽命的影響較大，且與輻照劑量密切相關(guān)，而與輻照源種類無關(guān). 當(dāng)輻照劑量從0 kGy 增加到100 kGy 時(shí)，熒光壽命呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，之后基本保持不變；而當(dāng)輻照劑量高于3 MGy 后，熒光壽命快速降低.

圖4 EYDF 輻照前后的熒光特性[15]Figure 4 Luminescence characteristics of EYDF before and after irradiation[15]

2 輻照效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理

2.1 EDF和EYDF光纖中的常見點(diǎn)缺陷

EDF 和EYDF 光纖以石英作為基質(zhì)材料，在實(shí)際制備過程中石英基質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一些本征點(diǎn)缺陷，如硅原子或氧原子缺位及填位、懸掛鍵以及過氧連接等，缺陷類型主要分為反磁性和順磁性兩種，具體如表2 所示[16-18]. 反磁性缺陷包括氧空位（oxygen deficiency center, ODC）缺陷、過氧連接（peroxy linkage, POL）缺陷、間隙氧（interstitial oxygen, IO）缺陷、雙氧雜硅烷（dioxane silane, DOS）環(huán)缺陷以及硅?；模╯ilicon acyl center, SC）等類型[17,19-20]，是由于電子躍遷到導(dǎo)帶而具有光吸收帶引起的. 順磁性缺陷包括硅E’心、過氧基（peroxy radical, POR）、非橋氧空穴心（non-bridging oxygen hole center, NBOHC）以及第2 類氧空位缺陷ODC(II)等缺陷[17,21]. 石英光纖材料經(jīng)輻照后會(huì)產(chǎn)生大量的順磁缺陷，這是引起RIA的主要原因. 順磁性缺陷都伴有光吸收帶，這是由于半滿帶大多位于光學(xué)能隙中，因而空穴躍遷至價(jià)帶及電子躍遷至導(dǎo)帶都可能發(fā)生. 通常來說，與基質(zhì)材料的本征吸收和雜質(zhì)吸收相比，這些缺陷導(dǎo)致的吸收損耗基本可以忽略不計(jì)，但當(dāng)石英光纖遭受惡劣的電離輻照時(shí)缺陷吸收就成了導(dǎo)致其性能下降的關(guān)鍵因素. 此外，有源光纖纖芯組分中除了稀土離子外，通常還有為了提高稀土離子溶解度以及為了改變光纖折射率或改善光纖性能而必須引入的共摻劑，如Al、P、Ge 等. 在EDF 中，一般會(huì)摻入Al 來抑制Er 離子的團(tuán)簇效應(yīng)，同時(shí)使EDF 的增益平坦化；而在EYDF 光纖中，磷氧雙鍵可以提供高能聲子從而增加Yb3+和Er3+之間的能量傳遞. 然而，這些共摻劑的引入會(huì)極大地增加光纖的輻照敏感性，使光纖的耐輻照性能降低[22].表2 匯總了鋁單摻、磷單摻、鍺單摻石英光纖中常見點(diǎn)缺陷的結(jié)構(gòu)模型和吸收峰.

表2 石英光纖中的常見點(diǎn)缺陷Table 2 Common point defects in silica optical fiber

2.2 光纖RIA的色心理論

輻照造成光纖光學(xué)性能下降的機(jī)制主要有3 種：RIA（表現(xiàn)為光纖對(duì)傳輸光的吸收）、輻致發(fā)射（表現(xiàn)為輻照后光纖產(chǎn)生某些波段的光）、光致密（表現(xiàn)為光纖折射率的變化）. RIA 被認(rèn)為是空間輻照對(duì)有源光纖輻照損傷最為主要的表現(xiàn)，也是導(dǎo)致光纖性能下降的直接原因. 光纖產(chǎn)生RIA 的具體機(jī)理尚不清楚，通常采用色心理論來分析光纖的輻照效應(yīng)機(jī)理. 色心的產(chǎn)生率與輻射種類、輻射劑量和劑量率等因素相關(guān)[23-25]. 光纖材料受到高能輻照時(shí)會(huì)在光纖材料內(nèi)引起物質(zhì)電離，產(chǎn)生大量的自由電子和空穴對(duì)，被光纖的前驅(qū)體缺陷所俘獲而形成色心，導(dǎo)致在紫外和可見光波段具有很強(qiáng)的寬吸收帶，其尾端可延伸至近紅外區(qū)產(chǎn)生附加損耗，從而使光纖性能下降[26]. 光纖中的色心有穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩種，穩(wěn)定色心一旦形成就將存在于光纖中并形成穩(wěn)定的光吸收，而不穩(wěn)定色心則在輻照停止一段時(shí)間后逐漸消失，或者在光或熱的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生退化，即所謂的熱退火效應(yīng)和光褪色效應(yīng). 色心的產(chǎn)生和退火共同決定了光纖的RIA[16,24]. 光纖缺陷的變化率可表示為

