γ射线辐射对铌酸锂Y波导集成光学器件的影响

γ射线辐射对铌酸锂Y波导集成光学器件的影响
摘要：铌酸锂Y波导集成光学器件进行γ射线辐射效应地面模拟实验，一方面通过检测辐射前后器件参数的变化，分析了γ射线总剂量、剂量率与器件性能的相
关性；另一方面通过在线监测辐射总剂量累计过程中器件参数变化，分析器件对
γ射线辐射的敏感性，以及器件性能与辐射总剂量的瞬态关系。

关键词：铌酸锂；Y波导集成光学器件；γ射线
0 引言
基于Sagnac效应的干涉型光纤陀螺（IFOG）具有无运动部件、工艺简单、精
度覆盖面广、动态范围大、启动快、寿命长、抗冲击、耐过载等优点，在航空、
航天、航海、兵器等军事领域具有广阔的发展前景，引起世界各国的关注[1]。

目
前航天运载、空间载体和战略战术武器制导系统已成为光纤陀螺的重要领域和发
展方向，在这些应用中，高抗太空辐射能力是光纤陀螺的必然要求。

铌酸锂Y波
导集成光学器件作为光纤陀螺的重要元件，其抗辐射能力直接影响着光纤陀螺的
相关性能。

现阶段，γ射线辐射研究为太空辐射模拟的重要项目，本文通过对铌
酸锂Y波导集成光学器件进行γ射线地面模拟实验，研究其抗γ射线辐射能力。

1理论分析
γ辐射是由核子蜕变过程中发射的一种电磁波。

它的波长比X射线还要短，
波长＜0．1nm，这种射线具有很强的穿透能力。

γ射线辐射源有反应堆和钴60等。

钴60（60Co）最常见，一般剂量率50rad（Si）/s及以下的γ射线辐射实验
都是用它进行。

铌酸锂Y波导集成光学器件芯片材料为铌酸锂（其化学分子式为LiNbO3）铁电氧化物基材料[2]，当γ射线入射到铌酸锂铁电材料中，其对材料的
损伤效应主要表现为辐射电离效应，是一种瞬时效应，可产生初级电子、次级电
子甚至三级电子[3]。

一般在材料中产生电子-空穴对所需的能量与入射粒子的种类无关，只与其禁带宽度成正比，一般为禁带的3倍[4]。

而铌酸锂属于多晶结构，
绝缘材料，禁带较宽，故铌酸锂材料的抗γ射线辐射能力较强[5]。

对于采用质子
交换退火工艺制备出光波导的Y波导集成光学器件来说，γ射线改变了波导内部
的晶格结构和原子分布，改变了波导及其附近铌酸锂晶体衬底的原有折射率分布，降低波导对光的束缚能力，在器件性能参数的反映就是插入损耗与分光比的变化。

定量的描述γ射线辐射造成的辐射损伤，须考虑γ射线辐射的入射能量强度和辐
射注量。

可以采用γ射线辐照实验前后，测试器件插入损耗与分光比的变化，得
出不同能量等级的γ射线辐射和器件性能参数变化的关系，以及不同的γ射线辐
射注量和器件性能参数变化的关系。

2实验方法
γ射线辐射实验分为辐射移地测试实验和辐照在线测试实验。

辐射移地测试实验，就是器件经过一定剂量的辐射后，移除辐射源一段时间后，对器件性能参数进行测试。

用以考察辐射对器件的长期影响，以及是否造成
永久损伤。

这种实验，只需要将器件准备好寄给实验机构就可以了，实验完成后，寄回来再测试。

这种实验的好处当然是简便，但是只能考察器件是否存在永久损伤，对于器件在辐射条件下地工作情况无从观测。

需要提供的实验条件有两条：
总剂量krad（Si）和剂量率rad（Si）/s。

目前我们器件的实验一般在一百到数百
千rad/si（100 krad（Si））这个水平。

剂量率就是单位时间每秒的辐射剂量，用
来表征辐射的强度，一般用到10rad（Si）/s，50rad（Si）/s这样的等级。

辐照在线测试实验，就是在器件受到辐射的同时进行实时在线的参数测试的
实验。

用以考察器件在辐射情况下的瞬态影响和实时反映。

这种实验进行起来相
对复杂，必须携带几乎全套的测试设备仪器和工具前往实验机构，后面会详细介
绍这种实验的情况。

需要的实验条件首先是剂量率rad（Si）/s，剂量率可以是一
个固定的值，然后进行一定时间或者一定总剂量的实验；也可以用剂量率作为变
量来进行实验。

3实验结果与讨论
3.1γ射线辐射移地测试实验
我们累计对超过26只铌酸锂Y波导集成光学器件进行了γ射线辐照移地测试
实验，其中26只得到了有效数据，见表1。

分别采用不同的辐射总剂量、剂量率、器件接受辐射的方式（器件状态）进行实验。

辐射源60Co，辐射总剂量分
100Krad（Si）和300Krad（Si）两个量级进行。

辐射的剂量率分10rad（Si）/s和
50rad（Si）/s两个量级进行。

在辐射总剂量100Krad（Si）的情况下，器件接受辐射的方式，及器件状态分为器件状态1：器件封装完整，2：器件未封装，LiNbO3
芯片直接暴露于γ射线辐照下。

