铒掺杂光纤放大器（EDFA）在辐射与温度耦合作用下的响应特性研究

作者及机构
本研究的通讯作者为法国圣埃蒂安大学Hubert Curien实验室的Marine Aubry博士，合作单位包括意大利巴里理工大学、法国ixblue photonics公司以及法国国家空间研究中心（CNES）。研究成果发表于《physica status solidi (a) applications and materials science》期刊，2021年在线发表，DOI编号10.1002/pssa.202100002。

学术背景

研究领域与动机
铒掺杂光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA）作为光通信核心器件，其太空应用面临辐射与温度的双重挑战。太空环境中，卫星平台温度可能跨越-200°C至300°C，同时累积辐射剂量可达数百krad(SiO₂)。传统EDFA在低剂量辐射下即出现显著增益劣化，主要源于铝共掺石英基质中Al-OHC缺陷引起的辐射诱导衰减（Radiation-Induced Attenuation, RIA）。本研究旨在揭示温度与辐射协同作用对EDFA性能的影响机制，为未来深空任务中抗辐射光纤放大器的设计提供理论支撑。

关键科学问题
1. 温度如何调制RIA在泵浦（975 nm）与信号（1550 nm）波长的动力学行为？
2. 现有基于粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）的EDFA模型在高温高剂量条件下是否仍具预测能力？

研究方法与流程

1. 实验设计

研究对象
- 活性光纤：ixblue photonics提供的Al/Ce共掺铒掺杂光纤（Erbium-Doped Fiber, EDF），核心直径2.8 μm，长度6.9 m（增益测试）与80 cm（RIA测试）。
- 辐射源：法国圣埃蒂安实验室的40 keV X射线源，剂量率2.7 mrad(SiO₂)/s，总剂量300 krad。

温度条件
设置-40°C、25°C（室温）、120°C三组温度，覆盖典型太空任务范围。

2. 实验流程

（1）增益动力学测试
- 装置：采用反向泵浦架构（975 nm激光二极管，150 mW；1550 nm探测信号，10 μW），通过Yokogawa光谱分析仪实时监测输出增益。
- 数据采集：每3小时记录一次增益值，辐射后持续监测恢复阶段。

（2）RIA光谱表征
- 方法：使用Energetiq白光光源结合周期性泵浦（80%时间泵浦，20%时间采集透射谱），在900–1600 nm范围内原位测量RIA。
- 计算公式：
[ \text{RIA}(\lambda,t) = -\frac{10}{L}\log\left(\frac{I{300\text{krad}}(\lambda,t)}{I{\text{pristine}}(\lambda,t)}\right) ]
其中(L)为光纤长度，(I)为透射光强。

（3）热-光效应建模
- 折射率温度系数计算：基于光纤组分（SiO₂/Al₂O₃/GeO₂）的摩尔百分比与密度，通过混合规则求解核心与包层的热光系数。
- 重叠因子修正：通过COMSOL Multiphysics模拟温度引起的模场分布变化。

3. 理论模型

PSO优化算法
- 参数反演：利用粒子群算法优化铒离子能级参数（如上转换系数(C{up})、交叉弛豫系数(C{14})），初始种群规模为50，迭代100次。
- 速率方程：包含四能级系统（(^4I{¹⁵⁄₂})至(^4I{⁹⁄₂})）的粒子数方程，耦合泵浦/信号功率传输方程。

辐射效应集成
将实验测得的RIA值作为输入参数，嵌入模型计算增益劣化动力学。

主要结果

1. 温度对RIA的影响

• 泵浦波长（975 nm）：120°C时的RIA达12 dB/m，显著高于-40°C的8 dB/m，表明高温加剧Al-OHC缺陷生成。
  
• 信号波长（1550 nm）：RIA对温度依赖性较弱（3 dB/m变化），暗示其缺陷机制与泵浦波段不同。
  

2. 增益劣化动力学

• 低剂量阶段（<70 krad）：模型与实验吻合良好，三温度下增益劣化均 dB。
  
• 高剂量阶段（>100 krad）：
  
  • 实验现象：120°C时增益完全消失，而模型预测残留3 dB增益，误差达60%。
    
  • 机制分析：高温下泵浦光因高RIA无法穿透全光纤长度，导致模型未考虑的局部粒子数反转失效。
    

3. 热激活效应

• 吸收/发射截面：通过McCumber理论计算显示，温度升高使1550 nm吸收截面（(\sigma_a)）增加而发射截面（(\sigma_e)）降低，此效应未在现有模型中充分体现。
  
• Stark能级占据：高温促使铒离子占据高能Stark子能级，改变跃迁概率分布（图6）。
  

结论与价值

科学意义
1. 首次量化了温度-辐射耦合对EDFA增益的协同影响，证实70 krad为现有模型适用性边界。
2. 揭示了高温通过双重途径（RIA增强与Stark能级重分布）加剧增益劣化。

应用价值
- 设计优化：建议未来太空EDFA采用超额泵浦功率（>150 mW）以突破高剂量下的泵浦穿透限制。
- 模型改进：需引入温度依赖的Stark能级动力学方程，提升高剂量预测精度。

研究亮点

1. 多参数原位监测：同步采集增益、RIA光谱与温度数据，建立全参数关联数据库。
   
2. 跨尺度建模：从缺陷微观生成（Al-OHC）到系统级增益响应，实现多尺度机制解析。
   
3. 太空适用性验证：为ITU-T G.652.D光纤在极端环境的可靠性评估提供实验基准。
   

局限性与展望
当前模型未考虑辐射诱导的光暗化（Photodarkening）效应，后续拟通过引入缺陷反应动力学方程进一步优化。