式中，k1和k2分別為色心產(chǎn)生率和退火率，n0和n分別為光纖缺陷的初始和瞬時(shí)濃度，k1n表示缺陷轉(zhuǎn)變?yōu)樯膶?dǎo)致初始缺陷濃度的下降，k2(n0?n)為色心的退火.

光纖RIA 受輻照總劑量影響最為顯著，RIA 與輻射劑量的關(guān)系可用多成分飽和指數(shù)模型來表示. 假設(shè)每種色心具有各自的壽命τi，則輻射過程中色心數(shù)目變化率可表示為

式中，ni為第i個(gè)能級(jí)的色心數(shù)目，˙D為輻照劑量率，ki˙D表示色心產(chǎn)生的速率，ki表示色心產(chǎn)生數(shù)目相對(duì)于輻照劑量的比例因子. 假設(shè)輻照開始時(shí)色心數(shù)目為0，并考慮光纖中有多個(gè)色心，光纖輻致衰減與色心數(shù)密度成正比，則光纖輻射致衰減可表示為[27]

式中，ai為實(shí)驗(yàn)常量，Dsi為第i個(gè)缺陷能級(jí)的色心飽和劑量，即色心生成和退化達(dá)到平衡時(shí)的輻射劑量.

3 影響光纖輻照性能的因素

3.1 輻照條件

輻照條件參數(shù)包括輻照源種類（X 射線、γ射線、質(zhì)子、中子、電子等）、總輻照劑量和劑量率等. 如圖2（a）所示，105 MeV 質(zhì)子和1 MeVγ射線對(duì)Er/Yb/P 石英光纖RIA 譜的影響基本一致，40 keV X 射線、1.2 MeVγ射線、480 MeV 質(zhì)子和6 MeV 電子對(duì)EYDF 光纖熒光壽命的影響規(guī)律趨勢(shì)也基本相同（見圖4（b）），說明不同輻照源類型對(duì)光纖輻照誘導(dǎo)色心產(chǎn)生的機(jī)理、種類及數(shù)量等大致相同[15]. 如圖5（a）所示，當(dāng)劑量率相同時(shí)，Er3+、Yb3+離子摻雜光纖在1 200 nm 和1 550 nm 處的RIA 都隨著輻照劑量的增加而增加并逐漸趨于飽和.這主要是因?yàn)殡S著總劑量的增加，越來越多的前驅(qū)體缺陷轉(zhuǎn)變成色心，當(dāng)達(dá)到一定程度后，色心的形成速率會(huì)減小而退火速率增大，當(dāng)輻射效應(yīng)和退火效應(yīng)平衡時(shí)即出現(xiàn)飽和現(xiàn)象[12]. 如圖5（b）所示，當(dāng)輻照總劑量一定時(shí)，摻氟石英光纖在1 310 nm 處的RIA隨劑量率的增加而增加，這是因?yàn)閯┝柯试酱?，輻照恢?fù)的時(shí)間越短，所以由輻照引起的累積損耗就越高，但信號(hào)光波長和環(huán)境溫度對(duì)摻氟光纖的RIA 影響不大[28].

圖5 輻照總劑量和劑量率對(duì)光纖RIA 譜的影響Figure 5 Effects of total dose and dose rate on RIA spectra of optical fibers

