ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОГО ПОВЕДЕНИЯ И СТОЙКОСТИ К СУММАРНОЙ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЕ МОДУЛЕЙ УСИЛИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ВОЛОКНА, ЛЕГИРОВАННОГО ЭРБИЕМ

Роман К. Можаев, Александр А. Печенкин, Виталий А. Телец

Аннотация


В статье представлены результаты экспериментальных исследований радиационной стойкости модулей усилителей на основе волокна, легированного эрбием (EDFA), предназначенных для систем космической лазерной связи. Проведено облучение гамма-квантами источника Co60 семи образцов EDFA-усилителей от четырёх различных производителей. Образцы испытывались в активном режиме с автоматической подстройкой мощности. Обнаружен функциональный отказ при дозах от 7,6 до 28,2 крад (Si) в зависимости от конкретного типа усилителя, проявляющийся в потере управления EDFA-усилителем. Рассмотрена динамика изменения тока потребления и выходной оптической мощности в процессе накопления дозы, включая явления, предшествующие отказу. На основе анализа компонентной базы и литературных данных показано, что критическим звеном, определяющим радиационную стойкость EDFA-усилителя, является не активное волокно, не оптоэлектронные и пассивные оптические компоненты, а электронная схема управления. Деградация микроэлектронных компонентов (драйверов, контроллеров, интерфейсных микросхем) наступает при более низких уровнях ионизирующего воздействия и приводит к выходу устройства из строя и потере связи с усилителем, в то время как оптические и оптоэлектронные компоненты могут сохранять частичную или полную работоспособность. Полученные результаты указывают на необходимость тщательного анализа электронной составляющей при отборе коммерчески доступных EDFA-усилителей для длительных космических миссий.

Ключевые слова


усилитель на основе волокна, EDFA, радиационная стойкость, дозовые эффекты, ионизирующее излучение, космическое пространство, гамма-облучение, поглощенная доза, радиационное воздействие

Полный текст:

PDF

Литература


1. Sein, E., Planche, G., Laurent, B. et al. Space applications of optical communications. Ann. Télécommun. 58,
1849–1872 (2003). DOI: https://doi.org/10.1007/BF03001229.

2. Jorge Rosano Nonay, René Rüddenklau, Andreas Sinn, Jan Paul Jakobs, Jonas Berlitz, Benjamin Rödiger, and Georg Schitter, "Horizontal free-space optical link with CubeISL over 143  km," J. Opt. Commun. Netw. 16,
593-601 (2024). DOI: https://doi.org/10.1364/JOCN.518271.

3. Jorge Rosano Nonay, René Rüddenklau, Andreas Sinn, Jan Paul Jakobs, Jonas Berlitz, Benjamin Rödiger, and Georg Schitter, "Horizontal free-space optical link with CubeISL over 143  km," J. Opt. Commun. Netw. 16, 593-601 (2024). DOI: https://doi.org/10.3389/fphy.2025.1542043.

4. Mi Li, Jing Ma, Liying Tan, et al. Radiation effect on EDFA for inter-satellite optical communication on low dose orbits, Proc. SPIE 7134, Passive Components and Fiber-based Devices V, 713408 (11 Nov 2008). DOI: https://doi.org/10.1117/12.802969.

5. Zyskind J.L, Giles C.R., Simpson J.R. and DiGiovanni D.J. Erbium-doped fiber amplifiers and the next generation of lightwave systems. AT&T Technical Journal, v. 71, no. 1, pp. 53-62, Jan.-Feb. 1992. DOI: https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1992.tb00147.x.

6. LaBel K.A. et al. Compendium of Single Event Effects, Total Ionizing Dose, and Displacement Damage for Candidate Spacecraft Electronics for NASA. 2014 IEEE Radiation Effects Data Workshop (REDW), Paris, France, 2014, pp. 1-12. DOI: https://doi.org/10.1109/REDW.2014.7004560.

7. Velazco R. et al. Radiation Effects on Embedded Systems. Dordrecht: Springer, 2007. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4020-5646-8.

8. Girard S., Laurent A., Pinsard E., Robin T., Cadier B., Boutillier M., Marcandella C., Boukenter A., and Ouerdane Y. Radiation-hard erbium optical fiber and fiber amplifier for both low- and high-dose space missions. Opt. Lett. 39, 2541-2544 (2014). DOI: https://doi.org/10.1364/ol.39.002541.

