La掺杂对用于空间激光通信...掺铒光纤辐射损伤效应的影响_文轩.pdf
《La掺杂对用于空间激光通信...掺铒光纤辐射损伤效应的影响_文轩.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《La掺杂对用于空间激光通信...掺铒光纤辐射损伤效应的影响_文轩.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 52 卷第 2 期2023 年 2 月Vol.52 No.2February 2023光子学报ACTA PHOTONICA SINICA02060031La掺杂对用于空间激光通信的掺铒光纤辐射损伤效应的影响文轩1,杨生胜1,高欣1,折胜飞2,3,王根成2,3,冯展祖1,王俊1,银鸿1,侯超奇2,3,张剑锋1(1 兰州空间技术物理研究所 空间环境材料行为及评价技术国防科技重点实验室,兰州 730000)(2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室,西安 710119)(3 中国科学院大学 材料与光电研究中心,北京 100049)摘要:为验证 La掺杂对于掺铒光纤抗
2、辐照性能的影响,采用 La掺杂光纤与无 La掺杂光纤进行光纤辐照实验。使用60Co辐照源在常温下对光纤进行累积剂量 100 krad,剂量率 6.17 rad/s的辐照实验。结果发现,La 掺杂光纤在 1 200 nm 处损耗为 0.030 67 dB(km krad),相比于无 La 掺杂光纤 0.039 53 dB(km krad)更低,且 La掺杂光纤在辐照环境下的增益变化更小。通过光纤吸收谱和 EPR 谱辐照前后的对比,确定了 Al-OHC 缺陷为影响光纤辐致损耗的关键因素。La掺杂可以在一定程度上代替 Al作为Er离子的分散剂从而增强光纤的抗辐照能力,且 La掺杂对光纤的增益性能不会
3、产生负面影响。该研究可为后续特种光纤在空间应用中的抗辐射加固设计提供参考。关键词:激光通信;掺铒光纤;辐射效应;辐照;镧掺杂中图分类号:TN253 文献标识码:A doi:10.3788/gzxb20235202.02060030 引言空间激光通信具有传输带宽大、传输速率高、抗干扰能力强等突出优点,是未来通信技术的重要发展方向1。目前的空间激光通信终端需要通过调制器保证高调制速率,同时需要放大器在发射端实现较大的光功率输出2。掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier,EDFA)工作在 1 550 nm 通信窗口,采用掺铒光纤(Erbium-Doped Fiber
4、,EDF)作为光增益组件,通过石英光纤中铒(Er)离子的三能级结构实现1 550 nm 光信号的放大3-4,具有增益能力强,增益带宽大,工作性能稳定等优点5。然而,在空间辐射环境下,空间中的高能粒子会对掺铒光纤造成冲击,使光纤中产生大量载流子,载流子与光纤中原有缺陷相结合形成新的色心缺陷,色心缺陷在可见光波段的高损耗引起的拖尾效应会导致光纤工作波段损耗急剧上升,进一步导致掺铒光纤增益性能下降6。为解决这些问题,国内外科研工作者针对掺铒光纤抗辐照加固技术开展了大量的研究工作。目前掺铒光纤中一般选用 Al、Ge作为共掺组分,这是由于 Al可以分散 EDF中的 Er离子,抑制荧光淬灭效应,提高 Er
5、最大掺杂浓度7。Ge由于其较高的折射率,可以调控光纤纤芯折射率,控制光纤数值孔径。根据国内外的研究,EDF的辐射诱发的衰减(Radiation Induced Attenuation,RIA)的产生主要与 Al相关的缺陷有关,辐照过程中载流子会与 Al形成 Al-OHC和 Al-E缺陷,这两种缺陷对光纤工作波段的损耗上升贡献最大8。为了减小 RIA,研究人员提出了几种方法:通过少掺杂 Al组分以减小辐照后 Al相关缺陷;通过 Ge等引用格式:WEN Xuan,YANG Shengsheng,GAO Xin,et al.Effect of La Doping on the Radiation D
6、amage Effect of Er3+-Doped Silica Fibers for Space Laser Communication J.Acta Photonica Sinica,2023,52(2):0206003文轩,杨生胜,高欣,等.La掺杂对用于空间激光通信的掺铒光纤辐射损伤效应的影响 J.光子学报,2023,52(2):0206003基金项目:国防科技重点实验室基金项目(No.6142910210210),航天科技集团自主研发项目第一作者:文轩,通讯作者:杨生胜,收稿日期:2022 09 27;录用日期:2022 11 10http:/光子学报02060032元素的掺杂实现
