一種提高摻鉺光纖放大器抗輻射能力的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及摻餌光纖放大器技術領域，特別是一種提高摻鉺光纖放大器抗輻射能 力的方法。
【背景技術】
[0002] 在以往的長距離光纖通信系統(tǒng)中，通常在通信線路上建設大量的電中繼站，對信 號進行接收、轉換再放大，來減少信號的衰減與色散。隨著大信息時代的來臨，傳統(tǒng)的電中 繼由于其數據處理的電子瓶頸，已經不能適應人們對于高速率通信的需求。20世紀80年 代，摻鉺光纖放大器（EDFA)的問世，對于通信領域來說，具有跨時代的意義。由于EDFA直 接對光信號進行放大，且具有高增益、低噪聲、長帶寬、結構簡單、不受偏振態(tài)影響等優(yōu)點， 一經推出就迅速得到廣泛的使用。隨著NASA與ESA多項空間光通信項目的開展，EDFA也漸 漸進入空間通信領域的應用之中。傳統(tǒng)的空間光通信技術采用直接調制技術，即僅僅依靠 于半導體激光器，但是星間通信或者星地通信鏈路上是沒有中繼站對信號進行放大的。由 于需要調制系統(tǒng)輸出比較大的光功率，傳統(tǒng)的僅依賴激光器而沒有放大器的發(fā)射端是不能 滿足日益增長的傳輸速率的。H)FA的應用可以在很大程度上解決這一問題。
[0003] 然而，衛(wèi)星運行在太空軌道中時，其各個組件要面臨強烈的空間輻射，組件的性能 受到的影響不可忽視。一些研究小組對于這一問題也進行了相關探索，其中0. Berne' s小 組的研究尤為突出。0. Berne' s證明了在受到3000Gy劑量的輻射后，其所測試的EDFA的 增益將會衰減10dB。但是他認為，實際空間通信系統(tǒng)中，EDFA將被鋁板保護，因而其實際上 相當于只受到60Gy劑量的輻射，而這樣的輻射對于EDFA的影響是很微弱的。但事實上，鋁 板只是對于電子輻射有較好的屏蔽作用，而對于其他高能粒子（如伽馬粒子）的輻射的抵 抗效果不大。并且按照航天領域慣有的冗余設計理念，光通信系統(tǒng)的設計人員也不會采用 這么低的輻射劑量進行設計?，F有研究H)FA輻射特性的文獻并不少，對于抗輻射EDFA的 研究也更多依靠實驗對材質進行改變，缺乏理論研究，且現有技術中沒有給出符合實際系 統(tǒng)的高抗輻射H)FA。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足而提出一種提高摻鉺光纖放 大器抗輻射能力的方法，在光纖等效摻鉺半徑與芯徑比值一定的情況下，通過增大芯徑大 小能夠顯著提高抗輻射的能力。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案：
[0006] 根據本發(fā)明提出的一種提高摻鉺光纖放大器抗輻射能力的方法，當光纖等效摻鉺 半徑與光纖的芯徑a之比不變時，通過增大芯徑a來提高摻鉺光纖放大器的抗輻射能力，
其中，λ。為光纖截止波長，為光纖芯層折射率，！!。,為光纖包層折射 率。
[0007] 作為本發(fā)明所述的一種提高摻鉺光纖放大器抗輻射能力的方法進一步優(yōu)化方案， 所述光纖的芯徑a不低于1. 4 μ m。
[0008] 作為本發(fā)明所述的一種提高摻鉺光纖放大器抗輻射能力的方法進一步優(yōu)化方案， 所述光纖的芯徑a不低于1. 399 μ m。
[0009] 作為本發(fā)明所述的一種提高摻鉺光纖放大器抗輻射能力的方法進一步優(yōu)化方案， 所述光纖的芯徑a不低于1. 398 μ m。
[0010] 作為本發(fā)明所述的一種提高摻鉺光纖放大器抗輻射能力的方法進一步優(yōu)化方案， 所述光纖的芯徑a不低于1. 397 μ m。
