信息時代的發展需要建立覆蓋范圍更廣、傳輸速率更快、傳輸容量更大的通信網絡系統。作為被普遍看好的下一代空間通信技術，空間激光通信有著傳統微波通信無法比擬的眾多優勢： （1）通信容量大。激光的頻率比微波高3～4個數量級，頻段更寬，短時間內可傳輸大量數據；

（2）通信速率高、功耗低。激光通信的速率能達到10Gbit/s，甚至更高。傳輸過程中能量集中，不易分散，功耗也比微波低；

（3）抗干擾能力強。激光的束散角極窄，不容易被偵收和干擾。

在此背景下，以激光為信息載體的空間通信系統得到越來越多的關注，空間通信技術也逐步發展并引發各國研究熱潮，并取得了很大進展。

圖1 衛星激光通信示意圖 空間激光通信由發射和接收系統構成，發射端將激光放大到足夠功率，向對方發射被調制的激光脈沖信號（聲音或數據）；接收端通過光學天線將收集到的光信號進行放大，然后檢測有用信號，其原理如圖1所示。由于是自由空間光通信，通信鏈路中無法實現中繼放大，因此除了要保證比較高的調制速率外，還需要能有較大的發射光功率。這就導致半導體激光器在空間通信系統中具有無法逾越的瓶頸。然而，1550nm光纖激光由于處于現有通信系統波段，可以通過鉺纖和鉺鐿共摻光纖進行放大，輸出功率高，抗干擾能力強，因此成為空間激光通信系統首選激光光源。

空間通信距離一般都很遠，因此激光信號需要放大器進行足夠放大，才能將光信號傳輸的更遠。到達接收端時，長距離的傳輸使信號變得非常微弱，也需要將信號再次進行放大，才能進行解調。因此，摻鉺光纖放大器的出現使1550nm空間激光通信成為可能。隨著空間通信技術的不斷發展，摻鉺及鉺鐿共摻光纖放大器憑借寬帶寬、低損耗的光學性能和輕重量等優點受到廣泛關注，并成功搭載在衛星上承擔空間通信、數據傳輸等任務，目前其數據傳輸速率可達TB/s量級成為了1550nm空間激光通信的關鍵核心器件。

另外，衛星空間通信系統多處于太空中，大量輻射粒子嚴重影響器件的壽命。因此，摻鉺及鉺鐿共摻放大器必須具備抗輻照性能，其嚴重依賴于抗輻照鉺纖及鉺鐿共摻光纖。國內抗輻照鉺纖及鉺鐿光纖又嚴重依賴進口，這嚴重制約了我國空間激光通信的發展。

抗輻照摻鉺光纖

相比于無源光纖，摻鉺光纖對輻照更加敏感，在太空及高能物理設施等輻射環境中很容易受到輻照，光學性能指標會下降，最終影響光器件的正常工作。傳統的物理屏蔽方法雖然可以起到隔離高能量射線的作用，但這種方式存在重量過高，體積過大的問題，無法應用在現代太空精密設備中。因此，提升有源光纖自身的抗輻照性能才是解決有源光纖在太空中應用難題的有效途徑。

目前的研究表明，輻照時光纖產生缺陷的機理主要有兩種：電離損傷和位移損傷。電離損傷是當光纖收到輻照時其中的電子吸收入射粒子能量躍遷到導帶，同時在價帶中產生對應空穴，即電子-空穴對。位移損傷是當輻照引入到光纖基質中的粒子能量足夠大時，高能粒子會導致 Si 或者 O 原子位移從而形成相關缺陷。由于產生位移損傷所需能量高于電離損傷，所以電離損傷是引起有源光纖輻照損傷的主要機制。光纖通過輻照后，會導致光纖產生輻照損耗，降低系統的增益提高光纖的背景損耗，這些都會導致光學系統處于不穩定狀態甚至無法正常工作。

