这篇文档属于类型a，是一篇关于抗辐射掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA）实验与模拟分析的原创研究论文。以下为详细学术报告：
一、作者与发表信息
本研究由法国Université Jean Monnet的Alberto Facchini, Adriana Morana, Sylvain Girard（通讯作者）等团队主导，联合意大利Politecnico di Bari、法国Exail公司等机构合作完成，发表于期刊Applied Sciences（2023年10月，卷13期11589），标题为《Experimental–Simulation Analysis of a Radiation Tolerant Erbium-Doped Fiber Amplifier for Space Applications》。论文遵循Creative Commons Attribution (CC BY) 4.0许可协议开源发布。
二、学术背景
研究领域与动机
研究聚焦于空间应用的光纤放大器抗辐射性能，属于光纤通信与辐射效应交叉领域。掺铒光纤放大器（EDFA）是卫星光通信的核心组件，但太空中的电离辐射（如质子、电子）会通过辐射诱导衰减（Radiation-Induced Attenuation, RIA）和光谱参数劣化导致EDFA增益下降。传统EDFA因掺铝（Al）/磷（P）的二氧化硅基质对辐射敏感，需通过铈（Ce）共掺杂或氢预处理提升抗性。
研究目标
- 量化铈共掺杂EDFA在0.28 Gy/s和0.093 Gy/s剂量率下、总剂量3 kGy（SiO₂）的辐射耐受性；
- 结合实验与模拟，解析RIA对增益退化的主导作用；
- 开发新型RIA测试装置，减少泵浦光注入中断对光漂白（Photobleaching, PB）效应的低估。
三、研究流程与创新方法
1. 研究对象与参数
- 光纤样本：Exail公司制造的铈/铒共掺杂铝硅酸盐光纤（core/cladding: 2.8⁄127 μm，Er³⁺浓度1.21×10¹⁹ ions/cm³）。
- EDFA参数：4.3 m长光纤，50 mW@980 nm泵浦，1 μW@1550 nm信号，同向泵浦配置（优化增益31.8 dB）。
2. 实验与模型构建
(1) 光谱参数表征
- 吸收/发射截面：通过截断法（cutback technique）测量辐射前后光纤损耗，结合McCambridge理论计算截面变化（1530 nm处截面差≤0.5×10⁻²⁵ m²）。
- 能级寿命：采用时间分辨发光（Time-Resolved Luminescence, TRL）技术测得⁴I₁₃/₂能级寿命为8.72 ms（辐射后变化%）。
- 结论：辐射对光谱参数影响微弱（增益贡献%），RIA是性能退化的主因。
(2) 新型RIA测试装置
- 改进设计：传统方法因泵浦光间歇性中断（如15分钟周期内80%注入）高估RIA。本研究采用双光开关系统（LabVIEW控制），将泵浦注入时间占比提升至97%-99%，更接近实际EDFA连续工作状态。
- 测量条件：两种剂量率（0.28 Gy/s、0.093 Gy/s），19 cm光纤样本，50 mW泵浦功率，同步监测980 nm和1550 nm的RIA。
(3) 理论模型
- 速率方程与功率传输方程：构建铒离子五能级系统模型（含⁴I₉/₂、⁴I₁₁/₂、⁴I₁₃/₂、⁴S₃/₂能级），考虑自发辐射、受激吸收/发射、离子相互作用（如均匀上转换cup=4×10⁻²⁴ m³/s）。
- 算法优化：基于粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）和牛顿-拉夫森法求解非线性方程组，采用Runge-Kutta迭代法处理边界问题。
(4) 增益退化实验
- 4.3 m EDFA在相同辐射条件下测试，对比模拟与实测增益退化曲线。
四、主要结果与逻辑关联
RIA剂量依赖性
- 980 nm RIA：由Al-OHC缺陷（吸收峰540 nm）主导，剂量率0.28 Gy/s时RIA达7.5 dB/m（3 kGy），恢复率10%。
- 1550 nm RIA：未知缺陷导致，几乎无恢复（>97%泵浦注入时无衰减），验证其稳定性。
- 光漂白效应：泵浦时间占比99%时，RIA值较85%注入降低20%（980 nm）和50%（1550 nm）。
增益退化模拟与实验一致性
- 0.093 Gy/s剂量率下，模拟与实测增益误差%（泵浦占比99%），而传统方法（85%泵浦）误差达20%。
- 高剂量率下，RIA增速更快，证明剂量率依赖性（低剂量率缺陷复合时间更长）。
铈共掺杂的作用
- 保持⁴I₁₃/₂能级寿命稳定（8.72 ms vs. 未掺杂光纤的10 ms），抑制辐射诱导基质环境变化。
五、结论与价值
科学价值
- 明确RIA是EDFA空间应用性能退化的首要因素，光谱参数变化可忽略；
- 揭示铈共掺杂通过捕获电离产生的电子/空穴，稳定铒离子局域环境。
应用价值
- 新型RIA测试装置与仿真代码可为航天级EDFA设计提供高精度预测工具；
- 验证低剂量率（0.093 Gy/s）和近连续泵浦（99%）下的最优抗辐射方案。
六、研究亮点
- 方法创新：开发双开关RIA测试系统，最小化泵浦中断对PB效应的影响；
- 模型精度：多物理场耦合模型（辐射+光谱+热效应）误差%；
- 工程指导：提出太空任务中EDFA应优先优化泵浦注入占比而非仅依赖材料改性。
七、其他
论文数据可通过通讯作者申请获取，实验装置设计已开源（LabVIEW代码）。研究受法国国家研究局（ANR）”France 2030”计划资助（EUR MANUTECH SLEIGHT-ANR-17-EURE-0026）。