一种基于高能粒子辐照的增益平坦的掺铒光纤放大器

摘要

本发明公开了一种基于高能粒子辐照的增益平坦的掺铒光纤放大器，包括输入模块、共掺铝掺铒光纤、辐照模块和反馈模块，所述反馈模块包括微处理器和检测模块，输入模块，用于将接收的激光信号依次输入至共掺铝掺铒光纤后输出放大信号；辐照模块，用于对共掺铝掺铒光纤进行高能粒子辐照；检测模块，用于探测放大信号的增益是否平坦，若不平坦则输出控制信号至微处理器；微处理器，用于当接收到控制信号时控制高能粒子的辐照剂量，实现放大信号的增益平坦。本发明从EDFA的辐射效应出发，在光纤器件掺杂的基础上通过控制高能粒子的辐射剂量达到使得掺铒光纤增益更加平坦的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤放大器技术领域，特别是一种基于高能粒子辐照的增益平坦的掺铒光 纤放大器。

背景技术

卫星激光通信系统需要大输出光功率，在此基础上进一步提高调制速率的难度很大， 而卫星激光通信链路中很难中继放大，因此选择采用掺铒光纤光放大器(EDFA)和激光器 或者调制器组成调制子系统作为解决方案。然而，卫星激光通信终端位于宇宙空间，受到 的空间辐射日积月累，EDFA受到空间辐射后性能和参数变化比较明显。

经过长期实验研究表明，EDFA在空间环境中由于长期受到大量辐射性能会有所变化， 这种现象被称为EDFA的辐射效应。EDFA的辐射效应主要表现为电离效应和位移效应两个方 面。

EDFA的位移效应是由于受到具有较高能量的质子和中子等辐射，质子和中子等高能粒 子与辐射造成的次级粒子同EDFA中的原子发生碰撞，致使EDFA少数原子成为间隙原子。长 期累积的位移效应会严重影响EDFA中的掺铒光纤等器件的特性，导致EDFA的性能大幅下 降。EDFA的辐射效应会影响EDFA中的多个器件，比如EDFA的位移效应会改变泵浦激光器的 材料晶格结构，降低泵浦效率，导致EDFA的增益性能下降，然而EDFA中的掺铒光纤作为光 纤类器件由于色心效应受辐射的影响最为严重。

目前，对于常规EDFA为了能够放大波分复用的各路信号，主要采用了掺杂的方式实 现在某一波段放大增益平坦，但仅靠掺杂技术并不能使得掺铒光纤放大器增益的掺铒光纤 放大器的完全精确平坦，在一定程度上是存在倾斜的。虽然目前波分复用技术还能够通过 相关技术良好的使用EDFA进行信号放大，但是随着技术的发展，这个可能会限制密集波 分复用技术的进一步发展。掺铒光纤放大器受到高能粒子辐照后光学性能会下降，人们都 认为高能粒子只能起到危害的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于高能粒子辐照的 增益平坦的掺铒光纤放大器，本发明通过利用高能粒子辐照来进一步提高掺铒光纤放大器 增益的平坦度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于高能粒子辐照的增益平坦的掺铒光纤放大器，包括输入模 块、共掺铝掺铒光纤、辐照模块和反馈模块，所述反馈模块包括微处理器和检测模块，其 中；

输入模块，用于将接收的激光信号依次输入至共掺铝掺铒光纤后输出放大信号；

辐照模块，用于对共掺铝掺铒光纤进行高能粒子辐照；

检测模块，用于探测放大信号的增益是否平坦，若不平坦则输出控制信号至微处理器；

微处理器，用于当接收到控制信号时控制高能粒子的辐照剂量，实现放大信号的增益 平坦。

作为本发明所述的一种基于高能粒子辐照的增益平坦的掺铒光纤放大器进一步优化 方案，所述辐照模块与共掺铝掺铒光纤均设置在同一密封装置中。

作为本发明所述的一种基于高能粒子辐照的增益平坦的掺铒光纤放大器进一步优化 方案，所述高能粒子的辐照剂量与传输波长、共掺铝掺铒光纤掺杂离子种类和浓度以及共 掺铝掺铒光纤的长度均相关。