3.2 共摻組分

1992年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室的Williams 等[29]研究發(fā)現(xiàn)EDF 光纖的輻射誘導(dǎo)吸收強(qiáng)烈依賴于光纖纖芯組成，并對(duì)EDFA 的性能進(jìn)行了建模，初步確定組分改變能夠強(qiáng)烈地影響光纖的抗輻射性能.日本住友電氣工業(yè)有限公司Fukuda 等[30]研究發(fā)現(xiàn)纖芯摻Al的光纖RIA 明顯高于不摻Al 的光纖. 德國弗勞恩霍夫研究所Henschel等[31]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)光纖纖芯中稀土的含量對(duì)RIA 的影響可忽略不計(jì)，而纖芯中Al 的組分對(duì)RIA 的影響最大，Al 含量最低的光纖RIA 最低. 研究表明，有源光纖共摻Al 后在輻照敏感性方面明顯高于未摻雜光纖，會(huì)產(chǎn)生較多發(fā)光缺陷并導(dǎo)致輻照損耗增加了10～100 倍. 拉脫維亞大學(xué)的Trukhin 等[32]認(rèn)為Al 的存在會(huì)促進(jìn)與Si 相關(guān)缺陷的形成，尤其是氧空位缺陷中心的生成，當(dāng)摻Al 光纖受到輻照時(shí)色心會(huì)急劇增加，從而在215 nm 處會(huì)有很強(qiáng)的吸收. 法國原子能委員會(huì)的Girard 等則結(jié)合材料中的缺陷對(duì)RIA 機(jī)理進(jìn)行了全面的分析，認(rèn)為Al 組分輻照敏感與玻璃網(wǎng)絡(luò)中Al 相關(guān)的缺陷有很大關(guān)系. 圖6（a）表明了Al 相關(guān)缺陷的吸收帶和RIA 譜的相關(guān)性. 可以看到，Al 的5 個(gè)缺陷吸收帶有4 個(gè)吸收邊位于EDF 光纖的工作波長1 550 nm 處，這很好地闡釋了Al 組分摻雜會(huì)使RIA 明顯增加的原因[33]. 當(dāng)光纖纖芯中摻P 時(shí)，高能輻照不僅會(huì)在短波長處產(chǎn)生較強(qiáng)的吸收帶，還可導(dǎo)致近紅外范圍的RIA 增加. 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Ahrens 等[34]將之歸結(jié)為與P 有關(guān)的缺陷，認(rèn)為P=O 雙鍵經(jīng)高能輻照后很容易斷裂，從而形成磷氧空穴中心和P1 中心的吸收點(diǎn)缺陷，其中POHC 的寬吸收帶位于300～550 nm，同時(shí)P1 心的吸收中心位于1 550 nm，后者明顯不利于EDF 在輻照環(huán)境中的使用. 當(dāng)Al 和P 共摻時(shí)，光纖的RIA 明顯比單摻P 或Al 時(shí)弱，這是因?yàn)锳l、P 共摻可以優(yōu)先形成共價(jià)鍵，從而抑制在紅外波段與P1 缺陷相關(guān)的吸收[35]. 荷蘭Draka 通信公司Régnier 等[36]報(bào)道認(rèn)為Al 摻雜和P 摻雜光纖都有非常大的RIA，如圖6（b）所示，因此在耐輻照光纖中最好不要使用這兩種組分，即便Al、P 組分含量很少也會(huì)造成很大影響. 2012年，法國蒙彼利埃大學(xué)的Thomas 等報(bào)道了一種通過納米顆粒摻雜技術(shù)制備的Er 摻雜石英光纖，如圖7（a）所示. 因?yàn)槔w芯中沒有Al 組分，所以該光纖表現(xiàn)出良好的耐輻照性能[37]，見圖7（b）中的NP-Si+.

圖6 共摻劑對(duì)光纖RIA 譜的影響Figure 6 Effects of co-doped dopants on RIA of optical fiber

圖7 納米顆粒摻雜技術(shù)制備EDF 的工藝過程及性能[37]Figure 7 Process steps and properties of EDF prepared by nanoparticles doping-process[37]

3.3 系統(tǒng)參數(shù)

在光纖放大器系統(tǒng)參數(shù)中，光纖長度、泵浦波長、泵浦光功率、泵浦結(jié)構(gòu)等也會(huì)影響EDF和EYDF 的耐輻照性能. 如圖3（a）所示，隨著光纖長度的增加，增益呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，并且輻照后增益達(dá)到最高的光纖長度明顯縮短，可見優(yōu)化光纖長度對(duì)提高光纖放大器系統(tǒng)的耐輻照性能具有一定的作用[13]. 在泵浦波長方面，法國里昂大學(xué)的Girard 等[38]采用980 nm 泵浦光來泵浦EDF 光纖，當(dāng)受到γ射線輻照時(shí)，EDF 的RIA 隨著泵浦光功率的增加逐漸下降. 此外，他們還提出可以通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提升光纖放大器的耐輻照特性，并采用仿真模擬研究了不同泵浦結(jié)構(gòu)對(duì)光纖放大器增益性能的影響規(guī)律，如圖8 所示. 他們通過研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)采用雙向泵浦時(shí)，EDFA 的增益最大，明顯高于同向泵浦和反向泵浦的增益；且雙向泵浦時(shí)的輻照增益衰減最小，說明雙向泵浦結(jié)構(gòu)有助于提高EDFA 的耐輻照性能.

