抗辐射保偏光纤的制备及其特性研究*

文建湘，贾 明，董艳华，庞拂飞，陈振宜，王廷云

(1.上海大学 特种光纤与光接入网省部共建国家重点实验室培育基地/特种光纤与先进通信国际合作联合实验室·上海·200444；2.上海先进通信与数据科学研究院·上海·200444)

0 引 言

大气层外的广阔空间是人类生存、科学探索的第四空间，为了满足现有的太空探索的需要，光纤陀螺惯性导航系统逐渐成为空间科学与技术的尖端领域发展方向[1-2]。光纤陀螺惯性导航系统以高精度、低功耗、高可靠性的优势越来越多地被应用于空间卫星的姿态控制中，光纤陀螺应用在空间中其误差会受到辐射效应的影响，进而使光纤陀螺的性能发生退化。其中光纤陀螺在辐射条件下影响最大的是光纤环，所以无论国内还是国外，其主要的研究点为光纤陀螺中的光纤环在辐射环境下的性能变化。因此，为了改善光纤陀螺的空间环境的适应性，开展保偏光纤的抗辐射特性研究，对于光纤陀螺的空间应用是非常有意义的[3]。

光纤环是应用在光纤陀螺组件中非常重要的组成部分[4]，空间辐射对光纤环的影响最大，石英光纤在高能辐射的作用下，会发生变色、变硬、变脆、分解和破坏等物理和化学变化，并在石英纤芯内会产生点缺陷等各种缺陷中心，从而使光纤的光传输性能恶化。2006 年 H.Kim和M.Digonnet发现光子晶体光纤的损耗随辐照的变化是传统光纤的1/50，能显著提高光纤陀螺的抗辐射性能[5]，这是由于光子晶体光纤是一种结构双折射而传统保偏光纤是应力双折射，其结构双折射在辐射条件下性能更加稳定。2008年F.Berghmans和E.Brichard通过实验说明光纤的辐射致衰减比光纤本征损耗高一个数量级，辐射对于光纤的性能影响是非常严重的[6]，所以有必要提高光纤的抗辐射能力。2015年，S.Rizzolo和E.Marin通过实验发现辐射衰减和温度有关[7]。同年，意大利的L.Giacomazzi和法国的A.Boukenter提出光纤在辐射环境下，其内部会产生色心，不同的色心对不同波段的波长具有不同的吸收强度[8]，通过改变波长可以一定程度上减少辐射致光功率衰减。2016年俄罗斯的Y.N.Korkishko和E.N.Yakimov等人通过设计的光纤陀螺进行测试可以抗高达1100 krad的伽马辐射和 2×1012/cm2的高能质子[9]。同年，金靖等人研究了光纤的辐射致衰减以及辐射环境下波长的漂移[10]，发现辐射致衰减与波长有关。2017年，日本H.Yokota和Y.Kameda等人通过对不同结构的保偏光纤进行辐射环境下的双折射实验[11]，发现不同类型的保偏光纤其双折射系数会随辐射剂量的变化呈现不同的变化趋势。同年刘福华和王平等人分析和测量了伽马辐射对光纤色散的影响[12]，分析了辐射对光纤波导参数的影响。

本文主要对保偏光纤(Polarization Maintaining Fiber，PMF)进行预辐照、980 nm激光处理与液氮低温处理等方法相结合的方式，提高保偏光纤的抗辐射特性。随后，对制备的抗辐射保偏光纤进行不同剂量的辐照处理。通过测试其损耗谱，分析光褪色与低温处理对保偏光纤抗辐射特性的影响。

1 抗辐射保偏光纤的研究与制备

1.1 抗辐射保偏光纤的制备

目前研究较多的有关辐照处理的方法主要有下面几种[13]，如图1所示。对石英光纤进行预辐照与温度处理，并结合“光褪色”与液氮“冷退火”处理工艺制备抗辐照光纤。光褪色处理主要是指在高强度激光照射下，物质的缺陷中心吸收一个或多个光子，会产生自由电子加热和自聚焦效应，从而改善物质的缺陷结构。而低温处理主要是降低物质活化能，使物质的分子排布更加整齐，来减少材料内部缺陷结构的数量。

图1 提高光纤抗辐射特性的基本方法

首先，对光纤预制棒进行预辐照，其次，结合高温拉丝退火，将光纤材料内部存在的易于激活的自由基与原子缺陷或松弛键破坏，经高温将它们键合成稳定键；然后，拉丝好的光纤再经适量剂量预辐照，再经“光褪色”与氢化处理相结合，使光纤结构缺陷导致的诱导吸收恢复或修复。最后，经氘气处理，减少因氢化处理所带来的附加损耗。然后，利用电子自旋共振波谱仪(Electron Spin-resonance Spectroscopy，ESR)测试手段，对纤芯以及掺杂特种光纤缺陷结构变化过程进行系统分析。

本文主要通过对保偏光纤进行高剂量的预辐照处理，增加光纤材料内部微结构的松弛，或者说光纤材料内部形成更多自由的松散的微结构，然后通过“光退火”的方法和液氮低温处理的工艺方法，以增加具有较高能隙的微结构数量的形成。从而达到降低石英保偏光纤的辐照敏感特性。

1.2 抗辐射保偏光纤的制备

(1)截取2.7 m保偏光纤样品，首先，经过1.0 kGy预辐照处理，然后用波长980 nm 单色激光光源，其输出光功率为100mW照射30 min，测试其光谱损耗。分析研究石英光纤经预辐照和光退火工艺处理后，辐照敏感特性的变化；