作为本发明所述的一种基于高能粒子辐照的增益平坦的掺铒光纤放大器进一步优化 方案，所述辐射模块中采用Co⁶⁰高能粒子。

作为本发明所述的一种基于高能粒子辐照的增益平坦的掺铒光纤放大器进一步优化 方案，检测模块根据预设的平坦要求值判断放大信号的增益是否平坦。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明在已经掺杂使得EDFA增益平坦的基础上，利用掺铒光纤放大器的辐射效 应，进一步提高EDFA的增益平坦性；

(2)本发明利用光学器件的辐射效应，有利于在辐射条件下的进一步推广使用。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2a是未掺杂的EDFA的增益谱。

图2b是共掺铝的EDFA的增益谱。

图3是辐射后的共掺铝EDFA损耗-波长曲线。

图4是辐射后的共掺铝EDFA的增益谱。

图5是进一步辐射的共掺铝EDFA的增益谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明在研究掺铒光纤放大器辐射效应的基础上，利用掺铒光纤的辐射效应，构建了 一种可以使得掺铒光纤增益趋于平坦的方法，其构建了一个能够利用高能粒子对EDFA进 行辐照以进一步提高EDFA增益平坦性的系统。本发明提出一种基于高能粒子辐照的进一 步提高掺铒光纤放大器增益平坦性方法，如图1所示，一种基于高能粒子辐照的增益平坦 的掺铒光纤放大器，包括输入模块、共掺铝掺铒光纤、辐照模块和反馈模块，所述反馈模 块包括微处理器和检测模块，其中；

输入模块，用于将接收的激光信号依次输入至共掺铝掺铒光纤后输出放大信号；

辐照模块，用于对共掺铝掺铒光纤进行高能粒子辐照；

基于Saleh模型的EDFA辐射模型，由EDFA放大原理可知EDFA的输出信号光强由EDFA 的输入信号光强和EDFA的泵浦光强两部分合成，近似认为EDFA中的器件也由用于输入信 号光功能和用于泵浦功能的两部分组成，因此分别对EDFA的信号光强和EDFA的泵浦光强 加入对应的辐射系数协和，则基于Saleh模型的EDFA辐射模型可以写为

$I_{sout}={\beta }_p{I}_p\exp [-{\alpha }_{p}L+\frac{1}{p_p^{sat}}(I_{sin}-I_{sout})]+{\beta }_s{I}_{\sin }\exp [-{\alpha }_{s}L+\frac{1}{p_p^{sat}}(I_{sin}-I_{sout})]---\left(1\right)$

对于不同的EDFA，其对应的辐射系数β_s和β_p并不相同，但是EDFA的辐射效应主要体 现在掺铒光纤的辐射效应，因此用下面的掺铒光纤辐射系数表达式计算

β(λ)＝c(λ)R^1-f(λ)D^f(λ)(2)

式中对某一具体波长的光，c(λ)和f(λ)是常数，R是辐射速率，D是辐射剂量，R和 D是决定辐射系数大小的两个物理量。

检测模块，用于探测放大信号的增益是否平坦，若不平坦则输出控制信号至微处理器；

微处理器，用于当接收到控制信号时控制高能粒子的辐照剂量，实现放大信号的增益 平坦。

EDFA的增益是指EDFA对功率的增加程度，通常用分贝(dB)表示，如果以p_sout代表EDFA 的输出信号光功率，p_sin代表EDFA的输入信号光功率，G代表EDFA的增益，那么

