ES2903372T3

ES2903372T3 - Transmisión óptica

Info

Publication number: ES2903372T3
Application number: ES14197127T
Authority: ES
Inventors: Mark David Hill; Judith Hankey
Original assignee: Fibercore Ltd
Current assignee: Fibercore Ltd
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: EP2884603B1; US9515732B2; US20160164609A1; EP2884603A2; GB2521156A; GB201321845D0; EP2884603A3

Abstract

Una nave espacial o un aparato (10) de transmisión óptica por satélite que comprende: una fibra (11, 12, 13) óptica que comprende un dopante trivalente activo y al menos dos dopantes trivalentes pasivos en donde, en uso, la fibra óptica que tiene recuperación de la atenuación inducida por radiación; y una única fuente (14) de bombeo óptica acoplada operativamente para proporcionar energía de bombeo de fotorecocido a la fibra óptica; en donde el dopante trivalente activo es erbio a una densidad de dopaje de entre aproximadamente 100 ppm y aproximadamente 3000 ppm y uno de los dopantes trivalentes pasivos es La con una densidad de dopante de entre aproximadamente 10000 y aproximadamente 120000 ppm y otro de los dopantes trivalentes pasivos es aluminio trivalente con una densidad de dopaje de entre aproximadamente 10000 ppm y 60000 ppm, preferiblemente 35000 y 60000 ppm; en donde la bomba óptica está configurada para proporcionar energía de bombeo que tiene una longitud de onda de entre aproximadamente 970 nm y aproximadamente 990 nm; y en donde además el aparato está configurado para bombear ópticamente la fibra óptica en una única longitud de onda solo para recuperarse de la atenuación inducida por radiación.

Description

DESCRIPCIÓN

Transmisión óptica

Campo técnico

La presente invención se refiere a la transmisión a través de fibras ópticas en satélites y naves espaciales y otros entornos de alta radiación.

Antecedentes

El sol emite radiación peligrosa en forma de SPEs (eventos de partículas solares). Estas partículas cargadas y altamente energéticas pueden interactuar con los materiales y causar: deformación de la red por ionización (tanto directa como indirectamente); deformación de la red por colisión directa; creación de impurezas en la red por captura de neutrones (neutrones producidos en interacciones primarias); deposición de energía que puede conducir a la acumulación de carga, distorsionando así la red. Además de los SPEs, también hay Rayos Cósmicos Galácticos (GCR), partículas cargadas de energía del Espacio Profundo. Estos son menos evidentes porque la actividad solar desvía los GCR. Ocasionalmente, el Sol emite una eyección de masa de la corona (CME) que se ve junto con una llamarada solar. Las CME liberan un flujo mucho mayor de SPE y se sabe que causan fallos en las misiones en satélites o naves espaciales.

En la Tierra, la magnetosfera proporciona protección contra la radiación dañina del Sol y el Espacio Profundo desviando la mayoría de las partículas de alta energía. Además, la atmósfera atenúa las partículas energéticas que atraviesan la magnetosfera. Sin embargo, cuando se está en órbita alrededor de la Tierra, esta protección disminuye debido a la falta de atmósfera y al debilitamiento de la magnetosfera con la distancia al núcleo de la Tierra. Es particularmente dañino tener satélites orbitando dentro de los radios de los cinturones de Van Allen debido a su naturaleza como regiones de electrones y protones atrapados dentro de la magnetosfera interior, entre 60 y 6000 millas de altitud para el cinturón interior y entre 8400 y 36000 millas para el cinturón exterior. Estos radios varían con la actividad solar, por lo que se deben considerar trayectorias orbitales específicas. Las diferentes órbitas de elevación tienen diferentes tasas de dosis asociadas, lo que da como resultado diferentes dosis totales dependiendo de la duración de la misión. Una dosis total más alta es más dañina tanto para los humanos como para el equipo. También se cree que una tasa de dosis más alta puede tener un efecto más perjudicial. En una órbita geoestacionaria durante 20 años, la dosis total esperada es de 137 Gy desde detrás del blindaje de aluminio de 10 mm de espesor. En órbita terrestre baja (LEO) la dosis es menos de la mitad de este valor.

Tanto el SPE como el GCR conducen a distorsiones en la red de un material y tienen efectos específicos en diferentes tipos de materiales. En los materiales ópticos, esto puede conducir a la creación de defectos a través de los procesos mencionados anteriormente en la estructura de red de la fibra. No solo se crean nuevos defectos, sino que también se agravan los defectos intrínsecos. Los defectos inducidos por la radiación absorberán la luz, para que menos luz pueda propagarse por la fibra, dando como resultado la denominada atenuación inducida por radiación (RIA). Por lo tanto, para mantener la fibra lo más tolerante posible a la radiación, es importante mantener una estructura de red lo más perfecta posible.