(2)截取2.6 m石英光纤样品，首先，经5.0 kGy预处理后，然后用液氮处理20 min，再分别经20 Gy、30 Gy、50 Gy、50 Gy、50 Gy 处理并测试其光谱损耗，分析研究经预辐照与液氮“冷退火”工艺处理后光纤的辐照敏感特性；

(3)截取2.8 m保偏光纤经过1.0 kGy预辐照处理后，再用波长为980 nm、输出光功率为100 mW单色激光光源，照射30 min，然后，用液氮处理光纤，其时间约10 min。最后，测试光纤光谱损耗。分析研究光褪色与液氮处理对光纤辐照敏感特性的影响。

其中，新型保偏光纤由江苏法尔胜光子有限公司生产；辐照是采用苏州大学医学院辐照中心的60Co 辐射源。光纤损耗采用截断法结合Ando AQ-6315A 光谱仪进行测试的。辐照实验是在常温下进行。

2 实验结果与分析

2.1 光褪色处理对保偏光纤的抗辐射特性影响

从图2可以看出，保偏光纤经1.0 kGy预辐照处理后，其损耗大大增大。然后，通过对辐照预处理的光纤进行980 nm激光进行光褪色处理，其损耗谱并没有发生明显变化。再分别测量其经20 Gy、30 Gy、50 Gy、50 Gy、50 Gy 辐照处理后的损耗光谱，如图3所示。在200 Gy辐照累积剂量内，其损耗明显下降。而再增加100 Gy辐照剂量后，其损耗又会上升。这也说明，先将保偏光纤进行预辐照和光褪“色心”处理，对降低光纤辐照敏感特性有一定效果。

图2 经预辐照与光褪色处理后的损耗谱

图3 经预辐照与光退色处理后用不同剂量辐照处理其损耗变化图

2.2 液氮处理对石英光纤的抗辐射特性影响

从图4可以看出，石英光纤经 5.0 kGy预辐照，再用液氮处理20 min，其损耗谱发生了很大的变化。随后再经系列低剂量累加辐射处理，如图5所示，其损耗光谱变化比较明显，达到12 dB/km(@1310 nm)，当用液氮直接处理会出现损耗的明显降低。再累积增加小剂量辐照时，会出现损耗逐渐上升不确定的趋势。这也充分表明了，液氮处理对光纤损耗的降低有非常明显的作用；而对降低光纤辐照敏感特性有一定的贡献，但还不是非常明显。

图4 预辐照与液氮处理后的损耗谱

图5 预辐照与液氮处理石英光纤在经不同剂量辐照处理其损耗变化图

2.3 光褪色结合液氮处理对保偏光纤的抗辐射特性影响

从图6可以看出，对于保偏光纤，先经过 1.0 kGy 预辐照处理后，再经波长为 980 nm 单色激光光源“光褪色”30 min，其光谱损耗增加不少，但其损耗光谱图的信噪比明显好。这表明光纤材料经一定光强的单色光照射后，其微结构发生了一定程度的变化。然后，再经过液氮处理，其光谱损耗会大大减少，且低于PMF预辐照处理后的光谱损耗，由此表明，液氮对预辐照处理保偏光纤经“光退火”处理后的材料微结构影响起到非常重要的作用。而且这种作用对光纤的光传输损耗有很大的改善。

图6 预辐照、光褪色与液氮处理后的光纤损耗谱

图7 预辐照、光褪色与液氮处理后经不同剂量辐照后的光纤损耗光谱

同时，分析研究保偏光纤先经1.0 kGy预辐照处理，接着用功率为100 mW的980 nm 激光光源照射30 min，然后，用液氮处理20min，再分别经20 Gy、30 Gy、50 Gy、50 Gy、50 Gy 处理，测试其损耗光谱的变化，如图7所示。经过1.0 kGy预辐照处理后, 其光谱损耗增加非常明显，达到45 dB/km(@1300 nm)，然后，用光功率为100 mW的980 nm单色激光光源照射30 min，再用液氮处理光纤10 min，最后，测试其光纤损耗光谱，其损耗明显降至34 dB/km。然后，再分次逐渐增加小剂量辐照，其损耗也没有上升，而是呈逐渐下降趋势。当辐照累积剂量达200 Gy时，其损耗在1300 nm、1310 nm为22.4 dB/km、22.9 dB/km。而当辐照累积剂量达300 Gy时，其损耗在1300 nm、1310 nm、1380 nm、1550 nm分别为23.83 dB/km、24.23 dB/km、30.55 dB/km、46.14 dB/km。

3 结 论

本文主要通过对保偏光纤进行光褪色和液氮低温处理的方式，来提高光纤的抗辐射性能。保偏光纤经过1.0 kGy的高剂量辐照后，其损耗会明显增大，说明光纤经过辐照处理后，会产生大量的缺陷结构。随后通过980 nm的激光进行光褪色处理后，光纤的传输损耗并没有发生明显的变化。但是在小剂量辐照条件下，光纤的损耗先减小后增大。对于通过液氮低温处理的预辐照样品，其传输损耗明显降低。同时在小剂量辐照的条件下，其损耗同样也先减小后增大。最后，通过将光褪色和冷处理结合的处理方式，一方面可以有效地降低预辐照光纤的传输损耗，另一方面同时也使得保偏光纤在小剂量辐照的条件下，其传输损耗先减小后增大的趋势，大大提高了保偏光纤在小剂量辐照条件下的抗辐照特性。上述实验结果表明，“光褪色”与液氮两种处理工艺相结合，对降低光纤光传输损耗具有非常明显的作用，从而对提高保偏光纤的抗辐射性能具有很好的指导作用。