圖8 不同泵浦結(jié)構(gòu)的輻致增益衰減[38]Figure 8 Radiation-induced gain degradation of different pump structures[38]

4 光纖輻照加固方法

4.1 載氫處理

載氫處理被認(rèn)為是一種有效提高光纖耐輻照性能的方法，載氫一般是將制備的光纖放在含氫的高壓容器中一段時(shí)間，使氫進(jìn)入石英基體. 載氫能提高光纖耐輻照性能的主要原理是：石英玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)缺陷（如E’心或非橋氧空穴）可以與滲入的氫相互作用，形成Si-H鍵和羥基，而玻璃中的羥基能夠吸收電離能抑制色心形成，在輻照過程中對(duì)光纖起著一定的保護(hù)作用[39].

圖9 HACC 光纖的結(jié)構(gòu)和耐輻照性能[41-42]Figure 9 Structure and irradiation property of HACC fiber[41-42]

然而，載氫提高光纖耐輻照性能的一大問題是：隨著時(shí)間的推移，光纖中所載的氫會(huì)析出，而氫含量下降最終導(dǎo)致光纖失去耐輻照性能. 光纖中引入碳輔助微結(jié)構(gòu)吸附層具有抑制氫氣析出、提高光纖耐輻照的作用. 俄羅斯科學(xué)院光纖研究中心的Tomashuk 等[40]報(bào)道了載氫碳涂層EDF 光纖，經(jīng)γ射線輻照后在750～1 700 nm 范圍內(nèi)的損耗大大低于無載氫光纖的損耗，被認(rèn)為是一種有望在空間應(yīng)用的光纖. 法國圣太田大學(xué)的Girard 等[41-42]提出了一種新型的空氣孔輔助碳涂層（hole-assisted carbon-coated, HACC）EDF，6 個(gè)空氣孔分布在內(nèi)包層，光纖涂覆層為密封的碳涂層，如圖9（a）所示. 研究表明，若采用該方法制備EDF，則氣體析出速率比普通光纖降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而且該方法可以調(diào)節(jié)光纖中氣體含量，使EDF 的增益放大和耐輻照性能達(dá)到最佳.經(jīng)100 krad 的γ射線輻照后，HACC 光纖的增益衰減低于5%. 將此光纖的性能與圖7 中Thomas 等的NP-Si+光纖的性能比較后發(fā)現(xiàn)，這種新結(jié)構(gòu)的HACC光纖耐輻照性能相比NP-Si+光纖得到了進(jìn)一步的提高，在315 kradγ射線輻照下，增益變化僅為–2.2×10?3dB/krad，如圖9（a）和9（b）所示，此優(yōu)異性能使該光纖具備滿足高劑量空間任務(wù)應(yīng)用的潛力. 雖然載氫對(duì)光纖的耐輻照性能有明顯的提高效果，但載氫量過高也會(huì)影響激光放大效率. 如圖10 所示，載氫后EDF 的增益相比未載氫光纖大幅下降，但隨著時(shí)間的推移，光纖中氫含量降低，增益逐漸升高. 最終，選擇載氫120 h 后的光纖進(jìn)行輻照測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其增益性能明顯優(yōu)于普通光纖，但這種方法的缺點(diǎn)在于該EDF 光纖難以在空間環(huán)境實(shí)際使用. 俄羅斯科學(xué)院光纖研究中心的Zotov 等[43]進(jìn)一步研究了在5 MPa 和110 MPa 壓力下載氫光纖的RIA 特性，發(fā)現(xiàn)過高的載氫壓力（110 MPa）會(huì)造成光纖效率在未輻照前就大幅下降，僅為19%（未載氫時(shí)為43%）.