Se ha informado anteriormente que se puede encontrar una recuperación completa del daño por radiación a las fibras ópticas a partir del bombeo tanto a 980 nm como a 532 nm. Sin embargo, no es ideal en el espacio tener múltiples bombas, ya que esto requiere más masa, potencia y añade otra capa de complejidad en las pruebas de fiabilidad.

Se apreciará que las oportunidades para reparar o reemplazar fibras ópticas ubicadas en satélites o naves espaciales son muy limitadas. Incluso si es posible reparar o reemplazar, típicamente es un proceso muy caro.

Además, dado el uso de aplicaciones típicas de fibras ópticas dentro de satélites y/o naves espaciales, cualquier daño a las mismas podría tener implicaciones muy graves. Por ejemplo, las fibras ópticas pueden usarse dentro del sistema de navegación de una nave espacial y, por lo tanto, cualquier daño a las mismas puede hacer que la nave espacial tome una trayectoria incorrecta.

Por lo tanto, es esencial garantizar que las fibras ópticas usadas en satélites y naves espaciales sean óptimamente resistentes a los daños, particularmente a los daños por radiación.

El documento US2012/0134376 A1 describe una fibra óptica amplificadora dopada con erbio insensible a la radiación bombeada a 980 nm, con un núcleo central formado por una matriz de núcleo y nanopartículas, en donde las nanopartículas están formadas por una matriz de nanopartículas que rodea al erbio. La matriz de nanopartículas puede incluir dopantes complementarios tales como aluminio y/o lantano.

Todd S Rose ET AL: "Gamma and Proton Radiation Effects in Erbium-Doped Fiber Amplifiers: Active and Passive Measurements", REVISTA DE TECNOLOGÍA DE ONDA DE LUZ, CENTRO DE SERVICIO DEL IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos), NUEVA YORK, NY, EE. UU., Vol. 19, no. 12 de diciembre de 2001, evalúa la sensibilidad relativa a la radiación de fibras dopadas con Erbio (Er) disponibles comercialmente configuradas como amplificadores ópticos que usan señales de bombeo de 980 nm.

Tz-Shiuan Peng ET AL: "Photo-annealing effects for erbium doped fiber sources after gamma irraditation tests by using 532 nm and 976 nm lasers", Actas del registro de la conferencia de la Sociedad de Ingenieros de Instrumentación Foto-Óptica (SPIE), vol. 7503, 5 de octubre de 2009, páginas 750375-750375-4, investiga dos fibras dopadas con Erbio (EDF) con diferentes sensibilidades a la radiación, comparando las eficiencias de fotorecocido obtenidas usando láseres de bombeo de 532 nm y 976 nm. Una EDF tiene una concentración de Er3+ de aproximadamente 299 ppm, y está codopada con Aluminio (Al) y Lantano (La).

Definiciones

Como se usa en la presente memoria, "óptico" incluye todas las formas de radiación electromagnética, ya sean visibles o invisibles para el ojo humano.

Como se usa en la presente memoria, "ubicación extraterrestre" es cualquier ubicación fuera de la atmósfera de la Tierra. Ejemplos de ubicaciones extraterrestres incluyen una órbita terrestre baja (LEO) tal como la de la Estación Espacial Internacional (ISS), una órbita terrestre media (MEO), una órbita terrestre geoestacionaria (GEO) y una órbita de transferencia geoestacionaria (GTO).

Como se usa en la presente memoria, "entorno de alta radiación" es un entorno en el que la dosis de radiación promedio es mayor que aproximadamente 1 x 10-5 Gy/h.

Como se usa en la presente memoria, un "dopante activo" es un dopante que, cuando se bombea ópticamente, absorbe los fotones de bombeo y usa la energía absorbida para amplificar la semilla o señal transmitida por la fibra óptica.

Como se usa en la presente memoria, un "dopante pasivo" es un dopante que, cuando se bombea, no absorbe sustancialmente los fotones de bombeo. Sin embargo, un dopante pasivo puede modificar las propiedades ópticas de la fibra óptica a través de modificaciones de la estructura de la misma.

Compendio de la invención

Según la presente invención, como se ve desde un primer aspecto, se proporciona una nave espacial o un aparato de transmisión óptica por satélite según la reivindicación 1.

El solicitante ha encontrado que un sistema de transmisión óptica según la presente invención demuestra una recuperación eficaz de la atenuación inducida por radiación (RIA). Esto es contrario al pensamiento establecido, que sugiere que el dopaje conjunto de un dopante trivalente activo con un dopante trivalente pasivo, particularmente en altas concentraciones, produce una fibra óptica con bajo rendimiento bajo radiación. El pensamiento establecido, en particular, sugiere que el dopaje conjunto de un dopante trivalente activo con aluminio produce una fibra óptica que demuestra un gran aumento de las pérdidas bajo condiciones de alta radiación. El solicitante ha encontrado que el bombeo óptico invierte esta tendencia, que se cree que se debe al recocido de defectos puntuales asociados con materiales trivalentes bajo tal bombeo.