$G=10\lg \frac{p_{sout}}{p_{sin}}---\left(3\right)$

我们还可以用EDFA的增益系数来详细描述EDFA的增益，关于增益系数有下面一个理 论公式

$\frac{dp\left(x\right)}{dx}=g\left(x\right)p\left(x\right)---\left(4\right)$

式中x是EDFA信号光在掺铒光纤中的传输距离，p(x)是掺铒光纤中x处的信号光功 率，g(x)是掺铒光纤中x处的增益系数。通过实验，得到EDFA的增益谱如下：

如图2a所示为未掺杂的EDFA的增益曲线，在1530nm-1570nm波段范围内，其增益谱 随着波长变化有较明显波动，在1530nm和1570nm附近为波峰，增益谱斜率较大。在此波 段，EDFA的增益随着波长的增加而降低；如图2b为共掺铝的EDFA增益曲线，相比未掺杂 的EDFA，掺杂后的EDFA的增益曲线在1530-1570nm波段更加平坦，波峰波谷较不明显， EDFA的增益仍随着波长增加而降低，但是曲线斜率已明显降低。根据增益平坦度(ΔG) 的计算公式，ΔG＝±(G_max-G_min)/2，其中，G_max为增益最大值，G_min为增益最小值，经 计算，此时增益平坦度为±3dB。

根据Rose课题组对不同型号的掺铒光纤分别进行了辐射实验，实验采用γ射线和质 子两种辐射源，实验结果表明，光纤辐射损耗与辐射总剂量成线性增长，且在实验采用的 信号光波长条件下，信号光波长越短光纤辐射损耗越大，如图3所示，为高能粒子辐照后 共掺铝掺铒光纤的波长-损耗图，由图可见，在相同辐射剂量情况下，短波长的倾角大， 长波长的倾角小，即在等辐射剂量下短波长损耗大，长波长损耗小。

我们不妨设未辐射的掺铝EDFA的增益为g,同等辐射剂量下的掺铝EDFA的辐射损耗为 α，辐射后的掺铝EDFA的增益为g',g'＝α+g，其中α<0,g>0。由前文可知，在c波段中， 小波长的辐射损耗大，但是增益g也大；长波长的辐射损耗小，增益也小。因而，通过控 制辐射剂量，可使得掺铝EDFA增益在不同波长条件下的增益更加接近，即EDFA的增益谱 更加平坦，其结果如图4所示。此时，增益平坦度达到±2dB。共掺铝EDFA的增益谱在1530nm 和1570nm附近的波峰进一步缩小，其波峰波谷更不明显，曲线斜率进一步降低，增益曲 线更加平坦。在精确控制辐射剂量，对共掺铝EDFA进一步辐射的条件下，可以达到使得 共掺铝EDFA的增益更加平坦的效果，增益曲线的斜率进一步降低，近似水平，但由于EDFA 增益的非线性，其增益谱不能完全呈线性水平，如图5所示。其增益平坦度达到±0.5dB。 达到目前EDFA增益平坦度的较高要求。

所述辐照模块与共掺铝掺铒光纤均设置在同一密封装置中。

所述高能粒子的辐照剂量根据传输波长、共掺铝掺铒光纤掺杂离子种类和浓度以及共 掺铝掺铒光纤的长度均相关。

所述辐射模块中采用Co⁶⁰高能粒子。检测模块根据预设的平坦要求值判断放大信号的 增益是否平坦，所述平坦是预设的平坦要求，所述增益平坦度是指在给定带宽范围内的增 益“剧烈增加”和“快速下降”的数值，以分贝(dB)衡量。根据实际工业生产需要，本发 明中可的增益平坦度可达到±0.5dB。

EDFA中的掺铒光纤作为光纤类器件由于色心效应受辐射的影响最为严重，因而在密闭 空间中用高能粒子对光纤部分进行辐照即可。在已掺杂平坦的掺铒光纤基础上进行辐射， 辐射采用的掺铒光纤为共掺铝掺铒光纤，使得掺杂后的掺铒光纤放大器的增益进一步平 坦。

综上可知，当将EDFA的辐照结构按照上述方案设计时，可以使本发明过程中设计的 EDFA增益曲线更加平坦。对于空间通信系统来说，放大器性能的提升将明显改善系统性能， 提高系统的抗辐射能力，为空间高速率通信提供更加可靠的技术支持。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本 发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。