圖10 EDF 載氫前后的增益變化[38]Figure 10 Gain variation of EDF before and after hydrogen loading[38]

4.2 退火

RIA 的恢復(fù)主要是由電子和空穴對(duì)復(fù)合使得色心減少引起的. 在一定條件下，RIA 會(huì)隨著時(shí)間的推移部分恢復(fù)，而這一恢復(fù)過程可以用熱或光漂白來加速[44-45]. 在一定溫度范圍內(nèi)，升高溫度會(huì)使光纖RIA 下降，甚至回到輻射前的水平，這種現(xiàn)象稱為熱漂白. 美國光子-X 公司的Yeniay 等[46]在110℃ 和165℃ 溫度條件下對(duì)EYDF 進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)比了預(yù)處理光纖和未預(yù)處理光纖的RIA 恢復(fù)情況，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理有利于光纖RIA 的恢復(fù)，且較高退火溫度能獲得更好的效果，如圖11 所示. 法國尼斯大學(xué)的Franck 等[47]將摻Y(jié)b3+光纖樣品加熱至600℃ 后發(fā)現(xiàn)樣品被徹底漂白，光透過率完全恢復(fù). 然而，高溫漂白對(duì)有源光纖涂覆層會(huì)有所損傷，而且光纖所處環(huán)境溫度一般不會(huì)太高，故熱漂白只具有一定的科學(xué)意義而難以實(shí)際應(yīng)用.

研究還發(fā)現(xiàn)，在輻照后的光纖中通入一定功率的激光也有助于RIA 的恢復(fù)，這就是所謂光漂白. 美國海軍實(shí)驗(yàn)室的Friebele 等[48]發(fā)現(xiàn)γ射線輻射過的光纖經(jīng)850 nm 半導(dǎo)體激光器泵浦后，光纖RIA 會(huì)隨著時(shí)間推移而逐漸降低. 研究表明，泵浦功率越高，泵浦波長越短，泵浦時(shí)間越長，光纖的漂白效果就越好[49-50]. 但在實(shí)際應(yīng)用中，光漂白的恢復(fù)作用不足以抵消輻照產(chǎn)生的損耗，光纖RIA 仍然在逐漸增加，而且大功率泵浦源的引入會(huì)破壞光纖系統(tǒng)或?qū)е鹿獍祷?yīng)，從而降低光纖輸出功率.

圖11 熱退火對(duì)EYDF RIA 的影響[46]Figure 11 Effect of thermal annealing on RIA of EYDF[46]

4.3 摻雜變價(jià)離子

一般來說，石英光纖含有金屬雜質(zhì)不但會(huì)增加其光纖損耗，而且會(huì)影響其耐輻照性能，但并不是所有金屬離子都會(huì)降低光纖的耐輻照性能. 某些變價(jià)金屬離子受到輻照時(shí)會(huì)先跟電離電荷進(jìn)行價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)換，為光纖提供了緩沖空間，從而提高光纖的耐輻照性能. 目前，可以提高石英玻璃耐輻照性能的變價(jià)離子主要有鈰（Ce）、鈦（Ti）、鉛（Pb）等，其中Ce 離子提高耐輻照性能的效果最佳，這是因?yàn)镃e 離子在玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中可以同時(shí)以Ce3+和Ce4+存在，這種特性使其能夠給電子也可以接受電子，所以當(dāng)光纖在輻照作用下產(chǎn)生缺陷時(shí)，Ce3+能夠俘獲空穴，使光纖中由于空穴與缺陷結(jié)合形成的色心消失而形成Ce3+(+)；Ce4+能夠俘獲電子形成Ce4+(?)，使電子與缺陷結(jié)合形成的色心消除. 此外，Ce4+和Ce3+本身的吸收帶皆在紫外區(qū)域，因此它的價(jià)態(tài)變化不會(huì)影響激光工作波長區(qū)域的損耗.

圖12 Ce 摻雜對(duì)EYDF 性能的影響[50]Figure 12 Effect of Ce doping on performance of EYDF[50]

