该研究由Yong Li（李勇）、Haoshi Zhang（张浩石）、Xiaowei Wang（王晓伟）和Jing Jin（金靖）合作完成，作者单位包括北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院（School of Instrument Science and Optic-Electronics Engineering, Beihang University）、北京控制工程研究所（Beijing Institute of Control Engineering）以及空间智能控制技术国防科技重点实验室（Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory）。研究成果发表于《Chinese Physics B》2022年第31卷第7期，文章标题为《A radiation–temperature coupling model of the optical fiber attenuation spectrum in the Ge/P co-doped fiber》。

学术背景

该研究属于光纤传感与辐射效应交叉领域。随着光纤在太空系统、核电站等辐射环境中的广泛应用，辐射诱导衰减（Radiation-Induced Attenuation, RIA）效应成为影响光纤器件可靠性的关键问题。现有研究多关注单一辐射剂量或温度对RIA的影响，但实际应用中光纤常面临辐射与温度的耦合作用。Ge/P共掺光纤（Ge/P co-doped fiber）因折射率调控优势被广泛用于通信和传感，但其在复杂环境下的RIA特性尚未明确。本研究旨在建立辐射-温度耦合模型，量化两者对光纤衰减谱的协同影响，为空间任务中光纤系统的性能评估提供理论工具。

研究流程

1. 实验设计

   • 样品制备：选用三种Ge/P共掺光纤（F1、F2、F3），工作温度范围-60°C至85°C。
     
   • 辐射处理：使用钴-60（60Co）源在室温下对光纤进行辐照，总剂量分别为100 Gy、1000 Gy和10000 Gy，模拟空间辐射环境。
     
   • 退火处理：将辐照后光纤置于80°C温控腔中加速不稳定色心（color centers）的退火过程，直至其状态稳定。
     

2. 光谱测量与温度测试

   • 光谱采集：通过光学频谱分析仪（OSA）记录800–1600 nm波长范围内的衰减谱，采用300点Savitzky-Golay（SG）滤波平滑数据。
     
   • 温度控制：在-40°C至60°C范围内设置6个温度点（间隔20°C），每个温度点稳定45分钟后测量。
     

3. 光谱分解与建模

   • 色心吸收带分解：基于构型坐标模型（configurational coordinate model），将衰减谱分解为P1、Ge-NBOHC和Ge(X)三种色心的高斯吸收带（表1参数）。
     
   • 参数量化：分析吸收带强度（an）、峰值位置（en）和半高宽（ωn）与温度、剂量的关系。发现an与剂量符合幂律模型（RIA = c·d^f），其中系数c与温度呈线性负相关（图3-4）。
     

4. 耦合模型构建
   综合温度敏感性模型与幂律关系，建立辐射-温度耦合公式（式4），量化850 nm、1310 nm和1550 nm波长的耦合灵敏度（如1310 nm为8.07×10^-7 dB/(mGy·°C)）。

5. 模型验证
   通过补充实验（500–8000 Gy剂量，-50°C至70°C温度）验证模型精度，均方误差（MSE）低于5.59×10^-3（图5）。模拟地球静止轨道20年任务（累积剂量140 Gy）下的RIA年变化（图6）。

主要结果

1. 光谱分解：成功分离P1（0.765 eV）、Ge-NBOHC（1.97 eV）和Ge(X)（2.61 eV）色心的贡献，其参数随温度变化符合构型坐标理论（en降低，ωn增加）。
   
2. 剂量依赖性：各色心吸收强度与剂量的幂律指数f稳定（P1:0.5457，Ge-NBOHC:0.7305，Ge(X):0.7950），表明辐射诱导缺陷生成机制的一致性。
   
3. 温度影响：c值线性下降（如P1的c斜率-6.073×10^-6），证实温度通过改变色心稳定性调制RIA。
   
4. 最优波长：1310 nm的辐射-温度耦合灵敏度最低，适合空间应用。
   

结论与价值

本研究首次建立了Ge/P共掺光纤的辐射-温度耦合衰减模型，揭示了色心吸收的多参数协同规律。科学价值在于完善了复杂环境下RIA的预测理论；应用价值体现在为空间光纤系统（如光纤陀螺）的寿命评估和波长选择提供了量化工具。模型通过实验验证，可直接用于工程实践。

亮点

1. 方法创新：结合构型坐标模型与幂律函数，首次量化辐射与温度对色心参数的耦合效应。
   
2. 发现意义：明确1310 nm在辐射环境中的稳定性优势，指导实际系统设计。
   
3. 技术通用性：模型框架可扩展至其他掺杂光纤的可靠性研究。
   

其他价值

研究提出的加速退火方法（80°C处理）为后续辐射效应实验提供了高效预处理方案。此外，模型对核电站等强辐射场景的光纤传感也有参考意义。