Диагностика оптоволокна становится совершеннее и дешевле.
Сотрудники лаборатории фотоники Института механики сплошных сред Пермского ФИЦ УрО РАН и малого инновационного предприятия «ОРМС-Лаб» при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям создали прототип оптического рефлектометра частотной области ARFA. Он был продемонстрирован на XIX Международной специализированной выставке лазерной, оптической и оптоэлектронной техники «Фотоника. Мир лазеров и оптики-2025» в Москве и вызвал живой интерес потенциальных потребителей.
Лаборатория фотоники, созданная в ПФИЦ УрО РАН в 2013 году, ориентирована прежде всего на рефлектометрическое исследование волокон и интегрально-оптических чипов и их разработку. В Перми динамично развивается целый кластер организаций, включающий производственные и сервисные компании, вузы и Пермский ФИЦ УрО РАН, выпускающий оптические волокна разной конструкции и назначения, интегрально-оптические схемы и другие оптические элементы, а также широкий спектр устройств на их основе. Пермский ФИЦ УрО РАН - соучредитель малого инновационного предприятия «ОРМС-Лаб», где идеи исследователей получают физическое воплощение. Обо всем этом «Поиску» рассказал заведующий лабораторией фотоники кандидат технических наук Юрий КОНСТАНТИНОВ.
– Оптическое волокно - это тонкая кварцевая нить, по которой передается оптическое излучение различных диапазонов. На пересечении смежных областей (оптики, фотоники, инженерии) и как способ исследования коэффициента затухания сигнала в оптических волокнах, кабелях связи и телекоммуникационных сетях возникла оптическая рефлектометрия. Она представляет собой не только инструмент исследования распределения потерь сигнала в волокне, но и физический принцип функционирования сенсорных систем, способных улавливать механические напряжения, температуру, вибрации и другие физические величины в каждой точке волоконного световода. Как функционирует самый простой рефлектометр, легко понять, бросив камушек на дно ущелья, - по времени возвращения эха звука падения можно оценить расстояние до дна.
Так и оптический рефлектометр временной области посылает в волокно короткий всплеск светового сигнала и тут же «замолкает», ожидая получения информации. Благодаря этому можно оценить не только качество оптического волокна в каждой его точке, но и то, что происходит с местом его эксплуатации: дорогой, мостом, высотным зданием, самолетом или морским судном, а также с газо- и нефтепроводом. Сегодня основные заказчики сенсорных исследований - крупные сырьевые компании. Но обычная рефлектометрия, работающая во временной области, имеет серьезные ограничения.
Вернемся к задаче с камушком и представим, что будет, если ущелье настолько неглубокое, что звук от падения достигнет наблюдателя практически мгновенно. Мы не получим точных данных о глубине ущелья. И здесь в дело вступает рефлектометрия частотной области, позволяющая исследовать сравнительно небольшие по длине участки оптических волокон, но с очень высоким разрешением. Сравнивая рефлектометрию во временной и частотной областях, можно вспомнить о людях с чувством ритма и музыкальным слухом. Первые ориентируются по временной шкале, вторые - по частотной (высоте нот). И если корректно зарегистрировать экстремально малые временные интервалы сложно даже сверхбыстрыми детекторами, то измерить время прохождения сигнала по частоте спектральный анализ позволяет с достаточно хорошей точностью. Это дает возможность найти способы решения старых задач и порождает новые интригующие вызовы.
– В чем преимущества рефлектометра ARFA по сравнению с аналогами?
– В России помимо нашего коллектива есть еще две серьезные научные группы, которые работают в этом же направлении на достаточно высоком уровне, и наши разработки одновременно конкурируют и дополняют друг друга.
Важное преимущество нашей системы - возможность работы с разными когерентными перестраиваемыми источниками излучения. В нашем рефлектометре источник излучения (лазер) вынесен за пределы устройства, поэтому потребителю не приходится тратить несколько миллионов рублей (более половины цены всей системы), если такой прибор уже есть в его распоряжении. Компенсационные и управляющие схемы рефлектометра ARFA позволяют нивелировать эффект нелинейности перестройки по частоте и приспособиться к другим индивидуальным особенностям внешнего лазерного излучения. При отсутствии интегрированного в прибор лазера самыми дорогими элементами системы остаются фотодетекторы и аналого-цифровые преобразователи.
Уменьшить ее стоимость еще минимум на четверть нам удалось благодаря комплексу программно-аппаратных методов, позволившему эффективно объединять сигналы с опорных (сервисных) каналов таким образом, чтобы их мог регистрировать всего один фотодетектор и оцифровывать один канал сбора данных. После этого они без каких-либо потерь восстанавливаются как отдельные потоки информации и обрабатываются также отдельно. По ключевым эксплуатационным характеристикам наш рефлектометр находится на уровне мировых аналогов и даже демонстрирует преимущества при решении ряда задач.
– В каких еще сферах могут применяться ваши результаты?
– Благодаря сверхвысокому пространственному разрешению (до 10 микрометров) с помощью методов рефлектометрии частотной области можно исследовать не только оптоволоконные компоненты и схемы, но и небольшие интегрально-оптические чипы и с учетом полученной информации повысить эффективность производства различных оптоэлектронных устройств на их базе. Еще одно важное применение оптической рефлектометрии частотной области - распределенная оптоволоконная сенсорика. Особенно эта технология востребована при исследовании температурных и деформационных полей новых материалов, узлов, блоков и конструкций на их основе. Такие исследования проводятся для аэрокосмической отрасли, при проектировании «умных городов», производств и во многих других ключевых направлениях науки и технологии.
Перед исследователями сегодня стоят серьезные задачи: увеличение дальности измерений, повышение точности получения различных данных в каждой точке изучаемой среды, а также упрощение и удешевление подходов, ныне требующих существенных финансовых затрат и создания сложных оптоэлектронных схем. Нужно создавать недорогие высококогерентные лазерные источники, способные плавно перестраиваться по частоте во времени в широком частотном диапазоне, а также системы управления и компенсации нелинейности перестройки таких лазеров.
Существенный пласт задач связан с цифровой обработкой сигналов: здесь и создание новых алгоритмов экстракции нужных физических величин из полученных данных, и ускорение процессов обработки данных, поскольку измерения производятся с экстремально высоким разрешением, что требует вовлечения огромных объемов цифровой информации.
Елена ПОНИЗОВКИНА
Обложка: в лаборатории фотоники. Фото предоставлено Институтом механики сплошных сред Пермского ФИЦ УрО РАН