La densidad de dopaje de los dopantes trivalentes pasivos se puede variar según la densidad de dopaje del dopante trivalente activo. Preferiblemente, la relación de densidades de dopaje de dopantes trivalentes pasivos a dopantes trivalentes activos está entre aproximadamente 20 y aproximadamente 180 a 1.

El dopante trivalente activo y los dopantes trivalentes pasivos están dispuestos preferiblemente en una matriz trivalente.

La fibra óptica comprende preferiblemente un único dopante trivalente activo, pero puede comprender dopantes trivalentes activos adicionales.

Según la invención, el dopante trivalente activo es erbio. Como apreciará un experto en la técnica, el erbio es un material trivalente, pero su concentración está determinada por la cantidad de absorción que se requiere de la fibra. El erbio constituye el componente activo de la fibra, que absorbe los fotones de bombeo y usa esa energía para amplificar una señal transportada por la fibra. Por lo tanto, la concentración de dopaje con erbio se varía según la absorción requerida para la aplicación particular.

El erbio se proporciona a una densidad de dopaje de entre aproximadamente 100 partes por millón (ppm) y aproximadamente 3000 ppm.

Preferiblemente, el uno o más dopantes trivalentes pasivos se seleccionan del grupo que consiste en: lantano; aluminio; y fósforo.

Como se indicó anteriormente, se cree que el dopaje conjunto con materiales trivalentes pasivos tal como el aluminio aumenta en gran medida la atenuación inducida por radiación (RIA), lo cual no es deseable. Sin embargo, en el caso sin atenuación inducida por radiación, la adición de aluminio actúa para mejorar la uniformidad de la ganancia espectral y aumentar el ancho de banda espectral general usable de una fibra en un amplificador de fibra. La adición de aluminio también es beneficiosa para la incorporación de una mayor concentración de erbio y reduce la agrupación de iones de erbio no deseada que puede mejorar la eficiencia del amplificador.

Según la invención, los dos o más dopantes trivalentes pasivos comprenden aluminio y lantano.

Los dopantes trivalentes pasivos pueden comprender un miembro de la serie de elementos químicos lantánidos.

Los dopantes trivalentes pasivos comprenden lantano, que se proporciona a una densidad de dopante entre aproximadamente 10000 ppm y aproximadamente 120000 ppm. El solicitante ha encontrado que la presencia de lantano en una fibra óptica proporciona una recuperación mejorada durante el recocido.

Adicionalmente, los dopantes trivalentes pasivos comprenden aluminio trivalente, proporcionado a una densidad de dopaje de entre aproximadamente 10000 ppm y 60000 ppm.

Adicionalmente, los dopantes trivalentes pasivos pueden comprender fósforo, que puede proporcionarse a una densidad de dopaje de hasta aproximadamente 20000 ppm.

Los dopantes trivalentes activos y los dopantes trivalentes pasivos están dispuestos preferiblemente dentro de un núcleo de la fibra óptica.

La fibra óptica, preferiblemente su núcleo, puede comprender sílice, que preferiblemente define un material base.

La fibra óptica, preferiblemente su núcleo, puede comprender germanio. Preferiblemente, la fibra óptica, y más preferiblemente su núcleo, comprende germanosilicato, que preferiblemente define un material base.

El núcleo de la fibra óptica comprende preferiblemente un diámetro de entre aproximadamente 2 pm y aproximadamente 20 pm. Más preferiblemente, el núcleo de la fibra óptica comprende un diámetro de entre aproximadamente 2 pm y aproximadamente 7 pm.

La fibra óptica comprende preferiblemente una capa de revestimiento que rodea circunferencialmente el núcleo. Preferiblemente, la capa de revestimiento comprende un diámetro de entre aproximadamente 60 pm y aproximadamente 200 pm. Más preferiblemente, la capa de revestimiento comprende un diámetro de entre aproximadamente 120 pm y aproximadamente 130 pm. Preferiblemente, la fibra óptica comprende un doble revestimiento exterior de acrilato.

El aparato está configurado para bombear ópticamente la fibra óptica a una única longitud de onda. A este respecto, el aparato comprende exactamente una fuente de bombeo óptica configurada para bombear ópticamente al menos una parte de la fibra óptica.

El solicitante ha encontrado que una fibra óptica que comprende un dopante trivalente pasivo muestra una recuperación excelente bajo recocido óptico a una única longitud de onda de bombeo. Por lo tanto, la presente invención evita el requisito de múltiples bombas y, en consecuencia, permite la reducción de la masa y complejidad del aparato de transmisión óptica. Se apreciará que la presupuestación de la masa es vital para cualquier misión espacial; una estimación de 2004 proporcionada en "Spacecraft Systems Engineering" (Tercera Edición) da un coste de 25000 dólares de EE.UU. por kilogramo de masa lanzada al espacio. Preferiblemente, la fuente de bombeo óptica comprende una fuente de láser.

