本研究报告介绍了由M. Roche（IEEE学生会员）、A. Morana（IEEE会员）、N. Balcon、M. Aubry、V. Carreau、S. Mariojouls、A. Boukenter、C. Campanella（IEEE学生会员）、Y. Ouerdane、E. Marin、C. Durnez、M. Rousselet以及S. Girard（IEEE高级会员）共同完成的一项研究。这些作者主要来自法国圣艾蒂安大学的Hubert Curien实验室，合作机构包括法国国家空间研究中心（CNES）以及空中客车防务与空间公司（Airbus Defence and Space）。该项研究于2023年8月发表在 IEEE Transactions on Nuclear Science 期刊第70卷第8期上，论文标题为“Combined Photobleaching and Temperature Effects on 1550 nm Radiation-Induced Attenuation of Germanosilicate Optical Fiber”。

这项研究属于空间辐射效应与光纤通信技术的交叉领域。其学术背景源于空间产业，特别是卫星技术，正在面临向大规模应用光学纤维（Optical Fibers, OFs）转型的重大挑战。这种转型的动力来自于对更高数据传输速率以及降低商用器件（COTS）成本与质量的需求。自由空间光通信（Free Space Optical communication， FSO）作为一种极具前景的技术，被认为是突破射频（RF）通信数据率瓶颈的关键，特别是在地球同步轨道（GEO）馈线链路中。然而，太空环境极其严酷，航天器面临着复杂的辐射环境和剧烈的温度循环。当暴露于辐射时，基于二氧化硅的光纤会因为在其纤芯和包层中产生点缺陷而导致传输性能下降，这种现象被称为辐射诱导衰减（Radiation-Induced Attenuation， RIA）。对于应用于1550 nm波长的商用锗掺杂光纤，其RIA特性受到多种因素影响，包括温度、注入光功率等。此前已有研究表明，在室温下，光致漂白（Photobleaching， PB）效应（即注入光能量促使亚稳态缺陷复合从而降低RIA的过程）对于1550 nm波长在空间任务常见的低剂量下影响甚微。但在低温下，由于亚稳点缺陷的热稳定性更高，RIA水平会显著增加，此时PB效应可能变得显著。本研究的主要目的，正是系统地评估在模拟空间任务的宽温度范围和不同注入光功率条件下，温度与光致漂白效应对商用锗掺杂单模光纤在1550 nm波长RIA水平和动力学的综合影响，探究是否存在协同效应，从而评估此类光纤在太空光通信链路中的性能表现和潜在风险。

研究的详细工作流程可以分为以下几个主要部分：研究对象定义与选择、实验装置与测试平台搭建、辐照与测量方案设计、数据采集与不确定性分析，以及后续的数据分析与讨论。

首先，在研究对象方面，研究团队聚焦于一种商用级别的锗掺杂单模光纤（SMF），符合G.652标准。化学分析确认其纤芯仅掺锗，包层为纯二氧化硅。样品长度根据预期的RIA水平进行调整，以确保测量设备动态范围的适配。光纤以单层缠绕在卷轴上，以确保辐照剂量均匀。

其次，实验装置的核心是位于Hubert Curien实验室的MOPERIX辐照设备。该设备使用100 kV的X射线源，产生平均能量约40 keV的光子束，以实现加速辐照。辐照总剂量设定为150 kGy(SiO₂)，剂量率主要设置为0.5 Gy(SiO₂)/s（为了模拟最恶劣情况），部分实验采用了更高的6 Gy/s剂量率以达到高剂量。温度控制是关键环节，设备配备温控板，可在-80°C至80°C的宽温范围内精确控制光纤样品的辐照温度。这个温度范围的选定，是基于低地球轨道（LEO）卫星表面可能遇到的极端温度条件。

第三，在光学测量方面，研究采用了三种不同的光功率注入设置以适应不同的功率范围（见图1）。对于低功率（400 nW， 2 µW），使用激光二极管和衰减器组合。对于高功率（100 mW， 200 mW），则使用掺铒光纤放大器（EDFA）。为了模拟卫星实际发射功率（高达5 W），还进行了非常高的功率测试，使用了掺铒镱光纤放大器（EYDFA）。所有测试均在1550 nm波长进行。通过Agilent 8163B功率计在线连续记录光纤的传输光功率，在辐照前、中、后持续监测。RIA的计算基于朗伯-比尔定律，使用辐照开始前的传输强度作为参考基准。

第四，实验方案设计包含了多种条件组合。主要变量是辐照温度（-80°C， 20°C， 80°C）和注入光功率（400 nW， 2 µW， 100 mW， 200 mW）。在每次辐照结束后，温度会先维持1小时以观察初始恢复，然后升温至室温（RT）以观察进一步的恢复过程。对于5 W功率的实验，则是在-35°C下进行高剂量率辐照。

第五，数据可靠性与不确定性评估是严谨科学研究的重要环节。研究团队进行了大量的重复性测量，以评估RIA测量结果的分散性（如图2所示）。他们分析了可能引起差异的因素，包括光源波动、探测器测量精度、温度稳定性（变化控制在2%以内）以及辐照均匀性（优于1%）。结果显示，在辐照剂量超过约80 Gy后，室温（RT）和80°C下测量的标准偏差低于8%，低温（-80°C）下的偏差低于15%，证明了测量结果的可靠性。

