Vulnérabilité des liaisons optiques aux radiations - AFCEM · – Fibre optique • Noircissement, perte de puissance optique • Génération de lumière parasite • Perte de

27 Mars 2007J. Baggio, CEA/DIF 1

Vulnérabilité des liaisons optiques auxradiations

Jacques BaggioCEA/DIF

[email protected]


Les liaisons optiques en environnement radiatif

Radiothérapie

Spatial

Accélérateurs

Fusion

Nucléaire

Dosimétrie in-vivo

Gyroscopes à fibre optiques

Liaisons hauts débits

Capteurs à fibres

Liaisons haut débits

Spectroscopie

Liaisons de commande contrôle

Thermographie

Mesures déportées

Surveillance desdéchets radioactifs

Mesures cœur deréacteur

B. Brichard « radiation effects in silica optical fibers », Radecs 2005 Short Course notebook,

sept. 19-23, 2005, Cap d’Agde, France


Pourquoi une liaison optique ?

• Avantages des fibres optiques en environnements sévères :

– Immunité électromagnétique

– Grande bande passante

– Faible atténuation du signal

– Faibles poids et volume

– Possibilité de multiplexage

– Pas d’activation

MAIS … elles ne sont pas immunes aux rayonnements (X, , n, …)!


Environnements radiatifs

• Large spectre de doses et débits de doses

– Spatial (Nasa, ESA)

– Physique des hautes énergies (CERN, …)

– Nucléaire civil (CEN-SCK, CEA-cogéma…)

– ITER (CEN-SCK, FORC, CEA)

– LMJ (CEA)

• Les effets sont intimement

liés au couple dose - débit

• Les études sont

d i f f i c i l e m e n t

transposables d'un

environnement à un autre


Les trois pièces maîtresses de la liaison optique

Avant irradiation

Après irradiation

• Principaux modes de dégradation induits par les radiations

Popt

If

IPhot

Popt

Diodelaser

Fibre optique Photodiode


Les sources laser


Sources laser à semi-conducteur :

Modification de la durée de vie des

porteurs dans la cavité laser

Augmentation du seuil laser

Baisse de l'efficacité

Echauffement

Augmentation du courant de fuite

Augmentation du seuil laser


Effet d'un dommage induit par

irradiation : défauts réduisant la

durée de vie des porteurs

Réduction des recombinaisons

radiatives baisse de l'efficacité

quantique (conversion électron-

photon)

Emission : les sources lasers à semi-conducteur

Recombinaisonnon radiative

Recombinaisonradiative


Dégradations : gamma, neutrons, protons

• Niveau composant– Baisse de la puissance injectée

– Echauffement

• Niveau système– Augmentation du taux d'erreur de la liaison

A. Johnston « radiation effects in light-emitting and laser

diodes», IEEE, Trans. Nuc. Sci. 50, pp 689-703, 2003 Courtesy K. Gill, CERN


Réception : Les photodétecteurs


Réception : les photodiodes

• Photodétecteurs :

Réduction de la durée de vie des

porteurs et de la longueur de

diffusion


Générations de défauts

Augmentation du courant

d'obscurité

L'augmentation du courant

d'obscurité conduit essentiellement à

l'augmentation du niveau de bruit

Génération

Recombinaison

+ piégeage

Perte de signal

Courant de fuite


Réception : les photodiodes

• Niveau composant– Augmentation du bruit de fond

– Augmentation de la consommation

• Niveau système– Augmentation du taux d'erreur (liaison numérique)

– Perte de dynamique (liaison analogique)Courtesy K. Gill, CERN


Liaison : Les fibres optiques


Les effets des radiations sur les fibres optiques (1/3)

• Irradiation Modifications structurales de la matrice vitreuse à

l’échelle subnano ou nanométrique

• Création de défauts ponctuels

• Par ionisation

• Par déplacement atomique

• Nature des défauts

• Dépend du type d’irradiation

• Dépend de la matrice vitreuse

• Durée de vie des défauts

• Très variable

Courtesy N. Richard, CEA/DIF



• Irradiation et ses conséquences macroscopiques

Phénomène de dose cumulée, ex : ITER

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700-95

-90

-85

-80

-75

-70

-65

Wavelength in nm

L

u

m

i

n

e

s

c

e

n

c

e

i

n

d

B

m

Evolution de l’indice de

réfraction due à une

compaction

Atténuation induite par

irradiation

Radio-luminescence due à des

centres colorés, impuretés,

Cerenkov

n < 3 % change

Courtesy B. Brichard, SCK-CEN



• Irradiation et ses conséquences macroscopiques

Phénomènes transitoires : irradiation pulsée (flash X)