La bomba óptica está configurada para proporcionar energía de bombeo que tiene una longitud de onda de entre aproximadamente 970 nm y aproximadamente 990 nm. Aunque la tecnología espacial actual usa bombas de 1480 nm, los solicitantes han encontrado que tales bombas no serían particularmente eficaces para recocer los daños inducidos por la radiación.

De forma ventajosa, se ha visto que el bombeo de la fibra óptica a alrededor de 980 nm revierte la tendencia de la RIA en fibras que contienen materiales trivalentes tales como aluminio o lantano. También, se deduce que los beneficios del dopaje conjunto con estos materiales trivalentes ahora se pueden lograr en entornos de alta radiación. Por lo tanto, la fibra y el aparato descritos pueden proporcionar una uniformidad de ganancia superior y mantener un ancho de banda espectral amplio en un entorno de alta radiación durante la duración de la operación. Esto significa que, de forma ventajosa, se mantiene el rendimiento espectral de la fibra.

En una realización preferida, el aparato de transmisión óptica comprende un amplificador óptico.

El amplificador óptico puede incluirse dentro de una nave espacial o un sistema de comunicaciones de datos por satélite, que puede estar dispuesto para comunicaciones internas o externas.

En una realización, el aparato de transmisión óptica define parte de un giroscopio de fibra óptica, que puede constituir parte de un sistema de navegación de la nave espacial o satélite. El aparato de transmisión óptica define preferiblemente una fuente óptica del giroscopio de fibra óptica. En uso, un pulso de radiación de la fuente óptica se divide por un divisor óptico, inyectando los dos pulsos en un bucle cerrado o una serie cerrada de bucles de fibra óptica en diferentes direcciones. Si el giroscopio de fibra óptica se somete a rotación en el plano del bucle o bucles, el haz que viaja en contra de la rotación experimenta un retraso de trayectoria marginalmente más corto que el otro haz. Según la presente invención, también como se ve desde un primer aspecto, se proporciona una nave espacial o satélite que comprende un aparato de transmisión óptica como se describió anteriormente en la presente memoria. Según la presente invención, como se ve desde un segundo aspecto, se proporciona un método para transmitir radiación electromagnética a través de una fibra óptica en un entorno de alta radiación, según la reivindicación 10. El entorno de alta radiación puede ser un entorno extraterrestre, que incluye, pero no se limita a, una órbita terrestre baja (LEO), una órbita terrestre media (MEO), una órbita terrestre geoestacionaria (GEO) o una órbita de transferencia geoestacionaria (GTO).

Alternativa o adicionalmente, el entorno de alta radiación puede estar dentro o próximo a una instalación de reactor nuclear.

Alternativa o adicionalmente, el entorno de alta radiación puede estar dentro o próximo a un aparato de física de alta energía (HEP) tal como un colisionador de partículas.

Alternativa o adicionalmente, el entorno de alta radiación puede estar dentro del aparato sensor de radiación.

Preferiblemente, la fibra óptica comprende una o más de las características mencionadas anteriormente.

Preferiblemente, la fuente de bombeo óptica comprende una o más de las características mencionadas anteriormente. Preferiblemente, el método comprende bombear ópticamente la fibra óptica con radiación desde la fuente de bombeo óptica.

Según la presente invención, como se ve desde un tercer aspecto, se proporciona una cavidad de láser de fibra insensible a la radiación.

Descripción detallada

Ahora se describirá una realización de la presente invención solo a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es una ilustración esquemática de un aparato de transmisión óptica dentro de un satélite o nave espacial según una realización de la presente invención como se ve desde el primer aspecto;

La figura 2 es un diagrama de flujo de un método para transmitir radiación electromagnética a través de una fibra óptica en un entorno de alta radiación según una realización de la presente invención como se ve desde el segundo aspecto;

La figura 3 es una ilustración esquemática de un aparato usado para probar el aparato de transmisión óptica ilustrado en la figura 1;

La figura 4 es una tabla de resultados de las pruebas ilustradas en la figura 1; y

La figura 5 es una ilustración esquemática de un aparato de transmisión óptica de la figura 1, según una realización alternativa de la presente invención como se ve desde el primer aspecto.

Con referencia a la figura 1 de los dibujos, se ilustra un aparato 10 de transmisión óptica de un satélite o nave espacial. En la realización ilustrada, el aparato 10 de transmisión óptica tiene la forma de un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) dentro de un sistema de comunicaciones por satélite.

