一種提高摻鉺光纖放大器抗輻射能力的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及摻餌光纖放大器技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[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(shè)大量的電中繼站,對(duì)信 號(hào)進(jìn)行接收、轉(zhuǎn)換再放大,來減少信號(hào)的衰減與色散。隨著大信息時(shí)代的來臨,傳統(tǒng)的電中 繼由于其數(shù)據(jù)處理的電子瓶頸,已經(jīng)不能適應(yīng)人們對(duì)于高速率通信的需求。20世紀(jì)80年 代,摻鉺光纖放大器(EDFA)的問世,對(duì)于通信領(lǐng)域來說,具有跨時(shí)代的意義。由于EDFA直 接對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大,且具有高增益、低噪聲、長帶寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不受偏振態(tài)影響等優(yōu)點(diǎn), 一經(jīng)推出就迅速得到廣泛的使用。隨著NASA與ESA多項(xiàng)空間光通信項(xiàng)目的開展,EDFA也漸 漸進(jìn)入空間通信領(lǐng)域的應(yīng)用之中。傳統(tǒng)的空間光通信技術(shù)采用直接調(diào)制技術(shù),即僅僅依靠 于半導(dǎo)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(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的。由 于需要調(diào)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(yīng)用可以在很大程度上解決這一問題。
[0003] 然而,衛(wèi)星運(yùn)行在太空軌道中時(shí),其各個(gè)組件要面臨強(qiáng)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(duì)于這一問題也進(jìn)行了相關(guān)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(cè)試的EDFA的 增益將會(huì)衰減10dB。但是他認(rèn)為,實(shí)際空間通信系統(tǒng)中,EDFA將被鋁板保護(hù),因而其實(shí)際上 相當(dāng)于只受到60Gy劑量的輻射,而這樣的輻射對(duì)于EDFA的影響是很微弱的。但事實(shí)上,鋁 板只是對(duì)于電子輻射有較好的屏蔽作用,而對(duì)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(lǐng)域慣有的冗余設(shè)計(jì)理念,光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員也不會(huì)采用 這么低的輻射劑量進(jìn)行設(shè)計(jì)?,F(xiàn)有研究H)FA輻射特性的文獻(xiàn)并不少,對(duì)于抗輻射EDFA的 研究也更多依靠實(shí)驗(yàn)對(duì)材質(zhì)進(jìn)行改變,缺乏理論研究,且現(xiàn)有技術(shù)中沒有給出符合實(shí)際系 統(tǒng)的高抗輻射H)FA。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)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(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
[0006] 根據(jù)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(dāng)光纖等效摻鉺 半徑與光纖的芯徑a之比不變時(shí),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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有以下技術(shù)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(shí),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(shí),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(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
[0017] 考慮福射損耗時(shí),信號(hào)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(shù),n i為基態(tài)的粒子,n t為總的粒子數(shù),P s表示信號(hào)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(shí)刻,gs為無輻 射下信號(hào)光增益系數(shù),gp為無輻射下栗浦光增益系數(shù),a s為無輻射下信號(hào)光損耗系數(shù),α p 為無輻射下栗浦光損耗系數(shù),arads為信號(hào)光的輻射損耗系數(shù),a Mdp為栗浦光的輻射損耗 系數(shù)。為了更好地分析光纖自身的微觀性能參數(shù)在輻射環(huán)境中對(duì)H)FA的影響,這里給出 Saleh速率方程將(1) (2)轉(zhuǎn)換成微觀參數(shù)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(shù)密度,Ii1 (z, t)為基態(tài)的粒子數(shù)密度,nt(z, t)表 示總的粒子數(shù)密度,〇sa是信號(hào)光吸收截面,σ M是信號(hào)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(hào)光模場(chǎng)和摻雜Er3+分布之間的重合積分,Γ p是栗浦 光模場(chǎng)和摻雜Er3+分布之間的重合積分,h為普朗克常數(shù),V 3為信號(hào)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(shù)壽命,其型值為l〇ms。
[0024] EDFA正常工作時(shí)處于穩(wěn)態(tài)過程,則有
從而可以得到
[0026] 此外,對(duì)于信號(hào)光和栗浦光的輻射損耗系數(shù)可以用1310nm波長輻射吸收損來進(jìn) 行估計(jì)
[0028] 其中,λ是信號(hào)光或者栗浦光波長,λ。是一個(gè)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(diào)整參數(shù)。
[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(dāng)A增大時(shí),激發(fā)態(tài)粒子數(shù)η 2就 會(huì)增加,顯然H)FA的增益就會(huì)有所提高?;谶@一點(diǎn),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(shí)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(guān)系滿足
[0034] 其中,nOT,I^1分別為光纖芯層和包層折射率。
[0036] 當(dāng)光纖等效摻鉺半徑與光纖的芯徑a之比不變時(shí),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(jié)構(gòu)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(gè)在半徑r范圍內(nèi)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(shè)r/a是 不變的。
[0038] 設(shè)信號(hào)光波長為1550nm,信號(hào)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(nèi) 改變芯徑大小。為了對(duì)不同芯徑的摻鉺光纖進(jìn)行抗輻射性能比較,我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)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??梢钥闯?,芯徑越小需要的摻鉺光纖長度越長;當(dāng)芯徑達(dá)到2. 0 μπι之后,需要的摻鉺光 纖長度已經(jīng)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(dāng)輻射劑量為OGy時(shí),芯徑變化時(shí)增益都保持在20dB,這個(gè)與圖2 設(shè)計(jì)的初始狀態(tài)是一致的。當(dāng)輻射劑量增加到500Gy時(shí),2. 4 μπι的光纖增益衰減了 2dB, 而1. 2 μπι卻衰減了 6dB。并且對(duì)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(dāng)輻射劑量增加到 3000Gy時(shí),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(shì)。一般光纖芯層與包層折射率差 1%,這邊設(shè)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(guān)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(huì)低于 1.4 μπι,這是因?yàn)楫?dāng)芯徑明顯小于光波長之后,光的一部分模場(chǎng)會(huì)在包層傳輸,此時(shí)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(dāng)?shù)刃姐s半徑與芯徑之比不變時(shí),增大芯徑能夠提高摻鉺光纖的抗 輻射能力,并且為了達(dá)到一定增益時(shí)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(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)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(jìn)和潤飾,這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(dāng)光纖等效滲巧半 徑與光纖的忍徑a之比不變時(shí),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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(dāng)光纖等效摻鉺半徑與光纖的芯徑a之比不變時(shí),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(hào)】CN105207046
【申請(qǐng)?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(qǐng)人】南京大學(xué)(蘇州)高新技術(shù)研究院, 南京大學(xué)
【公開日】2015年12月30日
【申請(qǐng)日】2015年10月22日