9. Girard S. et al. Recent advances in radiation-hardened fiber-based technologies for space applications. Journal of Optics, v. 20, no. 9, p. 093001, Aug. 2018. DOI: https://doi.org/10.1088/2040-8986/aad271.

10. Shota Kimura, Ryoichi Nishimura, Yosuke Hashimoto, et al. Radiation-hardened Er/Yb codoped fiber with Ge doping for high-power amplifiers. Proc. SPIE 13699, International Conference on Space Optics – ICSO 2024, 1369971 (28 Jul 2025). DOI: https://doi.org/10.1117/12.3075183.

11. Haddad E., Poenariu V., Tagziria K. et al. Comparison of gamma radiation effect on erbium doped fiber amplifiers. Proc. SPIE 10562, International Conference on Space Optics – ICSO 2016, 1056219 (25 Sept 2017). DOI: https://doi.org/10.1117/12.2296186.

12. Zhai Z., Halder A., Negut C.D., Sahu J. (2023). Radiation-resistant cerium co-doped erbium-doped fibers for C- and L-band amplifiers in a high-dose gamma-radiation environment. Optics Express. 31. 38910-38920. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.502917.

13. Li M., Shen C., Sun Z., Xu B., Zhao C., Wang Z. (2024). Radiation hardness of semiconductor laser diodes for space communication. Applied Physics Reviews. 11, 021315 (2024). DOI: https://doi.org/10.1063/5.0188964.

14. Henschel H., Koehn O., and Schmidt H.U. Radiation sensitivity of passive components of fibre optic data transfer and sensor systems. SPIE Proceedings, R. Van Geen, F. Berghmans, and M. C. Decreton, Eds., SPIE, Dec. 1994, pp. 155-162. DOI: https://doi.org/10.1117/12.198637.

15. Aubry M. et al. Radiation Effects on WDM and DWDM Architectures of Preamplifier and Boost-Amplifier. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 67, no. 1, pp. 278-283, Jan. 2020. DOI: https://doi.org/10.1109/tns.2019.2953645.

16. Barnaby H.J. Total-Ionizing-Dose Effects in Modern CMOS Technologies. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 53, no. 6, pp. 3103-3121, Dec. 2006. DOI: https://doi.org/10.1109/tns.2006.885952.

17. Liscka H., Henschel H., Kohn O., Lennartz W., Metzger S., and Schmidt H.U. Gamma and neutron irradiation of optoelectronic devices. Proceedings of the Third European Conference on Radiation and its Effects on Components and Systems, IEEE, 1995, pp. 560-563. DOI: https://doi.org/10.1109/radecs.1995.509837.

18. Lischka H., Henschel H., Lennartz W., and Schmidt K.U. Radiation sensitivity of light emitting diodes (LED), laser diodes (LD) and photodiodes (PD). IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 39, no. 3, pp. 423-427, Jun. 1992, DOI: https://doi.org/10.1109/23.277530.

19. Hava S. and Pinhas N. Optical properties tuning of quantum-well lasers and photodiodes through γ ray irradiation. Radiat. Phys. Chem., v. 63, pp. 629-631, 2002. DOI: https://doi.org/10.1016/S0969-806X(01)00600-4.

20. Phifer C. Effects of Radiation on Laser Diodes. Sandia National Laboratories. 2004. DOI: https://doi.org/10.2172/919636.

21. Mozhaev R.K. and Cherniak M.E. Research of Quantum Well Laser Diode’s and Heterostructural P-I-N Photodiode’s of Fiber-Optic Modules Radiation Hardness to Gamma-ray and Neutron Irradiation. VII International Conference on Photonics and Information Optics (2018), KnE Energy & Physics, pp. 393-399. DOI: https://doi.org/10.18502/ken.v3i3.2053.

22. Charlton D.G. et al. Radiation hardness and lifetime studies of photodiodes for the optical readout of the ATLAS semiconductor tracker. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, v. 456, no. 3, pp. 300-309, Jan. 2001. DOI: https://doi.org/10.1016/s0168-9002(00)00666-5.

23. Tzintzarov G.N., Rao S.G., and Cressler J.D. Integrated Silicon Photonics for Enabling Next-Generation Space Systems. Photonics, v. 8, no. 4, p. 131, Apr. 2021. DOI: https://doi.org/10.3390/photonics8040131.

24. Zeiler M. et al. Radiation Damage in Silicon Photonic Mach–Zehnder Modulators and Photodiodes. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 64, no. 11, pp. 2794-2801, Nov. 2017. DOI: https://doi.org/10.1109/tns.2017.2754948.