抗輻照摻鉺光纖技術

長進激光采用鈰離子摻雜技術消除輻照產生的色心，通過調控鋁和鈰的摻雜濃度和比例提升光纖的抗輻照性能，利用鑭離子降低鉺離子團簇效應，提升光纖效率，最終制備出了具有良好抗輻照性能的摻鉺光纖，其中Er3+的摻雜濃度約為1.9×1025 （Ions/m3），所制備光纖纖芯和包層的直徑分別為9μm和125μm。考慮到真實太空環境下的輻照劑量處于102 ~105 Gy量級之間，因此選擇了1500Gy輻照劑量與0.2Gy/s的劑量率來測試抗輻照摻鉺光纖的輻致損耗與輻致增益變化。圖2為抗輻照摻鉺光纖截面圖。

圖2 抗輻照摻鉺光纖截面 圖3為C波段抗輻照摻鉺光纖在輻照前與經過1500Gy劑量輻照后的吸收譜以及相應的輻致損耗譜。其中圖3（a）為泵浦波段，圖3（b）為信號波段。吸收譜均使用PHOTON KINETICS 2500吸收譜測試儀進行截段法測試。輻致損耗譜由輻照后與輻照前的吸收譜作差得到，在常用的泵浦吸收波段980nm的輻致損耗約為1.4dB/m，在C波段信號1550nm處的輻致損耗約為0.8dB/m。

圖3抗輻照摻鉺光纖的原始光纖吸收譜、輻照光纖吸收譜以及對應的輻致損耗。（a）泵浦波段；（b）信號波段 圖4為C波段抗輻照摻鉺光纖的增益測試結構圖。采用典型的前向泵浦EDFA結構，WDM（Wavelength Division Multiplexing）為波分復用，ISO（Isolator）為隔離器。信號光源采用可調諧C波段光源，泵浦源采用高穩定性980nm泵浦源，原始與輻照后的摻鉺光纖測試長度均為2.7m。實驗中將原始光纖與輻照后的光纖分別接入增益測試系統進行測試，采用功率為-20dBm的1550nm信號，將980nm泵浦源的功率由50mw逐步提升至550mw，同時記錄摻鉺光纖的增益水平。增益測試結果均由橫河AQ6370D光譜儀測得。

圖4 C波段抗輻照摻鉺光纖增益測試系統與光纖截面 圖5為C波段抗輻照摻鉺光纖在輻照前后的增益隨泵浦變化曲線。原始光纖在100mw泵浦條件下的增益為27dB，1500Gy輻照光纖在同等條件下的增益為26.2dB，兩者作差得到輻致增益變化為僅0.8dB。隨著泵浦功率的提升，光纖逐步接近增益飽和。由于泵浦漂白作用，在泵浦功率為500mW時，原始光纖增益達到36.8dB，輻照光纖增益為36.6dB，輻致增益變化減小到0.2dB。

圖5 抗輻照摻鉺光纖輻照前與輻照后在1550nm處增益隨泵浦功率變化曲線

以MCVD技術制備的抗輻照摻鉺光纖經過1500Gy劑量，0.2Gy/s平均劑量率輻照后其RIA在980nm和1550nm分別為1.4dB/m和0.8dB/m。通過搭建EDFA進行輻致增益衰減的測試，測試結果顯示在1550nm處的RIGV在泵浦功率100mW和500mW下分別為0.8dB和0.2dB。該摻鉺光纖抗輻照性能優越，在衛星通信、數據采集和太空探測等領域具有廣闊的應用前景。

隨著有源光纖在輻照環境下的應用越來越廣泛，目前國內很多光纖生產企業都對抗輻照光纖進行深入的研究。武漢長進激光技術有限公司（長進激光）經過多年的技術積累和創新研發，通過在光纖制備時改變光纖摻雜元素、光纖結構等手段，現已成功研制出高性能的抗輻照摻鉺光纖與抗輻照鉺鐿共摻光纖，得到客戶的肯定。隨著科學技術的不斷發展，抗輻照光纖的應用也必定會越來越廣泛，長進激光會持續在抗輻照光纖領域加大研發力度，為更多的潛在客戶提供高性能的抗輻照有源光纖。

審核編輯 ：李倩