[0011] 本發(fā)明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：在光纖摻鉺半徑 與芯徑比值一定的情況下，通過增大芯徑大小能夠顯著提高抗輻射的能力。
【附圖說明】
[0012] 圖1是摻鉺光纖芯層鉺離子分布不意圖。
[0013] 圖2是無輻射下輸出增益不變時，不同芯徑a的摻鉺光纖需要的長度。
[0014] 圖3是輻射劑量不同時，芯徑不同摻鉺光纖的增益變化。
[0015] 圖4是芯徑不同摻鉺光纖的截止波長。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明：
[0017] 考慮福射損耗時，信號光和栗浦光的傳輸方程可以表不為
[0020] 其中，n2為激發(fā)態(tài)粒子數，n i為基態(tài)的粒子，n t為總的粒子數，P s表示信號光功率， Pp表示栗浦功率，z表示從光源開始沿著摻鉺光纖的某一段距離，t為某一時刻，gs為無輻 射下信號光增益系數，gp為無輻射下栗浦光增益系數，a s為無輻射下信號光損耗系數，α p 為無輻射下栗浦光損耗系數，arads為信號光的輻射損耗系數，a Mdp為栗浦光的輻射損耗 系數。為了更好地分析光纖自身的微觀性能參數在輻射環(huán)境中對H)FA的影響，這里給出 Saleh速率方程將（1) (2)轉換成微觀參數的傳輸方程。忽略ASE功率，Saleh給出的EDFA 速率方程為
[0022] nt(z，t) = Ii1 (z，t)+n2(z，t) (4)
[0023] 其中，n2(z, t)為激發(fā)態(tài)的粒子數密度，Ii1 (z, t)為基態(tài)的粒子數密度，nt(z, t)表 示總的粒子數密度，〇sa是信號光吸收截面，σ M是信號光發(fā)射截面，σ pa是栗浦光吸收截 面，Oire是栗浦光發(fā)射截面，Γ s是信號光模場和摻雜Er3+分布之間的重合積分，Γ p是栗浦 光模場和摻雜Er3+分布之間的重合積分，h為普朗克常數，V 3為信號光頻率，V 栗浦光 頻率，A表示等效摻鉺截面積，τ是激發(fā)態(tài)％3/2的粒子數壽命，其型值為l〇ms。
[0024] EDFA正常工作時處于穩(wěn)態(tài)過程，則有
從而可以得到
[0026] 此外，對于信號光和栗浦光的輻射損耗系數可以用1310nm波長輻射吸收損來進 行估計
[0028] 其中，λ是信號光或者栗浦光波長，λ。是一個紫外參考光波長，這里取320nm，R 是輻射速率，D是輻射劑量，c和f是調整參數。
[0029] 將公式（5)稍作變形，如下
[0031] 可以看出來112只有分母下有等效摻鉺截面積A，當A增大時，激發(fā)態(tài)粒子數η 2就 會增加，顯然H)FA的增益就會有所提高?；谶@一點，我們提出制備大芯徑摻鉺光纖的方 式，來提升H)FA的抗輻射能力。
[0032] 然而在實際光纖制備中，為了獲得單模光纖，光纖的芯徑并不能一直增大，需要是 光波長大于截止波長。光纖截止波長λ。與芯徑 a之間的關系滿足
[0034] 其中，nOT，I^1分別為光纖芯層和包層折射率。
[0036] 當光纖等效摻鉺半徑與光纖的芯徑a之比不變時，通過增大芯徑a來提高摻鉺光 纖放大器的抗輻射能力，
[0037] 圖1為摻鉺光纖芯層鉺離子分布示意圖。摻鉺光纖在結構上與一般光纖是類似 的，主要由包層和芯層組成，區(qū)別在于摻鉺光纖的芯層中需要摻雜Er 3+。Er3+在芯層中的分 布并不是均勻的，而是在徑向上發(fā)生變化，其中在光纖中心Er 3+濃度為n(0)。這一變化的 分布可以等效為一個在半徑r范圍內的均勻分布，Er3+平均濃度為N，稱r是光纖的等效摻 鉺半徑，而Jir 2即等效摻鉺面積A。圖中摻鉺光纖的芯徑為a，在下面的分析中假設r/a是 不變的。
