基于锗-铈共掺技术的抗辐射铒掺杂光纤研究报告

第一，研究的主要作者、机构、发表期刊及时间

本项研究的主要作者包括Chi Cao, Zhimu Gu, Qiang Qiu, Le He, Yingbo Chu, Yingbin Xing, Nengli Dai, 以及Jinyan Li。所有作者均隶属于华中科技大学武汉光电国家实验室。该研究成果以论文形式发表在IEEE Photonics Journal期刊上，具体于2022年8月见刊（卷14，第4期）。

第二，研究的学术背景

本研究隶属于特种光纤与光纤器件领域，具体聚焦于辐射硬化技术在稀土掺杂光纤，特别是掺铒光纤及其放大器中的应用。随着掺铒光纤放大器因其高增益、结构紧凑、重量轻等优势在卫星通信、遥感、导航等太空应用中日益广泛，其面临的一个严峻挑战是太空环境中的宇宙射线辐射。辐射会显著恶化EDFA的性能，主要表现为辐射诱导吸收 和由此导致的辐射诱导增益退化。传统掺铒光纤中的二氧化硅基质以及共掺的铝（Al）或磷（P）等元素在辐射下会产生多种色心，这些色心的吸收带常位于可见光或紫外波段，其尾部吸收会延伸到掺铒光纤的工作波长（如980nm泵浦光和1530/1550nm信号光），从而消耗泵浦功率并吸收信号，导致放大器增益下降。因此，提升稀土掺杂光纤的辐射耐受性是其在严苛辐射环境中应用的关键课题。

目前，已有多种辐射硬化技术被提出，例如在光纤中加载氢/氘、采用碳涂层辅助孔结构、使用纳米颗粒掺杂工艺等。其中，通过组分设计来实现硬化（Hardening-by-component）是一种重要途径。已有研究表明，在块体光学材料中共掺铈可以改善其辐射耐受性，而在稀土掺杂光纤中掺锗也显示出对辐射硬化的积极影响，其机制可能涉及锗与铝/磷在俘获空穴或电子方面的竞争。为了应对未来更严酷的太空辐射环境，本研究团队创新性地提出将锗和铈共掺的策略应用于掺铒光纤中，旨在协同提升其抗辐射性能。据作者所知，这是首次在EDF中采用Ge-Ce共掺策略来实现辐射硬化。本研究的目标是，通过实验系统探究不同Ge/Ce掺杂浓度的EDF在伽马射线辐射下的响应，详细分析其RIA和RIGD特性，并探讨Ge和Ce增强辐射耐受性的可能机制。

第三，研究的详细工作流程

本研究工作流程清晰，主要包含光纤制备、辐射实验、性能测试与数据分析、机理探讨四个主要环节。

1. 光纤样品制备： 研究团队采用改进的化学气相沉积法（Modified Chemical Vapor Deposition, MCVD）制备了三种不同锗（Ge）和铈（Ce）掺杂浓度的铒掺杂光纤，分别命名为EDF1、EDF2和EDF3。三种光纤均含有相似含量的铝（Al）以削弱铒离子的团簇效应，且铒离子浓度相近，保证了光纤在980nm和1530nm处的本征吸收系数处于同一水平（低吸收型EDF），核心/包层尺寸均为9/125 μm。它们的Ge和Ce掺杂浓度设计具有明确的对比性：EDF1和EDF2具有相似的Ge浓度，但EDF2的Ce浓度约为EDF1的三倍；EDF3具有与EDF2相似的Ce浓度，但其Ge浓度约为EDF2的三倍。这种设计旨在分离并考察高浓度Ce掺杂以及在高Ce基础上高浓度Ge掺杂对辐射性能的影响。

2. 辐射实验处理： 为了模拟太空任务中的辐射环境（典型剂量范围为300-1000 Gy），研究将三种EDF光纤样品置于钴-60（Co60）放射源下进行伽马射线辐照。辐照在室温下进行，设定四种累积剂量：250 Gy、500 Gy、750 Gy和1000 Gy，平均剂量率为0.2 Gy/s。这一剂量范围覆盖了从低到高的典型空间辐射剂量。

