1、半導(dǎo)體激光器輻射損傷對(duì)空間光通信誤碼率的影響1、引言相對(duì)于傳統(tǒng)的微波通信方式，衛(wèi)星光通信具有通信容量大，保密性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，設(shè)備體積小、質(zhì)量輕和功耗低等優(yōu)點(diǎn)1，因此受到了國(guó)際上許多國(guó)家和地區(qū)的重視。半導(dǎo)體激光器(LD)是衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵性器件，其工作性能的好壞直接決定著系統(tǒng)性能的好壞。宇宙空間環(huán)境完全不同于地面環(huán)境，其中存在著各種射線及粒子。這種輻射環(huán)境對(duì)LD的工作性能有很大的影響，因此研究LD在空間輻射環(huán)境下的工作性能變得越來(lái)越重要。目前人們普遍關(guān)注LD的性能參數(shù)在輻射環(huán)境下的變化，針對(duì)LD輻射效應(yīng)對(duì)光通信系統(tǒng)性能影響的研究較少?；诳臻g光通信的應(yīng)用背景，文中從速率方程出發(fā)，推

2、導(dǎo)了輻射累計(jì)損傷對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出光功率影響的模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步給出了對(duì)光通信系統(tǒng)判決閾值隨輻射劑量率變化的模型。2、空間輻射對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出光功率累計(jì)損傷的模型宇宙空間環(huán)境存在的輻射源主要有3種：銀河宇宙輻射、地磁捕獲輻射和太陽(yáng)質(zhì)子事件。其中主要包含了質(zhì)子、電子、重離子、a粒子和丫射線等。當(dāng)粒子輻射(中子、電子、質(zhì)子或重離子)光電器件材料時(shí)，晶格中的一個(gè)或多個(gè)核子就很可能被置換，會(huì)造成位移缺陷。當(dāng)器件晶格置換損傷增加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子俘獲,使光電器件的載流子壽命縮短。輻射導(dǎo)致的載流子壽命的減少可以用下式描述:T%(1)式中：工是輻射后的載流子壽命；工為輻射前的載流

3、子壽命；為綜合粒子注量;0K壽命損傷常數(shù)。LD的閾值電流為：(2)式中：e為載流子輻射壽命；r為總載流子壽命,非輻射壽命；a為腔損耗系數(shù)；R為鏡面反射系數(shù)；山為腔長(zhǎng)度。輻射產(chǎn)生的空穴對(duì)光吸收和散射在一級(jí)近似的情況下可以忽略，可以合理地假設(shè)a在輻射前和輻射后是一樣的。根據(jù)這個(gè)假設(shè)，輻射導(dǎo)致的唯一變化就是載流子壽命的變化。因此，輻射閾值電流可以用下式表示：(3)(4)皿(0片tJe1妙二1+00由于激光器的輸出光功率P可表示為：5仏-(0)式中：可。為外斜率效率，考慮到公式(3)可得：P/耳二1-(認(rèn)(0)化)K二(5)功率的衰減系數(shù)，其表達(dá)式為:6=Ah整理得：尸=匕廠時(shí)式中：P為輻射后LD的輸

4、出光功率；尸“為輻射前LD的輸出光功率；0為L(zhǎng)D光3、LD光通信誤碼率的影響模型對(duì)于采用直接檢測(cè)的OOK調(diào)制方式的星光通信系統(tǒng)，光電探測(cè)器出現(xiàn)誤碼的情況分為兩種，一是當(dāng)發(fā)射端發(fā)送“0”時(shí)，接收端誤判為“1”另一種是當(dāng)發(fā)射端發(fā)送“1”時(shí)，接收端誤判為“0”。根據(jù)誤碼率的定義，可以寫為：S=P(1IO)P(0)-hF(OI1)P(1)式中:P(110)、(011)分別表示“0”被誤判為“1”和“1”被誤判為“0”的概率；P(0)、P分別表示系統(tǒng)發(fā)射“0”碼和“1”碼的概率。若認(rèn)為光接收機(jī)噪聲的概率密度近似為高斯分布時(shí)，條件概率P(110)、P(011)可分別表示為:2応expDdi(9)(14)皿