[0038] 設信號光波長為1550nm，信號功率為Ps = IOmW ;采用980nm波長光作為栗浦光， 栗浦功率為Pp = 2W。等效摻鉺半徑和芯徑比值r/a為1. 05/1. 4,在（1. 2, 2. 4) μ m范圍內 改變芯徑大小。為了對不同芯徑的摻鉺光纖進行抗輻射性能比較，我們在設計時使它們無 輻射環(huán)境下的增益保持相同，都在20dB附近，則不同芯徑下需要的摻鉺光纖長度如圖2所 示。可以看出，芯徑越小需要的摻鉺光纖長度越長；當芯徑達到2. 0 μπι之后，需要的摻鉺光 纖長度已經差異不大。這是由于，芯徑小的摻鉺光纖栗浦效率低，需要更長的作用距離。
[0039] 如圖3所示，當輻射劑量為OGy時，芯徑變化時增益都保持在20dB，這個與圖2 設計的初始狀態(tài)是一致的。當輻射劑量增加到500Gy時，2. 4 μπι的光纖增益衰減了 2dB， 而1. 2 μπι卻衰減了 6dB。并且對于一定劑量的輻射，小芯徑摻鉺光纖的增益總是比大芯徑 的低。隨著輻射的增加，大小芯徑摻鉺光纖增益衰減量之差越來越大。當輻射劑量增加到 3000Gy時，2. 4μπι摻鉺光纖的增益比1. 22μπι的要高出近10dB。
[0040] 圖4是光纖截止波長隨著芯徑增加的變化趨勢。一般光纖芯層與包層折射率差 1%，這邊設芯層折射率為n ra= 1.46?？梢钥闯鰜?，光纖截止波長與芯徑成線性關系，為 了使1550nm光單模傳輸，則芯徑a需要小于2. 88 μ m。一般摻鉺光纖光纖芯徑不會低于 1.4 μπι，這是因為當芯徑明顯小于光波長之后，光的一部分模場會在包層傳輸，此時光容易 受到包層表面形態(tài)和外部環(huán)境影響。
[0041] 綜上可知，當等效摻鉺半徑與芯徑之比不變時，增大芯徑能夠提高摻鉺光纖的抗 輻射能力，并且為了達到一定增益時需要的摻鉺光纖長度也較短。
[0042] 以上所述僅是本發(fā)明的部分實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種提高滲巧光纖放大器抗福射能力的方法，其特征在于，當光纖等效滲巧半 徑與光纖的忍徑a之比不變時，通過增大忍徑a來提高滲巧光纖放大器的抗福射能力，:其中，A。為光纖截止波長，n。。為光纖忍層折射率，〇。1為光纖包層折射 率。2. 根據權利要求1所述的一種提高滲巧光纖放大器抗福射能力的方法，其特征在于， 所述光纖的忍徑a不低于1. 4ym。3. 根據權利要求1所述的一種提高滲巧光纖放大器抗福射能力的方法，其特征在于， 所述光纖的忍徑a不低于1. 399ym。4. 根據權利要求1所述的一種提高滲巧光纖放大器抗福射能力的方法，其特征在于， 所述光纖的忍徑a不低于1. 398ym。5. 根據權利要求1所述的一種提高滲巧光纖放大器抗福射能力的方法，其特征在于， 所述光纖的忍徑a不低于1. 397ym。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高摻鉺光纖放大器抗輻射能力的方法，當光纖等效摻鉺半徑與光纖的芯徑a之比不變時，通過增大芯徑a來提高摻鉺光纖放大器的抗輻射能力，<maths num="0001"></maths>其中，λc為光纖截止波長，nco為光纖芯層折射率，ncl為光纖包層折射率。在光纖摻鉺半徑與芯徑比值一定的情況下，通過增大芯徑大小能夠顯著提高抗輻射的能力。
【IPC分類】G02F1/39, H01S3/067
【公開號】CN105207046
【申請?zhí)枴緾N201510688584
【發(fā)明人】李密, 焦文祥, 宋躍江, 張旭蘋, 姜義君, 李鑫
【申請人】南京大學（蘇州）高新技術研究院, 南京大學
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年10月22日