7、对于辐照后 Al相关缺陷抑制;通过改善掺杂手段实现无 Al组分光纤制备。由于 Er在石英网格结构中自发聚集的特性9,减小 Al组分含量会导致最大 Er掺杂浓度的下降,不利于高性能耐辐照掺铒光纤的制备10。而 Ge/Al组分调控对光纤中 Al-OHC 缺陷的抑制能力有限,且 Ge大量掺杂会影响光纤纤芯的折射率。为同时达到分散 Er离子和降低 Al使用量的目的,需要一种既能起到分散 Er离子作用,又不会在辐照前后影响光纤增益性能的耐辐照处理方法。镧(La)作为稀土元素,与 Er一样存在于石英网格结构的间隙位置,可以与 Er离子竞争附着位点,起到分散 Er离子的作用11,可以在不影响最大 Er离子掺
8、杂量的前提下实现 Al的低剂量掺杂。目前针对镧掺杂的掺铒光纤辐射效应研究很少,进一步了解 La掺杂掺铒光纤的辐射诱导吸收产生机制对于保持掺铒光纤在恶劣辐照环境中的性能至关重要。本文选用镧掺杂掺铒光纤与非掺镧掺铒光纤作为试验样品,利用60Co辐照源对两种光纤开展在线与离线辐照测试,通过光纤吸收系数、损耗、电子探针、拉曼光谱、电子顺磁共振等测试手段对光纤宏观性能以及微观缺陷开展研究,分析镧掺杂对掺铒光纤的抗辐照性能影响机理,该研究结果可以为后续掺铒光纤的空间抗辐照加固技术以及空间应用提供参考。1 理论分析辐射对掺铒光纤的性能影响与光纤组分、辐照参数等因素相关,开展镧掺杂掺铒光纤的辐照损伤研究,有必
9、要从光纤的掺镧机理以及光纤辐照过程中出现的缺陷类型进行研究。掺铒光纤中 Er3+浓度的提高,能够在一定程度上增大光纤吸收系数,有效减少光纤达到相同增益强度下的使用长度,提升光纤的增益性能表现12,但是由于 Er3+在 SiO2中的溶解度极低,且 Er3+的掺杂浓度稍高就会发生 Er3+之间的能量转移,即荧光淬灭,使得光纤转换效率、增益能力下降,在掺铒的 SiO2中加入 Al2O3可以提高光纤中非桥氧键浓度,实现 Er离子的分散,进而提高 Er3+的最大掺杂浓度,但与此同时,Al3+在辐照情况下生成的色心会造成光纤的损耗迅速增大,导致光纤的增益性能衰退8,13。含有 Al的掺杂光纤在高能粒子辐照
10、下,内部会形成 Al相关的色心缺陷,AlO4/2和 AlO3/20基团分别是 Al-OHC 和 Al-E的前身;在辐照过程中石英网格结构会因核外电子电离过程产生大量的载流子,AlO4/2基团通过俘获空穴而成为 Al-OHC 色心(图 1),而 AlO3/20基团通过俘获电子而成为 Al-E色心(图 2)7。辐射诱发的 Al-OHC 和 Al-E色心缺陷是造成空间辐射环境中应用的掺铒光纤性能衰退的主要损伤机制。=Al=(AlO4 2-)+h+h Al-O0Al-OHC(1)图 1 AlO4/2基团俘获空穴而成为 Al-OHC色心示意图Fig.1Schematic diagram of the A
11、lO4/2 defects trapping a hole and becoming Al-OHC color center图 2 AlO3/20基团通过俘获电子成为 Al-E色心示意图Fig.2Schematic diagram of the AlO3/20 group becoming Al-E color center by capturing electrons文轩,等:La掺杂对用于空间激光通信的掺铒光纤辐射损伤效应的影响02060033 Al(AlO3 20)+e-h Al.Al-E(2)镧作为稀土元素,可以通过与 Er离子竞争石英网格结构中的间隙位点,起到阻止 Er离子团簇的作用
12、(图 3)。同时 La在 Er3+工作波段不存在吸收,Er3+也不能借助 La实现能量传递,减少了 Er3+与 Er3+间因能量传递而导致上转换的几率14,从而抑制了因团簇而导致的荧光淬灭效应11。因此 La掺杂既可以降低 Er3+团簇效应,提高 Er3+的最大掺杂浓度,又可以降低光纤组分对 Al的需求,提高掺铒光纤的抗辐射能力。2 实验2.1样品参数及测试条件试验中选取两种掺铒光纤,其中镧掺杂掺铒光纤为 S1,非掺镧掺铒光纤为 S2。两种光纤的长度均为50 m。为了阐明光纤中的各物质组分,利用电子探针(Electron Probe Micro-Analyzer,EPMA)对光纤的化学成分进行
