星载掺铒光纤放大器关键性能参数辐射特性研究

With the rapid growth of the inter-satellite optical communication technique, the practicality of this technique can be realized only by the introduction of EDFAs by using ground communication technique for reference. Considering the deterioration of EDFAs for satellite caused by space radiation, the project will carry the research in the real space radiation environment of GEO (Geostationary Earth Orbit) for 20 years (The totle radiation dose is more than 1000krad). The main research is as follows: Firstly, the first radiation resistant characteric database, which contains all of the key components of EDFAs, can be founded by the radiation experiments of these key components at home. Secondly, the extrapolation method of radiation dose rate and the restriction problem of the measured time should be overcomed firstly. Then, the single-wavelength and multi-wavelength characteristics of EDFAs in the ultra-low radiation dose rate environment can be obtained with the radiation experiment results in the ground. Lastly, in order to understand the application of EDFAs in satellite optical communication systems better, the radiation effect on the EDFAs has been investigated in the communication viewpoints. The research work mentioned above will be a good reference for introducing the EDFAs to the inter-satellite optical communication systems. And it is also really significant to make aerospace standard for the nonstandard optoelectronic devices and help the domestic optoelectronic enterprises to develop their products in the aerospace industry from ground industry.

随着卫星激光通信技术的发展，借鉴地面光通信技术的发展模式，将掺铒光纤放大器(EDFA)引入到卫星终端上才能最终实现卫星激光通信技术的实用化和商用化。考虑到空间辐射会降低星载EDFA的性能指标，本项目将以高轨卫星20年的实际空间辐射环境（总剂量>1000krad）为背景：通过对各个核心单元器件的实验研究,初步建立国内首个涵盖星载EDFA内部所有关键单元器件的抗辐射特性数据库；在解决辐射剂量率的外推问题以及测试时间受限问题后，结合地面模拟空间辐射实验数据，给出超低辐射剂量率下单波长和多波长星载EDFA关键特性参数的辐射特性；从通信系统的角度给出采用星载EDFA技术的卫星激光通信系统的主要性能参数随空间辐射总剂量的变化关系。本项目的完成将为EDFA技术由地面光通信向卫星光通信推广提供必要的理论支撑和参考依据，并对非标准光电器件航天标准的制定以及国内光电企业拓宽其产品在航天领域的应用具有重要意义。

目前在国际上，美国、欧洲、日本以及我国等航天大国都已经基本掌握了中低数据率的卫星激光通信技术。但是正在试验的卫星光通信系统还是按照早期的技术方式直接采用半导体激光器作为信号光源。如果借鉴目前地面光通信的最新调制模式，将EDFA 引入到调制子系统中可以有效地将高功率这个技术指标从可调制半导体激光器中剥离出来，这会大大降低提高大功率半导体激光器调制速率的技术难度，从而真正实现卫星激光通信技术的实用化和商用化。. 要想将EDFA成功引入到卫星激光通信系统中，目前存在的最大技术难题是星载EDFA在空间受到辐射后，其光学性能指标会下降，这会对采用星载EDFA技术的卫星光通信系统的通信质量产生影响。在本项目的开展过程中，我们首先对星载EDFA中的核心器件进行了地面辐射研究，结果表明耦合器与隔离器性能基本不变，设计时不需做额外考虑；普通光纤经过辐射后存在一定程度的损耗增加，需要尽量减少普通光纤的使用；掺铒光纤对辐射十分敏感，设计时需要重点考虑。在了解星载EDFA中的核心器件抗辐射特性后，我们从单波长角度出发给出了单波长EDFA辐射增益模型，并解决了原有EDFA无法直接测试的难题。并在多波长角度提出了采用EDFA黑匣子模型的多波长EDFA辐射增益的测试方法，解决了测试时间对分析多波长EDFA辐射增益的限制。本课题的最终目的在于将地面光纤通信的核心器件EDFA推广到航天领域，为了给出星载EDFA在卫星光通信系统中的影响，我们首先建立了含有大气湍流效应的多种调制方式的链路模型，然后基于这个模型对受辐射后星载EDFA性能下降对整个通信系统的影响。此外，为了降低将星载EDFA引入到卫星光通信系统的技术难度，我们进一步基于自适应技术设计了一种高抗辐射特性的星载EDFA的结构。. 本项目的完成将使总体设计人员能够全面而系统地掌握星载EDFA关键性能参数在实际空间辐射环境中的变化特性，这会为EDFA技术由地面光通信向卫星光通信推广提供必要的理论支撑和参考依据，并对非标准光电器件航天标准的制定以及下一阶段地面光电产业向航天领域推广具有重要意义。在研究成果方面，项目组目前已经在Optics Letters、Optical Express、Journal of Lightwave Technology等国际知名光学期刊及论文集上发表文章18篇，申请专利5项。