实验前、后对器件光电参数进行测试，比较器件
参数实验前后的变化。

表1 γ射线辐照地面模拟实验数据
通过上表可以看出在100Krad（Si）～300Krad（Si）这个量级水平下，γ射线
辐照总剂量的变化，对器件光电参数变化（插入损耗、分光比、串音、半波电压）影响不明显。

在总剂量限定在100Krad（Si）的情况下，10rad（Si）/s～50rad（Si）/s这个量级水平的γ射线辐照剂量率变化，对器件光电参数变化（插入损耗、分
光比、串音、半波电压）的影响也不明显。

相同总剂量情况下，实验器件的芯片
是否直接暴露在射线下，对器件插入损耗有一定的影响，但差别还是在一个很小
的范围内（小于0.1dB）。

综上所述，在γ射线辐射总剂量300Krad/Si以内，Y波导集成光学器件接受
不同的辐射实验后，经过一定的时间后其光电参数变化（插入损耗、分光比、串音、半波电压）很轻微，对于器件的永久性损伤较小。

且以上实验，由于其实验
样品只数较少，对于γ射线辐射实验与Y波导集成光学器件光电参数（插入损耗、分光比、串音、半波电压）之间的关系及总剂量和剂量率与器件性能的相关性仅
做粗略分析。

3.2γ射线辐射在线测试实验
上述移地测试实验在γ射线辐照完成后才测试器件参数，不能表征γ射线辐
射对器件的瞬态影响，因此我们开展了Y波导集成光学器件的γ射线辐照在线测
试实验。

实验过程中，Y波导集成光学器件置于钴辐射源前接受辐照，光源和光
探测器置于铅砖墙后，它们之间由光纤连接。

光探测器输出的电信号由电信号线
通过位于屏蔽墙上的电接口输出到外部的数字电表上，测试中记录光探测器输出
的电位值，再转换为相应的光功率。

γ射线辐射总剂量每提高10Krad/Si，记录一
次光输出的电位值，总剂量范围为0 Krad/Si～200Krad/Si。

下面是通过统计分析软件MiniTab对γ射线辐射实验数据进行分析拟合得出
的插入损耗与分光比的变化趋势曲线：
图1 铌酸锂Y波导集成光学器件插入损耗随γ射线辐射剂量的变化
图2 铌酸锂Y波导集成光学器件分光比随γ射线辐射剂量的变化
从图1到图2可以看出，γ射线辐照对Y波导集成光学器件产生瞬时电离效
应，且随着剂量的增加，使器件的插入损耗逐渐增大（其总变化量仍很小，小于0.13dB），对器件的分光比几乎无任何影响（分光比变化量均小于0.05%）。

在γ
射线辐照总剂量200Krad/Si范围内，随着辐射总剂量的增加，器件的插入损耗增
加的速度逐渐变小（具体见图2），根据实验结果分析该只器件的插入损耗在
3.2dB达到稳定状态。

根据Alvin S.Kanofsky等人的研究，当质子交换的LiNbO3光
波导接受到的γ射线辐照达到一定总剂量Dm以后，插入损耗增大的速度将会降
低到一个很低的水平，进入一个相对稳定的状态[6][7]，这与我们的实验结果一致。

4. 结论
通过对铌酸锂Y波导集成光学器件进行γ射线辐射效应地面模拟实验，进行
移地测试和在线测试帮助我们进一步认识γ射线辐射对器件的影响。

在0～
300Krad/si的总辐射剂量范围内，γ射线辐射对器件的插入损耗、分光比、串音及半波电压影响很小。

随着辐射剂量的增大和辐射强度的增加（小于200Krad/si），铌酸锂Y波导集成光学器件的插入损耗也随之进入相对稳定的状态。

因此采用铌
酸锂衬底，质子交换退火工艺制作芯片的铌酸锂Y波导集成光学器件，具有较强
的抗γ射线辐射能力。

参考文献：
[1]张桂才．光纤陀螺原理与技术．第一版．北京．国防工业出版社，2008
[2]杨家德，张蜀平等．集成光学技术及其应用．科学技术文献出版社，1999．8
[3]唐重林，柴常春等．铁电材料的核辐射效应．材料导报，2007．8，21（8）33-36
[4]Claeys.C，Simoen.E．先进半导体材料及器件的辐射效应．国防工业出版社，2008.3
[5]周南，牛胜利，丁升等．强脉冲离子束辐照－力学效应研究．强激光与粒
子束，2000，12（2）249-253
[6]于庆奎，唐民等．用10MeVγ射线和钴60γ射线进行CCD空间辐射效应评估．航天器环境工程，2008.8，25（4）391-394
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