在获得详实的实验数据后，研究得出了多项重要结果，并对这些结果进行了深入的讨论和逻辑关联分析。

关于温度的影响，结果非常明确且显著：红外RIA（1550 nm）强烈依赖于辐照温度。在-80°C下，无论注入功率多大，RIA在达到13 kGy总剂量时都超过了100 dB/km；而在80°C下，RIA损失则小于20 dB/km（如图3a， c）。这表明低温环境会极大地加剧商用锗掺杂光纤在通信波段的辐射损伤，对卫星上处于低温区域的链路构成严重威胁。

关于光致漂白（PB）效应，研究发现了其与温度的强烈耦合关系。在室温（20°C）或更高温度（80°C）下，PB效应几乎可以忽略不计（图3b， c）。然而，在低温（-80°C）下，PB效应变得非常显著。例如，在10 kGy剂量下，使用400 nW低功率测得的RIA高达~600 dB/km，而使用200 mW高功率时，RIA降至~200 dB/km（图3c）。图4将不同条件下的RIA动力学曲线汇总对比，清晰地显示出三个与温度相对应的群组。这说明，在低温下，高注入光功率可以有效地漂白那些导致1550 nm信号衰减的亚稳态辐射诱导点缺陷。

关于辐照后的恢复过程，结果进一步揭示了缺陷的亚稳态特性（图5）。在辐照结束后保持低温的1小时内，恢复比例在不同温度下相近（约17%）。但在高功率（200 mW）和低温（-80°C）条件下，光功率显著加速了缺陷的漂白，恢复比例提高到27%。当温度从-80°C升至室温时，RIA恢复急剧加速；而当从80°C降至室温时，恢复效率降低。最重要的是，所有样品在室温下静置一天后，RIA都趋于一个相近的水平（~13 dB/km）。这表明，无论初始辐照条件如何，最终在室温下稳定的“永久性RIA”是由相同种类、对室温稳定的缺陷贡献的。而低温下观测到的额外高RIA，主要来源于亚稳态缺陷，这些缺陷可以通过加热或高光功率进行消除。

在高达5 W功率、高剂量率（6 Gy/s）和-35°C的极端测试中（图6），结果验证了上述观察：低温导致极高RIA（>500 dB/km），而高光功率（5 W）能有效抑制该RIA，其最终水平与低功率（500 µW）经过室温恢复后的永久性RIA水平接近。这说明，在低温下运行高功率信号，可以实时“钝化”大部分不稳定的点缺陷。

通过对RIA动力学曲线的分析（图3， 图7， 图8），研究还发现RIA增长呈现多阶段特征。第一阶段（约至4 kGy）增长迅速，归因于前驱位点转化为光学活性缺陷（主要是亚稳态缺陷）；第二阶段增长变缓，可能与生成室温下更稳定的“永久”缺陷有关。分析温度归一化RIA比值（图7， 图8）显示，在80°C下，RIA约为室温下的一半；而在-80°C下，RIA显著高于室温，尤其是在低功率下，归一化比值随剂量先升后降，这归因于RIA增加导致传输信号减弱，从而削弱了PB效率。

基于上述详尽的实验结果，本研究得出了明确的结论。研究评估了自由空间光通信链路在宽温度范围和不同注入光功率下所面临的辐射风险。实验证实，对于所研究的商用锗掺杂单模光纤，其1550 nm的RIA水平和动力学受到温度和注入光功率的强烈且相互关联的影响。在低温环境下，RIA会大幅增加，但同时，注入高光功率（>100 mW）会产生显著的光致漂白效应，从而降低RIA。这种PB效应在室温或更高温度下则非常有限，因为热过程主导了缺陷的物理行为。因此，在同时涉及宽温度范围和辐射约束的恶劣条件下部署光纤时，必须考虑PB效应对辐射响应的强烈温度依赖性。此外，本研究采用的加速测试剂量率远高于实际空间环境的剂量率，这意味着实验结果代表了RIA风险的最坏情况。在实际空间较低的剂量率下，PB和热恢复机制将有更多时间使点缺陷复合，预计RIA水平会更低。因此，对于复杂的空间任务，光纤的辐射鉴定测试应综合考虑温度和注入功率的敏感性，以更准确地评估其脆弱性风险，特别是在FSO中接收和发射子系统功率水平差异巨大的情况下。

本研究的亮点在于其系统性和针对性。首先，研究系统性地探索了从-80°C到80°C的宽温度范围以及从纳瓦级到瓦级的宽功率范围内，温度与光致漂白对锗掺杂光纤1550 nm RIA的协同影响，这在以往的研究中并不常见。其次，研究紧密围绕空间应用的实际场景，测试条件（如极端温度、高功率模拟发射端、低功率模拟接收端）的设置具有明确的工程指导意义。第三，研究不仅关注了RIA的稳态水平，还深入分析了其动力学增长和恢复过程，揭示了亚稳态缺陷与永久性缺陷的作用机制，深化了对缺陷物理的理解。第四，研究明确指出了加速测试的“最坏情况”属性，为将实验室结果外推至实际空间环境提供了重要的校准视角。最后，研究对不确定性的严谨评估也增加了结果的可靠度。

此外，研究还提出了一些有价值的观点。例如，研究者讨论了可能造成1550 nm吸收的缺陷类型，如锗自陷空穴（Ge-STH）和GeY缺陷，指出需要进一步的光谱测量来明确。同时，研究也提及，虽然可以选择更耐辐射的光纤类型（如氟掺杂或纯硅芯光纤），但低温也可能增加其RIA，且新型超低损耗纯硅芯光纤在红外波段也表现出复杂的辐射敏感性。因此，在“新太空”应用背景下，使用商用级光纤虽具成本优势，但必须考虑其在组合环境下的脆弱性。