El aparato 10 comprende una primera fibra 11 óptica y una segunda y tercera fibras 12, 13 ópticas en cada extremo longitudinal de la primera fibra 11 óptica. La primera, segunda y tercera fibras 11, 12, 13 ópticas están acopladas ópticamente de modo que los fotones puedan viajar en una primera dirección desde la segunda fibra 12, a través de la primera fibra 11 y posteriormente a través de la tercera fibra.

La primera fibra 11 comprende un núcleo central dopado de entre 3 y 20 gm de diámetro, rodeado por un revestimiento de sílice pura de 125 gm de diámetro. La fibra 11 puede revestirse además, por ejemplo, con acrilato doble.

El núcleo de la primera fibra 11 óptica está formado por germanosilicato dopado con erbio, lantano y aluminio en las siguientes densidades de dopaje (sujeto a /- 20%):

Erbio: 370 partes por millón (ppm)

Lantano: entre 10000 y 20000 ppm

Aluminio: entre 35000 y 60000 ppm

Como apreciará un experto en la técnica, el erbio es un dopante trivalente activo, mientras que el lantano y el aluminio son dopantes trivalentes pasivos. La concentración de dopante trivalente activo, a saber, la concentración de erbio, está determinada por el nivel de absorción requerido para la aplicación particular, pero este no es el caso de los dopantes trivalentes pasivos.

La segunda y tercera fibras 12, 13 ópticas son idénticas entre sí, y cada una comprende un núcleo central y una capa de revestimiento circundante. El núcleo de la segunda y tercera fibras 12, 13 está formado por germanosilicato; la capa de revestimiento está formada por sílice pura. Las fibras 12, 13 ópticas pueden comprender además un revestimiento, por ejemplo un doble; revestimiento de acrilato.

El aparato 10 comprende además una fuente 14 de bombeo óptica en forma de una fuente láser de 980 nm.

La fibra podría usarse como fuente de emisión espontánea amplificada (ASE), modificando el aparato 10 eliminando la señal de entrada y bombeando la fibra sin fuente de semillas.

Un acoplador 15 de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) está configurado para acoplar una señal 16 a amplificar por el aparato 10 con la salida de la fuente 14 de bombeo óptica. El acoplador 15 de WDM está ubicado en un extremo longitudinal de la segunda fibra 12 óptica distal a la primera fibra 11 óptica.

En uso, el dopaje en la primera fibra 11 óptica facilita la amplificación óptica: esto se logra por la emisión estimulada de fotones a partir de iones dopantes en el núcleo de la fibra 11. En detalle, la radiación de la fuente 14 de láser excita los iones dopantes en un nivel de energía más alto. Una vez en este nivel de energía más alto, los iones vuelven a descender a un nivel de energía más bajo a través de la emisión estimulada de un fotón en la longitud de onda de la señal, amplificando así la señal.

La primera fibra 11 en la realización descrita anteriormente se denominará en lo sucesivo fibra A.

En una realización alternativa, el núcleo de la primera fibra 11 óptica está formado por germanosilicato dopado con erbio, lantano y aluminio con las siguientes densidades de dopaje (sujeto a /- 20%):

Erbio: 1200

Lantano: entre 20000 y 30000 ppm

Aluminio: entre 35000 y 60000 ppm

En otra realización alternativa, el núcleo de la primera fibra 11 óptica está formado por germanosilicato dopado con erbio, lantano y aluminio en las siguientes densidades de dopaje (sujeto a /- 20%):

Erbio: 1700

Lantano: entre 80000 y 120000 ppm

Aluminio: entre 35000 y 60000 ppm

En otra realización alternativa, el núcleo de la primera fibra 11 óptica está formado por germanosilicato dopado con erbio y aluminio en las siguientes densidades de dopaje (sujeto a /- 20%):

Erbio: 1100 ppm

Lantano: entre 10000 y 20000 ppm

Aluminio: entre 35000 y 60000 ppm

En otra realización alternativa más, el núcleo de la primera fibra 11 óptica está formado por sílice dopado con erbio, aluminio y germanio en las siguientes densidades de dopaje (sujeto a /- 20%):

Erbio: 2600 ppm

Lantano: entre 10000 y 20000 ppm

Aluminio: entre 35000 y 60000 ppm

En ciertos ejemplos que no están según la invención, el núcleo de la primera fibra 11 óptica puede estar dopado con erbio y aluminio pero no con lantano.

En un ejemplo que no está según la invención, en la presente memoria la fibra B, el núcleo de la primera fibra 11 óptica está formado por sílice dopado con erbio y aluminio en las siguientes densidades de dopaje (sujeto a /-20%):

Erbio: 380 ppm

Aluminio: entre 20000 y 40000 ppm

En otro ejemplo alternativo que no está según la invención, en la presente memoria la fibra C, el núcleo de la primera fibra 11 óptica está formado por germanosilicato dopado con erbio y aluminio en las siguientes densidades de dopaje (sujeto a /- 20%):

Erbio: 450 ppm

Aluminio: entre 35000 y 60000 ppm

La figura 3 ilustra un aparato 50 usado por el solicitante para probar los efectos de la ionización en la primera fibra 11 óptica del aparato de la figura 1. Las diversas realizaciones de esta fibra 11 descritas anteriormente han sido probadas por el solicitante.