13、了表征(表 1)。其中电子探针测试使用 JXA-8230设备,点扫描使用电流为 10 nA。光纤损耗在线辐照损伤测试中,选取 JDSU 的 MAP-200系列的光源,使用 Thorlabs公司的 PM100D 功率计与 S144C 探测器作为接收器,实现对光纤在 843/983/1 314/1 550/1 659 nm 波长下的实时功率数据测试,并进一步计算获得对应的损耗数据;拉曼(Raman)光谱测试,选取 HORIBA 公司的 HR Evolution设备,激光波长选用 753 nm 以规避 Er3+主要的吸收波段,防止出现强的荧光信号对结果产生影响。测试范围为 2001 200 cm1。
14、离线损耗谱测试,选取光纤综合参数测试仪(Photonic Kenetics 2500),测试中选取辐照前后的适宜光纤长度,利用截断法实现对光纤损耗谱和吸收谱的测试。电子顺磁共振波谱(Electron Paramagnetic Resonance,EPR)测试,选用 BRUKER 公司的 ELEXSYS-II E500设备,测试中选用辐照前后 10 cm 样品光纤,剥去涂覆层,将纤芯研磨成粉,装入顺磁管中,在 100 K 温度下对光纤纤芯材料开展 EPR测试,磁场范围为 3 2003 600 Gauss。增益性能测试,使用的信号光为 1 550 nm,功率为20 dBm,泵浦光波长为 980 n
15、m,泵浦功率为 50图 3La掺杂掺 Er光纤及普通掺 Er光纤的原子分布示意图Fig.3Schematic diagram of the atomic distribution of La-Er-doped fiber and normal Er-doped fiber表 1电子探针测试的两种光纤的组分表Table 1Components of the two optical fibers tested by the EPMAComponentsFAl2O3SiO2GeO2Ce2O3Er2O3P2O5La2O3S1/(wt%)0.049 511.08185.9780.049 50.0350.
16、3030.1962.248S2/(wt%)0.069 413.367 486.050 20.047 60.023 80.2120.329 60光子学报02060034600 mW。测试中使用的光纤长度 S1为 3 m,S2为 3.5 m。测试系统示意图见图 4。2.2辐照试验在辐射剂量学中,1 rad 是指 1 g 受照射物质吸收 100 erg(尔格)辐射能时的剂量,1 rad=102 Gy102 J/kg。本文选用60Co 辐照源,60Co 是金属元素钴的放射性同位素之一,它会通过 衰变放出能量高达315 keV 的高速电子衰变成为镍60,同时会放出伽马()射线,伽马射线具有高能量、穿透能
17、力极强等特点,射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。根据中科院SEREAT 软件预测,地球同步轨道,在 10 mm 铝球屏蔽下,空间辐射环境在硅中产生的剂量每年不大于10 krad15,作为航天器内部辐照剂量的参考,对两种光纤开展 0100 krad辐照损伤测试,剂量率为 6.17 rad/s,辐照时间为 4.5 h。3 结果与讨论3.1在线损耗测试结果光纤样品在线辐照试验过程中,实时记录辐照剂量和光电探测器测量的光功率数据,计算获得不同辐照剂量下不同波长的光纤损耗数据,测试结果如图 5所示。图 5(a)、(c)为 S1、S2 在 843/983/1 3
18、14/1 550/1 659 nm 波长下的损耗随着辐射剂量而变化的关系,从图 4掺铒光纤增益测试系统示意图Fig.4Schematic diagram of the gain test system of erbium-doped fiber图 5S1与 S2的在线测试结果Fig.5Online test results of S1 and S2文轩,等:La掺杂对用于空间激光通信的掺铒光纤辐射损伤效应的影响02060035图中可以看出随着辐照剂量从 0100 krad变化的过程中,光纤的损耗呈增大趋势;图中 K 值的含义是对应波长损耗与辐照总剂量的线性拟合关系,S1与 S2损耗变化均表现出
19、 K843K983K1314K1550K1659的现象,说明在 843/983/1 314/1 550/1 659 nm 波长点处,光纤的损耗的变化量随着波长的增大而逐渐减小;对比 S1与 S2在对应波长的 K 值,发现 S1对应波长的 K 值均大于 S2的 K 值,这说明 S1的辐致损耗相对较低,受辐照的影响相对较小,可以推断 S1的耐辐照性能要优于 S2。图 5(b)、(d)为 S1、S2在 20/40/60/80/100 krad剂量下的光纤波长与光纤损耗变化量的关系。可以看到843/983/1 314/1 550/1 659 nm 处光纤在辐照后,其损耗曲线呈现短波长损耗高,长波长损耗
