[发明专利]一种空间用抗电离辐照有源光纤

说明书

技术领域

本发明涉及一种有源光纤，特别是涉及在诸如外太空等对抗电离辐照性能要求比较严格的环境中使用的抗电离辐照有源光纤。

背景技术

一般来说，有源光纤由能够传输并放大信号光的纤芯和能够将光限制在纤芯内的包层构成。为使纤芯具有放大性能通常会引入一定浓度的金属元素，特别是稀土金属元素，如钕(Nd)、铒(Er)、铥(Tm)及镱(Yb)等等。同时为了改善放大作用还可以共掺多种金属元素，例如镱就可以用于掺铒光纤(EDF)以改善光纤对泵浦信号光的吸收效率。为了提高光学性能通常还会将有源光纤做成双包层光纤或光子晶体光纤等形式，其中光子晶体光纤又有单芯和多芯之分。

如今有源光纤已经在光纤放大器、光纤激光器和以及传感器中获得了广泛应用。特别是在光纤激光器中的应用被称为第三代激光器，与传统固体/气体等激光器相比，光纤激光器具有高可靠性、高效率、热耗低、重量轻等优势，可作为空间通信、地球观测、深空探测中信息获取与传输的关键器件，因此越来越得到世界各国众多航天机构的青睐。例如光纤激光器可作为卫星内部及卫星与地面之间的光通信系统的激光光源(大气在1.55μm处存在一个通信窗口，而这正对应于掺Er光纤的一个发射波长)，另外由于相位调制器的插入损耗和损伤阈值的限制，还需要用到有源光纤放大器对调制过的信号光功率进行放大，此外有源光纤还可以用在卫星中光纤陀螺仪的超荧光光源中。目前，许多国家的科研人员都在研究有源光纤及其器件在太空中使用的可行性。在空间中，很多器件会长时间暴露在恶劣的空间辐照环境中，所受到的高剂量辐照是导致其性能降低或失效的主要因素。对于光纤激光器和放大器，在空间长时间、低剂量率的辐照下也会引起器件性能的急剧降低、甚至完全失效。因此，在实现这些应用之前，必须先解决有源光纤的抗辐照性能问题。

辐照使得光纤性能下降是由于辐照在光纤中产生色心。这些色心主要与光纤中所含的杂质及光纤本身的初始原子缺陷有关。前者会使辐照产生的部分自由电子被光纤内的一些着色阳离子(如Fe、Cr、Mn、Cu及Ni等)俘获还原而形成新的色心，从而降低光纤的传输能力；后者是高能辐照粒子破坏具有初始原子缺陷的桥氧(BO)键，从而形成硅E′色心和非桥氧空心色心(NBOHC)等。更大剂量的辐照有可能会造成光纤玻璃材料的原子位移损伤，导致玻璃材料的密度及折射率改变。

综上所述，为提高光纤抗辐照性能，一般可以通过采用高纯度的石英或人为掺杂少量可变价的不着金属色阳离子以抑制色心形成，并且注意减少初始的原子缺陷，使光纤在辐照下产生较少的断键色心。不过光纤在太空中受到的辐照总剂量不太大(10年不超过2kGy)，对纯石英光纤来说受到的影响并不明显。但是由于有源光纤中不仅掺杂了稀土元素，为了改善其光学性能通常还会共掺一些其他元素，比如为了抑制稀土离子的团簇效应，提高其在石英玻璃中的溶解度而共掺铝，为提高铒镱之间的能量传递效率而共掺磷，及其他常见的共掺元素，这就使得辐照对有源光纤的影响变得非常复杂，极大地增加了有源光纤的辐照敏感性。因此即使小剂量的辐照所导致的附加损耗也是不能接受的。

早在上世纪九十年代初，国外就已经开始研究辐照对有源光纤性能的影响了。辐照对光学玻璃及无源光纤性能影响的研究工作则可追溯到上世纪六七十年代。主要的工作表现在以下几个方面：其中方法一是在纯石英光纤芯中加入一定量的OH^-可以提高光纤的γ射线，深紫外光，X光的抗辐照能力。但是由于OH^-的加入，光纤在红外通信波段的传输损耗会加大，影响正常通信。另外OH^-的注入浓度也是有限的。方法二是对石英光纤进行载氢处理，并涂覆密封碳涂层以阻止氢从光纤中扩散出来，能够明显地提高光纤的抗辐照性能。但是这种方法不仅需要改变目前常规光纤的涂覆工艺，还需要对涂覆设备进行改造，限制了商品化，因此仅仅是一种想法。方法三是在石英光纤材料中掺杂一定量的氟也能够提高光纤的抗辐照性能，其带来的缺陷也是非常明显，就是如果纤芯中掺有氟的话，则这种光纤在近红外通信波段的损耗也会较常规掺锗芯光纤高一些，会使光纤的一些光学特性等随着改变。方法四即在中国专利CN 1800891A中公开了一种抗辐照石英光纤及其组合制作方法。高性能抗辐照石英光纤由纯石英纤芯、石英掺氟包层和石英掺铈制作辐射屏蔽层组成。该种光纤可在辐射环境下作为抗辐射光纤保持正常的信息传输。该专利没有涉及有源光纤的相关特性，仅仅涉及纯石英纤芯光纤，不能解决纤芯里面有稀土掺杂的有源光纤的抗电离辐照特性问题。