Se usó una fuente 18 gamma para simular los efectos de la ionización, que son los principales responsables de la atenuación inducida por radiación (RIA). Los efectos no ionizantes, tal como el desplazamiento de la red, no se simularon, pero un consenso en la industria demuestra que es aceptable el uso de una fuente de radiación gamma para simular el flujo del sistema eléctrico de potencia (SEP).

Se irradiaron 100 m de longitud de fibra 11 pasivamente (sin que atravesara la luz o la bomba) usando una fuente de Co60 durante un período de cuatro horas a una tasa de dosis de 50 Gy/h, confirmada por los estándares nacionales. Por lo tanto, la dosis total fue de 200 Gy, lo que equivale al 146% de la dosis de radiación total en una misión de 20 años de duración en órbita terrestre geoestacionaria (GEO). La tolerancia del nivel de radiación fue de ±10% y la temperatura se mantuvo entre 23 y 25 °C. Se mantuvo una longitud de 100 metros de cada fibra 11 como control.

La atenuación de la fibra, es decir, la pérdida óptica, se probó con un sistema PK2500 en las longitudes de onda de interés, antes y después de la radiación. La RIA se calculó restando los valores de atenuación no radiados del valor posterior a la radiación en cada longitud de onda. La fibra se dejó recocer térmicamente durante un año a temperatura ambiente; se supone que todo el recocido térmico apreciable habría ocurrido en este período de tiempo.

El fotorecocido se realizó posteriormente usando la bomba 14 óptica a 974 nm a 175 mW (medido en la fibra amplificadora) con semillas 19 a 1536,61 nm, 1541,35 nm, 1550,92 nm y 1552,52 nm. La longitud de la fibra 11 usada se varió en función de la absorción por metro a 1531 nm para que la absorción total en toda la longitud fuera constante a 80 dB para cada muestra probada. La fibra 11 se bombeó continuamente a 974 nm durante varios días y la potencia de salida se midió a intervalos regulares con un medidor 20 de potencia.

Como apreciará una persona experta en la técnica, radiar la fibra 11 a una alta tasa de dosis durante un corto período de tiempo y luego seguir con el recocido no es un tratamiento idéntico a la irradiación simultánea de la fibra y el fotorecocido, como ocurriría bajo condiciones de uso continuo en órbita terrestre u otras aplicaciones espaciales. En cambio, dar la dosis total en un corto período de tiempo y luego recocer la fibra 11 simula el peor de los casos, ya que todo el daño requiere reparación. Además, la investigación dentro de la industria revela que la misma dosis total proporcionada como una tasa de dosis más alta produce más daño que una tasa de dosis más baja durante un período más largo.

La potencia de salida se extrapoló a 20 años usando un ajuste de curva de potencia, según modelos cinéticos de daño por radiación tal como los discutidos por D.L. Griscom, M.E. Gingerich y E.J. Friebele en "Model for the dose, dose rate, and temperatura dependence of radiation-induced loss in optical fibers" (IEEE TRANS.NUCL. SCI., VOL. 41, págs. 523-527, 1994) y G. M. Williams y E. J. Frieble en "Space radiation effects on erbium doped fiber devices: sources, amplifiers, and passive measurements" (IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 45, págs. 1531-1536, junio de 1998).

El porcentaje de recuperación se encontró calculando la salida final extrapolada como un porcentaje de la salida de la fibra de control. Los resultados para las fibras A, B y C se pueden ver en la figura 4. Se apreciará que la fibra A no puede recuperarse por encima del 100%; la cifra del 100,63% se debe a un pequeño error estándar dentro del proceso experimental.

Las pruebas descritas anteriormente han demostrado que un aparato 10 de transmisión óptica por satélite o nave espacial según la presente invención muestra una excelente recuperación del daño por radiación y es probable que resista una misión de 20 años de duración. Los solicitantes creen que el mecanismo de recuperación es el recocido de defectos puntuales asociados con materiales trivalentes bajo bombeo de 980 nm.

Además, se puede ver a partir de los resultados de tales pruebas que una fibra óptica dopada con lantano, tal como la fibra A, muestra una rápida recuperación a pesar de sufrir un daño inicial sustancial por radiación. Por consiguiente, tales fibras son adecuadas para su uso en entornos de alta radiación, tal como el espacio, en períodos prolongados.