25. Hoffman G.B. et al. The Effect of Gamma Radiation Exposure on Active Silicon Photonic Device Performance Metrics. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 66, no. 5, pp. 801-809, May 2019. DOI: https://doi.org/10.1109/tns.2019.2907582.

26. Чумаков А. И., Никифоров А. Ю., Телец В. А. и др. Радиационная стойкость изделий ЭКБ. под ред.
А.И. Чумакова; Научно-образовательный центр «Стойкость» (НОЦ «Стойкость»). Москва: НИЯУ МИФИ, 2015. – 512 с. ISBN 978-5-7262-2115-1.
Chumakov A. I., Nikiforov A. Yu., Telets V. A. et al. Radiation Hardness of Electronic Components. ed. by
A.I. Chumakov; Scientific and Educational Center «Stoikost» (SEC «Stoikost»). Moscow: NRNU MEPhI, 2015. 512 p. ISBN 978-5-7262-2115-1 (in Russian).

27. Чумаков А.И. Доминирующие радиационные эффекты в элементах ИС. Радиационная стойкость изделий ЭКБ: науч. изд. М.: НИЯУ МИФИ, 2015, c. 64-92. ISBN 978-5-7262-2115-1
Chumakov A.I. Dominant Radiation Effects in IC Elements. Radiation Hardness of Electronic Components: Scientific Publication. Moscow: NRNU MEPhI, 2015, pp. 64-92. ISBN 978-5-7262-2115-1 (in Russian).

28. Boruzdina A.B. et al. Radiation-induced degradation in the dynamic parameters of memory chips. Russian Microelectronics, v. 41, no. 4, pp. 259-265, Jul. 2012. DOI: https://doi.org/10.1134/s106373971204004x.

29. Cochran D.J. et al. Compendium of Total Ionizing Dose and Displacement Damage for Candidate Spacecraft Electronics. 2012 IEEE Radiation Effects Data Workshop. IEEE, 2012, pp. 1-8. DOI: https://doi.org/10.1109/REDW.2012.6353741.

30. Diggins Z.J. et al. Total-Ionizing-Dose Induced Timing Window Violations in CMOS Microcontrollers. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 61, no. 6, pp. 2979-2984, Dec. 2014. DOI: https://doi.org/10.1109/tns.2014.2368125.

31. Gonzales L., Danzeca S., Fiore S. and Kramberger I. Mixed-Field Radiation of 3-D MLC Flash Memories for Space Applications. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 71, no. 11, pp. 2400-2408, Nov. 2024. DOI: https://doi.org/10.1109/TNS.2024.3474746.

32. Mazza G. et al. A CMOS 0.13 um, 5 Gb/s Laser Driver for High Energy Physics Applications. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 59, no. 6, pp. 3229-3234, Dec. 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/tns.2012.2221476.

33. Pershenkov V.S. et al. True Dose Rate Effect of the ELDRS Conversional Model. 2020 20th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems (RADECS), IEEE, Oct. 2020, pp. 1-4. DOI: https://doi.org/10.1109/radecs50773.2020.9857689.

34. Чумаков А.И. Новый подход к моделированию эффектов низкой интенсивности излучения в биполярных интегральных схемах. Микроэлектроника. 2024, т. 53, № 2, с. 156–161. DOI: https://doi.org/10.31857/S0544126924020047.
Chumakov A.I. The new approach of a simulation low dose rate radiation effects in bipolar integrated circuits. Russian Microelectronics. 2024, v. 53, no. 2, pp. 156-161. DOI: https://doi.org/10.31857/S0544126924020047 (in Russian).

35. Smolin A.A., Sogoyan A.V., and Chumakov A.I. Two-Parameter Model for SEE Rate Estimation. 2018 18th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems (RADECS), IEEE, Sep. 2018, pp. 1-4. DOI: https://doi.org/10.1109/radecs45761.2018.9328705.

36. Shilong Gou et al. Enhanced low dose rate sensitivity and pre-irradiation elevated-temperature stress effects in bipolar devices: role of hydrogen in the passivation layer[J]. J. Semicond., 2026, 47(4): 042301. DOI: https://doi.org/10.1088/1674-4926/25090014.

37. Sulaiman, N.N., Hasbullah, N.F., Saidin, N. et al. Radiation-induced degradation in optoelectronic devices for satellite applications: a review. Discov Mater 5, 59 (2025). DOI: https://doi.org/10.1007/s43939-025-00185-y.




DOI: http://dx.doi.org/10.26583/bit.2026.4.02

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.