3. 性能测试与数据分析：

   • 辐射诱导吸收测试： 采用截断法（Cutback Method）测量三种EDF在辐照前以及经受不同剂量辐照后（辐照结束后3-4小时进行，以避免辐射诱导吸收的弛豫影响）在600 nm至1600 nm波段的吸收光谱。通过计算辐照前后吸收光谱的差异，得到单位长度（每米）的RIA光谱。测试系统包括宽带光源、待测光纤、光谱分析仪等。
   • 辐射诱导增益退化测试： 构建了一个典型的掺铒光纤放大器（EDFA）测试平台。使用一个C波段可调谐激光器产生1550 nm、功率为-20 dBm的信号光。将未经辐照的原始光纤以及经受不同剂量辐照后的光纤（每次长度固定为4米）分别接入放大器中进行增益测试。放大器采用980 nm泵浦，通过调整泵浦功率（最高至200 mW）来测量不同泵浦功率下的增益。通过比较辐照前后的增益值，计算出在1550 nm处的辐射诱导增益退化（RIGD）。测试中，熔接损耗带来的误差被控制在0.2 dB以内，对结果比较影响较小。此外，研究还特别观察了光漂白（Photo-bleaching）效应：在每次增益测试前，先对辐照后的EDF进行2分钟的泵浦，以考察泵浦光对辐射损伤的部分恢复作用。

4. 数据与机理分析工作流： 研究团队首先对不同光纤在不同辐射剂量下的RIA光谱进行对比分析，观察其随波长和剂量的变化规律，并比较三种光纤（EDF1/2/3）的RIA水平差异。接着，分析基于这三种光纤的EDFA在1550 nm处的RIGD随泵浦功率和辐射剂量的变化曲线，特别关注了高泵浦功率下的光漂白效应。最后，基于实验结果（特别是EDF2与EDF1、EDF3与EDF2的对比），结合已有的文献理论，对Ge和Ce共掺可能起作用的辐射硬化机理进行了深入讨论，提出了可能的缺陷反应模型来解释观测到的性能提升。

第四，研究的主要结果

本研究的实验结果系统而明确，有力地支持了Ge-Ce共掺提升EDF辐射耐受性的结论。

1. 辐射诱导吸收结果： 如图4和图5所示，辐照导致所有EDF的吸收系数增加，且吸收系数随辐射剂量的增加而升高。短波长波段（靠近紫外/可见光区域）的RIA普遍高于长波长波段（近红外区域）。通过对比三种光纤的RIA光谱发现：

   • EDF3（高Ge高Ce）在所有测试剂量下都表现出最佳的辐射耐受性，即RIA最低。
   • 对比EDF1（低Ge低Ce）和EDF2（低Ge高Ce）可以发现，在Ge浓度相近的情况下，高浓度Ce掺杂能显著改善EDF在高剂量和低剂量环境下的辐射耐受性。EDF2的RIA在各个波段均明显低于EDF1。
   • 对比EDF2（低Ge高Ce）和EDF3（高Ge高Ce）可以发现，在高Ce掺杂的基础上，进一步高浓度掺杂Ge可以进一步提升EDF的辐射耐受性，尤其是在高剂量（750 Gy和1000 Gy）条件下，这种改善效果更为明显。
   • 此外，在RIA光谱中观察到了一个相对清晰的铒离子吸收带，推测可能是部分Er3+在辐射下俘获电子形成了Er2+所致。

2. 辐射诱导增益退化结果： 首先，基于三种原始EDF构建的EDFA在未辐照时增益曲线非常接近（图6），证明高浓度的Ge和Ce掺杂并未劣化光纤的基本放大性能。RIGD测试结果（图7，图8）与RIA结果高度一致：

   • 随着泵浦功率增加，出现了明显的光漂白现象，但在泵浦功率达到100 mW后趋于平缓。光漂白效应可以部分恢复辐照后EDF的放大性能，但对于EDF1这种辐射损伤较严重的样品，在高剂量下恢复程度有限。
   • 在低剂量（250 Gy）条件下，EDFA1、EDFA2和EDFA3的RIGD都小于2 dB，表现相近。但随着剂量增加，EDFA1出现了严重的增益退化（在1000 Gy时RIGD > 10 dB）。
   • EDFA2和EDFA3在低剂量和高剂量下均表现出优异的辐射耐受性。特别值得注意的是，EDFA3（基于高Ge高Ce的EDF3）在1000 Gy的极高剂量下，在100 mW泵浦时仅产生了0.8 dB的RIGD，性能极为突出。在750 Gy和1000 Gy剂量下，EDFA2和EDFA3的增益下降比例分别为9.3% vs 2.3% 和 12.3% vs 2.9%，EDFA3的优势非常明显。