En particular, tales fibras se adaptan mejor a aplicaciones donde la bomba estará activa durante más del 20% de la duración de la misión. Por otro lado, una fibra óptica sin dopaje con lantano, tal como la fibra B, es más resistente al daño inicial pero muestra una tasa de recuperación más lenta. Por consiguiente, tales fibras son óptimas para su uso durante menos del 20% de una misión de 20 años de duración.

Con referencia a la figura 2 de los dibujos, se ilustra un método 100 para transmitir radiación electromagnética a través de una fibra óptica en un entorno de alta radiación según una realización de la presente invención.

En la realización ilustrada, el entorno de alta radiación es un entorno extraterrestre tal como una órbita terrestre baja (LEO). Alternativamente, el entorno de alta radiación puede estar dentro de una instalación de un reactor nuclear, por ejemplo.

El método según la invención comprende proporcionar, en un entorno de alta radiación, una fibra óptica que comprende erbio como un dopante trivalente activo y al menos aluminio y lantano como dopantes trivalentes pasivos en la etapa 101. La fibra óptica puede ser como se describió anteriormente en la presente memoria en relación con al aparato ilustrado en la figura 1. Por ejemplo, el núcleo puede estar formado de sílice dopado con erbio, lantano, aluminio y germanio trivalente en las siguientes densidades de dopaje:

Erbio: 370 partes por millón (ppm)

Lantano: entre 10000 y 20000 ppm

Aluminio: entre 35000 y 50000 ppm

Germano: 10000 ppm

Alternativamente, el núcleo puede comprender el dopaje como se describió en las realizaciones alternativas anteriores. En la etapa 102, el método comprende proporcionar, en un entorno de alta radiación, una fuente de bombeo óptica configurada para proporcionar una salida a aproximadamente 980 nm, por ejemplo, la fuente 14 de bombeo óptica ilustrada en el conjunto 10 de la figura 1.

El método comprende además, en la etapa 103, transmitir una señal a lo largo de la fibra óptica en un entorno de alta radiación. La señal se amplifica durante su transmisión. La señal puede ser, por ejemplo, una señal de comunicaciones dentro de un sistema de transferencia de datos intrasatélite.

El método comprende además bombear la fibra óptica a una longitud de onda de aproximadamente 980 nm en la etapa 104, realizándose esta etapa preferiblemente en el entorno de alta radiación.

El método también puede comprender la creación de múltiples pasadas a través de una cavidad de láser la fibra. El aparato 60 para usar con este método se ilustra en la figura 5. La cavidad se define entre dos superficies reflectantes o parcialmente reflectantes, tales como los espejos 21a, 21b. Alternativamente, el mecanismo reflectante puede tener la forma de rejillas de Bragg.

Una longitud de fibra 11 óptica se extiende entre los dos espejos 21a, 21b. El núcleo de la fibra 11 óptica según la invención comprende como un dopante trivalente activo, erbio y como un dopante trivalente pasivo, lantano y aluminio. La fibra 11 óptica puede ser como se describió anteriormente en la presente memoria en relación con el aparato ilustrado en la figura 1.

La segunda y tercera fibras 12, 13 ópticas en una realización están acopladas ópticamente a la primera fibra 11 óptica en sus respectivos extremos longitudinales. La segunda y tercera fibras 12, 13 ópticas pueden ser como se describió anteriormente en la presente memoria en relación con el aparato ilustrado en la figura 1. Alternativamente, la segunda y tercera fibras 12, 13 ópticas pueden ser idénticas a la primera fibra 11 óptica de modo que el aparato 60 comprenda solo una fibra óptica. El aparato de la figura 5 ilustra una configuración de espacio libre e incluye las lentes 22a, 22b y 22c para enfocar y colimar.

Una fuente 14 de bombeo óptica está configurada para bombear la fibra 11, 12, 13 óptica a aproximadamente 980 nm. Se pueden hacer diversas modificaciones a las realizaciones descritas del aparato y método sin apartarse del alcance de la presente invención. Por ejemplo, podrían incluirse en la composición de la fibra otros dopantes además del erbio, tales como tulio, iterbio, holmio y/o neodimio. La radiación puede provenir de cualquier fuente y puede administrarse a una tasa de dosis constante o pulsada.

Todas tales variaciones y modificaciones están destinadas a incluirse dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Por ejemplo, el aparato de transmisión óptica puede incluirse dentro de un sistema de dirección u otro sistema de control para una nave espacial o satélite.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una nave espacial o un aparato (10) de transmisión óptica por satélite que comprende:

una fibra (11, 12, 13) óptica que comprende un dopante trivalente activo y al menos dos dopantes trivalentes pasivos en donde, en uso, la fibra óptica que tiene recuperación de la atenuación inducida por radiación; y

una única fuente (14) de bombeo óptica acoplada operativamente para proporcionar energía de bombeo de fotorecocido a la fibra óptica; en donde

el dopante trivalente activo es erbio a una densidad de dopaje de entre aproximadamente 100 ppm y aproximadamente 3000 ppm y

uno de los dopantes trivalentes pasivos es La con una densidad de dopante de entre aproximadamente 10000 y aproximadamente 120000 ppm y otro de los dopantes trivalentes pasivos es aluminio trivalente con una densidad de dopaje de entre aproximadamente 10000 ppm y 60000 ppm, preferiblemente 35000 y 60000 ppm; en donde la bomba óptica está configurada para proporcionar energía de bombeo que tiene una longitud de onda de entre aproximadamente 970 nm y aproximadamente 990 nm; y en donde además el aparato está configurado para bombear ópticamente la fibra óptica en una única longitud de onda solo para recuperarse de la atenuación inducida por radiación.