5、壺3少一2di式中：F為零碼時(shí)的平均光電流；為“1”碼時(shí)的平均光電流；疔口為“0”的光電流方差；“1”碼時(shí)的光電流方差；D為判決闞值。D的選擇直接影響P1(110)、P(011)的大小。如果欲使P(1l0)=P(0l1)，則D可由下式確定:(10)假設(shè)LD輸出端的光功率為尸忘，經(jīng)過(guò)中間光路的衰減，到達(dá)接收探測(cè)器光敏面上的光功率為F迅,則P亦尸K|fg。由于文中只關(guān)心輻射引起的LD輸出光功率衰減對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響，因此，可以合理假定&是不變化的量。根據(jù)APD探測(cè)器的光電流公式可得:J=二耳可Kl尸論Mhvhv(11)式中：q為電子電荷；訶為探測(cè)器的量子效率，由探測(cè)器的物理性質(zhì)所決定；h為普克朗常

6、數(shù)；U為入射光頻率。根據(jù)公式(6),輻射后光敏面接收到的“0”和“1”碼的光功率分別為：P二P-K知(1APO,r1壯L(13)式中為輻射后探測(cè)器接收面接收到的光功率；w以為輻射前探測(cè)器接收面接收到的光功率。由公式(12)、(13)可見(jiàn)，由于累計(jì)輻射損傷使得LD的輸出光功率線性減小。由公式(11)可得:/；=器呼爲(wèi)):-晉KLE(15)(16)令晉并將公式(14)、(15)代人公式(8)、(9)中:(一悝一扌尸p(ll()-.T0/2tTP(OI1)=1Xfexp一:Iwxp一triVSFdidi(17)當(dāng)碼流很長(zhǎng)時(shí)，一般有P(O)P(1)=l/2。在閾值不變的情況下，由于累計(jì)輻射損傷使得LD

7、的輸出光功率線性減小，因此發(fā)射為T”碼時(shí)被判成“0”碼的概率增加了，而發(fā)射“0”碼時(shí)被判為“1”碼的概率減小了。綜合以上因素,誤碼率可以表示為：fexpdi+1Dexp2a0.TiV2it2(ray/2irBERP(1J0)P(O)+P(OII)P(1)=(P(HO)+/)(OI1)=di)(18)公式(18)即為輻射導(dǎo)致的半導(dǎo)體激光器輸出光功率累計(jì)損傷對(duì)誤碼率影響的公式。4、仿真參考國(guó)外典型星地激光通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)，下面首先給出一個(gè)典型的激光通信系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)選取為：信號(hào)光波長(zhǎng)為1550nm,LD輸出光功率為0.01W,EDFA增益為100。發(fā)射天線孔徑為0.20m，接收天線孔徑為0.35

8、m；發(fā)射天線和接收天線系統(tǒng)的效率為0.7,衛(wèi)星間距離為45000km。考慮到信號(hào)光波長(zhǎng)為1550nm光電探測(cè)器選取銦鎵砷的APD，其參數(shù)如表1所示。表1APD探測(cè)器參數(shù)Peakwavelength/nmAverage*.Darkcurrentgain迪./nAcoefficientQuantumefficiencyLoadresistance/O15501010.750在上述給定的典型系統(tǒng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，由公式(6)和(19)計(jì)算出誤碼率隨輻射劑量的變化如圖l所示。從圖中可以看出：誤碼率在lOOOGy之前可以忽略影響，輻射至3000Gy之后對(duì)誤碼率的影響迅速上升，在9000Gy時(shí)接近1閾值是直接影響誤碼率大小的決定性因素，可以通過(guò)改變閾值的方法來(lái)減低系統(tǒng)的誤碼率。圖2是假設(shè)輻射劑量為6000Gy時(shí)，系統(tǒng)誤碼率隨判決閾值的變化曲線。當(dāng)判決閾值為4,8X1時(shí)，誤碼率為阿，tfi/Gy圖1誤碼率隨輻射劑量變化仿真曲線而當(dāng)判決閾值降為:以”嚴(yán)A時(shí)，誤碼率則降為可見(jiàn)：在輻射環(huán)境中運(yùn)行一段時(shí)間后，根據(jù)輻射的損傷情況，調(diào)整判決閾值可以很有效地提高系統(tǒng)的性能。圖2判決閾值對(duì)誤碼率的影響曲線5、結(jié)論在一級(jí)近似的情況下，輻射對(duì)半導(dǎo)體激光器的閾值影響是線性增加的，進(jìn)而影響輸出光功率為線性下降。在文中假設(shè)的條件下，其衰減系數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)得為（，=_4iXlW/Gy，并且在判決閾值不變的情況下，誤