• Atténuation induite parirradiation

• Recombinaison paires

électron / trou

• Centres absorbants

• Émission induite par irradiation

• Cerenkov

• Radio-luminescence

Dégradation transitoire du signal

propagé dans la fibre optique

Les temps spécifiques après irradiation associés au

flash X (1 ns- 1s) sont différents de ceux associés à

la dose cumulée (1s – 10 ans) donc la tenue d’une

même fibre optique à ces environnements peuvent

être très différentes


Procédé defabrication de lafibre optique

Paramètres régissant la réponse des fibres sous irradiation

• Paramètres intrinsèques

• Paramètres extrinsèques

Température

Nature de l’irradiation Dose totale déposée

Débit de dose

Longueur d’onde

Puissance optique

Historique de la fibre

Paramètres expérimentaux

Paramètres de l’irradiation

Paramètres opto-géométriques

Composition de la fibreoptique

Paramètres fibres optiques


Influence des dopants

• Exemple de l'influence des dopants de la silice massive

Courtesy A. Gusarov, SCK-CEN


Réponses des fibres à la dose (1/3)

• Atténuation induite à 1550 nm ( ,~ 0.1 Gy/s):

Influence des dopants en cœur

Influence des dopants en gaine

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 25 50 75 100 125 150

Dose (Gy)

Att

én

ua

tio

n I

nd

uit

e (

dB

km

-1)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04Temps après irradiation(s)

Pendant l’irradiation

Après l’irradiation

Fibre à cœur dopé azote

Fibre Ge/P,F

Fibre Ge/FFibre à cœur silice pure

Ge

F Cl

P

cœur

Gaine optique

Fibres « durcies àla dose »

Courtesy S. Girard,

CEA/DIF


Réponses des fibres optiques au flash X (2/3)

• Atténuation induite à 1550nm après un flash X:

Influence des dopants en cœur

Influence des dopants en gaine

0.01

0.1

1

10

1.E-06 1.E-04 1.E-02 1.E+00 1.E+02

Temps après irradiation (s)

Att

énu

atio

n I

nd

uit

e (d

B k

m-1

Gy

-1)

Fibre à cœur silice pure

Fibre à cœur dopé azote

Fibre Ge/P,F Fibre Ge/F

• Atténuation

• Avant: 0.2 dB/km

• 10-6 s après: 1000 dB/km @100 Gy

• Deux principaux paramètres

• Atténuation maximale

• Cinétique de guérison

La pertinence d’une fibre optique

dépend fortement des spécifications

de l’environnement et de l’application

considérés !!

Fibres « durcies à

la dose »

Courtesy S. Girard, CEA/DIF


0.001

0.01

0.1

1

10

100

1.E-06 1.E-04 1.E-02 1.E+00 1.E+02 1.E+04

Temps après irradiation (s)

Att

énu

atio

n I

nd

uit

e (d

B k

m-1 G

y-1)

Comparaison des effets des radiations X et (3/3)

DoseFlash

Fibre azote

Fibre Ge sans P

Fibre Ge avec P

• Comparaison des cinétiques de guérison des pertes induites

Pas d’influence du débit de dose

(doses < 150 Gy)

Mêmes mécanismes physiques

à l’origine des pertes induites

Comportement dose cumulée

déductible d’essais sous flash X

Comportement flash X nondéductible des essais à la dose

Comportement particulier des fibres à cœur de silice pure

Courtesy S. Girard, CEA/DIF


Conclusion

• Dégradations induites par irradiation– Source optique

• Baisse de puissance (voir extinction)

• Diminution des marges de bruit, perte de dynamique

– Fibre optique

• Noircissement, perte de puissance optique

• Génération de lumière parasite

• Perte de fonctionnalité de la liaison

– Réception

• Augmentation du bruit de fond

• Baisse de la sensibilité de détection erreurs logiques, baisse de dynamique

• Parades :– Choix technologiques

• Diodes laser + tolérantes (DFB)

• Fibres optiques en Silice pure (pour les effets de dose cumulée)

– Architecture

• Systèmes de compensation des dégradations (asservis à la puissance optique)

Documents

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