2. Una nave espacial o un aparato (10) de transmisión óptica por satélite según la reivindicación 1, en donde los dopantes trivalentes pasivos comprenden además fósforo.

3. Una nave espacial o un aparato (10) de transmisión óptica por satélite según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde el dopante trivalente activo y al menos un dopante trivalente pasivo forman una matriz trivalente.

4. Una nave espacial o aparato (10) de transmisión óptica por satélite según la reivindicación 1, reivindicación 2 o reivindicación 3, en donde el dopante trivalente activo y los dopantes trivalentes no pasivos están dentro de un núcleo de la fibra óptica.

5. Una nave espacial o aparato (10) de transmisión óptica por satélite según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el aparato (10) de transmisión óptica comprende uno o más de un amplificador óptico, una fuente de emisión espontánea amplificada (ASE) y un láser de fibra, y/o forma parte de una nave espacial o un sistema de comunicaciones de datos por satélite.

6. Una nave espacial o un aparato (10) de transmisión óptica por satélite según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el aparato (10) de transmisión óptica define parte de un giroscopio de fibra óptica.

7. Una nave espacial o un aparato (10) de transmisión óptica por satélite según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el La tiene una densidad de dopante de entre aproximadamente 10000 y aproximadamente 20000 ppm; o entre aproximadamente 20000 y aproximadamente 30000 ppm.

8. Una nave espacial o un aparato (10) de transmisión óptica por satélite según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el La tiene una densidad de dopante de entre aproximadamente 80000 y aproximadamente 120000 ppm.

9. Una nave espacial o un aparato (10) de transmisión óptica según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.

10. Un método para transmitir radiación electromagnética a través de una fibra óptica en un entorno de alta radiación en el que la dosis de radiación promedio es mayor que aproximadamente 1 x 10-5 Gy/h, y en el que se usa: una fibra (11, 12, 13) óptica que comprende un dopante trivalente activo y al menos dos dopantes trivalentes pasivos en donde, en uso, la fibra óptica que tiene recuperación de la atenuación inducida por radiación; y,

una única fuente (14) de bombeo óptico acoplada operativamente para proporcionar energía de bombeo de fotorecocido a la fibra óptica; donde el dopante trivalente activo es erbio, uno de los dopantes trivalentes pasivos es La, y otro de los dopantes trivalentes pasivos es aluminio;

en donde la relación de densidad de dopaje medida en ppm de dopantes trivalentes pasivos a dopantes trivalentes activos es de 20:1 a 180:1; en donde el erbio tiene una densidad de dopaje de entre aproximadamente 100 ppm y aproximadamente 3000 ppm, el La tiene una densidad de dopante de entre aproximadamente 10000 y aproximadamente 120000 ppm y el aluminio tiene una densidad de dopaje de entre aproximadamente 10000 ppm y 60000 ppm, y en donde la bomba óptica está configurada para proporcionar energía de bombeo que tiene una longitud de onda de entre aproximadamente 970 nm y aproximadamente 990 nm; y en donde además la fuente de bombeo óptica está configurada para bombear ópticamente la fibra óptica en una única longitud de onda solo para recuperarse de la atenuación inducida por radiación.

11. Un método según la reivindicación 10, en donde el entorno de alta radiación es un entorno extraterrestre, o está dentro o próximo a una instalación de un reactor nuclear, o está dentro o próximo a un aparato de física de alta energía, HEP.

12. Un método según la reivindicación 10 o la reivindicación 11, en donde el aluminio trivalente tiene una densidad de dopante de entre aproximadamente 35000 y 60000 ppm.

13. Un método según la reivindicación 10, la reivindicación 11 o la reivindicación 12, en donde el La tiene una densidad de dopante de entre aproximadamente 10000 y aproximadamente 20000 ppm.

14. Un método según la reivindicación 10, la reivindicación 11 o la reivindicación 12, en donde el La tiene una densidad de dopante de entre aproximadamente 20000 y aproximadamente 30000 ppm.

15. Un método según la reivindicación 10, la reivindicación 11 o la reivindicación 12, en donde el La tiene una densidad de dopante de entre aproximadamente 80000 y aproximadamente 120000 ppm.