20、低的情况。结合上文提到的色心理论,可以推断光纤在 980 nm 和 1 550 nm 工作波段的损耗是由于在 843 nm 之前的色心吸收峰引起的1,这个强度极大的色心吸收峰的拖尾造成了光纤在 8431 659 nm 波段的损耗上升。3.2离线损耗与吸收测试结果对 S1、S2特定波长点的在线损耗测试,发现在 8431 659 nm 范围内存在光纤的损耗沿波长方向降低的现象。然而 5个固定波长处的损耗情况不足以完全表达光纤各个波段损耗在辐照环境下的准确情况。为准确获得光纤各波段损耗在辐照环境下的变化情况,利用截断法对辐照前后的 S1、S2光纤在 7001 600 nm 波长范围内的吸收、损耗谱开
21、展了离线测试。图 6 为 S1、S2 的吸收系数测试结果,可以看出两种光纤的吸收谱形基本相同,吸收峰均在 800 nm,980 nm,1 530 nm 位置附近。这三个吸收峰分别对应 Er3+核外电子吸收能量,从4I15/2能级跃迁到4I13/2,4I11/2,4I9/2能级的过程,如图 6表格所示,分别列出了两种光纤在 800 nm,980 nm,1 530 nm 波长点处的吸收系数,其中 S1 的吸收系数要高于 S2。辐照前的吸收谱体现出了两种掺铒光纤的高吸收特性,且在 1 200 nm 和1 380 nm 没有氢气和水的吸收峰,表明光纤质量较好,由 S1和 S2光纤的吸收峰强度可以定性的
22、得出 S1光纤中 Er3+的含量较高,这一结论与电子探针的结果吻合。图 7(a)、(b)给出了 100 krad 辐照前后 S1、S2两种光纤在 1 100 nm1 350 nm 的损耗变化情况,可以看出,随着波长的增大,光纤的损耗增加量逐渐减小,这一趋势与在线测试结果相同;其中 S1 辐照前后增量为 3 019 dB/km,S2 辐照前后增量为 3 922 dB/km,S2 在辐照后的损耗增量明显大于 S1 辐照后的损耗增量。可以看到辐致损耗在短波长的方向上影响更大,推测两种光纤在工作波段的损耗变化是由于其在可见光波段或紫外波段的 Al-OHC 色心缺陷产生的强吸收峰导致的7。内部有 Al掺
23、杂的光纤,其氧空位缺陷的吸收峰中心在 400600 nm 波段,由于 AL-OHC 缺陷吸收峰强度大,中心波长位置距离 Er离子工作波段较接近,其吸收峰拖尾对 980 nm 波段的影响极大,从而对掺铒光纤在辐照环境下的损耗变化起到决定性的作用。而没有 Al的光纤其工作波段损耗增加主要来自 Ge与 Si在辐照环境下产生的缺陷的特征吸收峰,以及Si的网格结构被打破形成的断键,这些缺陷对应的吸收峰峰位主要存在于紫外波段,对 Er的工作波段的影响较小。图 6S1与 S2的吸收谱Fig.6Absorption spectra of S1 and S2光子学报020600363.3拉曼光谱测试结果拉曼光谱
24、(Raman spectra)可以用于对物质结构变化的分析,利用拉曼光谱对两种光纤辐照前后的分子结构进行测试,测试结果如图 8所示。图 8为 S1、S2辐照前后的拉曼光谱测试结果,两种光纤的拉曼光谱基本类似,两种光纤的峰值对应点均为 430/477/595/791/1 049(cm1),且辐照后峰值强度及对应的波数均未发生变化。表明在 100 krad剂量的辐照下,光纤的基质材料 SiO2的分子结构基本未发生变化。拉曼光谱测试结果中,位于 200550 cm1之间的主要拉曼带通常与 Si-O-Si的网格振动有关,涉及氧原子沿 Si-O-Si角 的平分线方向的振动。在 Si-O-Si结构中的 取
25、值范围很宽,因此形成以 435 cm1为中心波数的很宽谱带。在 492604 cm1处峰,分别与四元和三元二氧化硅环中氧原子的振动有关;位于 800 cm1附近的不对称带,除了与玻璃体网络中氧的弯曲运动之外,还涉及大量的硅的运动。Si运动是由于与角度 的变化相关的不平衡力。1 0501 200 cm1处峰被归因于 TO-LO(横向光学模式-纵向光学模式)分裂16。由于拉曼光谱测试光纤纤芯基质材料在辐照后的性能基本没有变化,对于 Al含量对光纤辐照性能的影响进一步利用电子顺磁共振波谱对光纤的顺磁缺陷进行了分析。3.4电子顺磁共振测试结果电子顺磁共振是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术,可用于
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- La 掺杂 用于 空间 激光 通信 光纤 辐射损伤 效应 影响 文轩
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。