3. 结果之间的逻辑关系与对结论的贡献： RIA测试从光谱吸收层面直接揭示了Ge-Ce共掺对抑制辐射诱导色心形成的有效性，而RIGD测试则从实际放大器应用层面验证了这种有效性。两者结果相互印证，共同指向一个结论：重掺铈是提升掺铒光纤抗辐射性能的有效策略，而在重掺铈的基础上再重掺锗，可以进一步，尤其是在高剂量辐射环境下，显著提升其辐射耐受性。 EDF3（高Ge高Ce）在两种测试中均表现最佳，这为其成为适用于严苛辐射环境的理想候选材料提供了坚实的数据支持。

第五，研究的结论与价值

本研究得出明确结论：基于Ge-Ce共掺策略制备的铒掺杂光纤具有优异的抗辐射性能。通过实验证实，重掺Ge和Ce可以显著降低EDF的辐射诱导吸收。采用这种光纤的EDFA，在高达1000 Gy的累积剂量和0.2 Gy/s的剂量率下，于1550 nm处仅产生0.8 dB的辐射诱导增益退化。此外，研究还深入分析了Ge-Ce共掺增强辐射耐受性的可能机制。

本研究的价值体现在： * 科学价值： 首次系统地将Ge-Ce共掺策略应用于掺铒光纤的辐射硬化研究，通过对比实验明确了Ge和Ce在抑制辐射损伤中的协同作用，并提出了基于空穴俘获竞争的理论模型来解释其机理，丰富了稀土掺杂光纤辐射效应与防护的理论体系。 * 应用价值： 研发出的高性能抗辐射掺铒光纤（如EDF3）为解决EDFA在卫星通信、空间站、深空探测等严酷辐射环境中的长期稳定工作问题提供了切实可行的材料方案。其极低的RIGD指标表明，该技术有望满足未来高剂量、长寿命空间任务对光纤放大器的苛刻要求。

第六，研究的亮点

1. 研究方法的创新性： 这是首次在掺铒光纤中采用Ge-Ce共掺的策略来实现辐射硬化，开辟了通过特定元素组合共掺来协同提升光纤抗辐射性能的新研究方向。
2. 实验设计的系统性： 研究设计了三种具有明确浓度梯度对比的EDF样品（EDF1: 低Ge低Ce；EDF2: 低Ge高Ce；EDF3: 高Ge高Ce），使得能够清晰地分离和评估Ce掺杂以及Ge-Ce共掺各自对辐射性能的贡献，实验设计严谨、逻辑性强。
3. 性能指标的突出性： 制备的EDF3在1000 Gy高剂量辐射下，其放大器在1550 nm处仅产生0.8 dB的增益退化，这一指标在当前报道的抗辐射EDF中属于非常优异的水平，展示了该技术的巨大应用潜力。
4. 机理分析的深度： 研究不仅停留在性能表征，还结合已有文献，深入探讨了可能的物理机制。通过引入Al-OHC（铝相关空穴色心）、GeE’（锗相关缺陷）和Ce4+等缺陷形成与转化的化学反应方程式，为Ge和Ce如何通过“争夺”辐射诱导的空穴来抑制有害色心（Al-OHC）的产生提供了合理的理论解释，使研究结论更具说服力。

第七，其他有价值的补充内容

研究中对光漂白效应的观察和记录也颇具价值。实验发现，在辐照后对EDF施加泵浦光，可以部分恢复其增益性能，这为实际空间应用中可能通过预泵浦或在线泵浦来缓解辐射损伤提供了一种思路。然而，研究也指出，光漂白效应的恢复程度与辐射剂量和光纤本身的抗辐射能力相关，对于辐射损伤严重的光纤（如EDF1），高剂量下的恢复效果有限，这进一步凸显了从材料本身（如Ge-Ce共掺）提升本征抗辐射能力的重要性。此外，研究提及的关于γ射线可能导致Ce3+转化为Ce4+并释放电子，这些电子可能参与生成Ge(1)等电子中心（其吸收带远离EDFA工作波段）的推测，虽然在本研究波段内未能直接观测证实，但为未来更全面的光谱研究（延伸至紫外波段）提供了方向。