法國圣太田大學(xué)的Vivona 等[50]對(duì)不同含量Ce 摻雜的EYDF 進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著Ce含量的增加，其耐輻照性能明顯提高，如圖12（a）所示. 圖12（b）給出了P 單摻和P/Ce 共摻光纖的RIA 譜. 從圖中可以看出，Ce 摻雜后P1 色心在1 600 nm 處的寬帶吸收峰消失，充分說明了共摻Ce 可以抑制P1 色心產(chǎn)生. Ce 含量對(duì)P/Er/Yb/Ce摻雜石英光纖的激光斜率效率和熒光壽命的影響分別如圖13（a）和13（b）所示[15,51]. 相對(duì)于不摻Ce 的EYDF 樣品，摻Ce 的EYDF 樣品激光斜率效率只是稍有下降，說明共摻一定含量的Ce 對(duì)EYDF 的激光性能影響較小. P/Er/Yb 樣品的熒光壽命隨輻照總劑量的變化趨勢(shì)如圖4（b）所示，其熒光壽命隨著輻照劑量的增加而明顯下降；對(duì)于P/Er/Yb/Ce 樣品，隨著輻照劑量的增加，熒光壽命基本不變，進(jìn)一步說明共摻Ce 可以明顯提高EYDF 的耐輻照性能.

圖13 Ce 摻雜對(duì)EYDF 性能的影響Figure 13 Effect of Ce doping on performance of EYDF

5 結(jié)語

空間光通信技術(shù)的不斷發(fā)展促使耐輻照摻鉺和鉺鐿共摻光纖的性能不斷優(yōu)化提升，而面對(duì)空間領(lǐng)域越來越廣泛越嚴(yán)格的應(yīng)用需求，摻鉺和鉺鐿共摻光纖在耐輻照特性方面將迎來新的挑戰(zhàn). 本文主要從四方面闡述了空間光通信用耐輻照摻鉺和鉺鐿共摻光纖的研究進(jìn)展：1）空間輻照效應(yīng)；2）光纖輻照效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理；3）影響光纖耐輻照性能的因素；4）光纖輻照加固方法. 未來隨著光通信逐漸走向深空，對(duì)摻鉺和鉺鐿共摻光纖的耐輻照性能將提出更高的要求. 因此，耐輻照摻鉺和鉺鐿共摻光纖未來的研究重點(diǎn)主要將集中在以下幾方面：1）光纖輻照加固方法研究. 雖然相比于其他稀土摻雜光纖，摻鉺和鉺鐿共摻光纖的輻照加固技術(shù)相對(duì)較為成熟，且已有耐輻照光纖產(chǎn)品問世，但光纖的RIA 在高能輻照環(huán)境下仍會(huì)有所增加，增益放大性能下降，影響耐輻照光纖在空間應(yīng)用的長期穩(wěn)定性，所以有必要繼續(xù)深入研究光纖的輻照加固方法. 2）光纖輻照機(jī)理研究. 基于前驅(qū)體缺陷的色心理論被廣泛用來解釋光纖的輻照損耗機(jī)理，但光纖其他方面輻照效應(yīng)的機(jī)理尚不清楚；此外，盡管出現(xiàn)了許多光纖輻照加固方法，如增加羥基含量、載氣等，但這些方法如何提高光纖耐輻照性能的具體機(jī)理還有待進(jìn)一步研究. 3）耐輻照光纖的長期穩(wěn)定性研究. 光纖參數(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)、空間環(huán)境等都會(huì)影響耐輻照光纖的性能. 目前，輻照實(shí)驗(yàn)大多考慮單個(gè)或幾個(gè)因素對(duì)光纖輻照性能的影響，而未能綜合考慮光纖的實(shí)際應(yīng)用條件，故光纖輻照加固手段的長期有效性還需要進(jìn)一步考證. 4）建立光纖耐輻照特性理論模型. 雖然許多研究機(jī)構(gòu)也在嘗試建立光纖耐輻照特性理論模型，但都存在考慮因素相對(duì)較少或者模擬準(zhǔn)確性較低等問題，無法指導(dǎo)耐輻照光纖的研究工作，因此應(yīng)該努力建立較為完善的光纖耐輻照特性理論和仿真模型. 5）空間應(yīng)用研究. 目前，光纖的輻照實(shí)驗(yàn)都采用地面加速輻照的方法進(jìn)行測(cè)試，但耐輻照光纖空間應(yīng)用的實(shí)際環(huán)境并非如此，太空中輻照種類多、輻照空間分布不均勻、輻照劑量率低、溫差較大等，因此若要檢驗(yàn)?zāi)洼椪展饫w的激光放大性能和輻照加固技術(shù)的長期有效性，則需在實(shí)驗(yàn)過程中綜合考慮溫度、真空、輻射等太空實(shí)際環(huán)境因素來研究摻鉺、鉺鐿共摻光纖的耐輻照特性，這將是未來重要的研究趨勢(shì).