В ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ

— Оптическая рефлектометрия возникла на пересечении смежных областей — оптики, фотоники, инженерии — как способ исследования коэффициента затухания сигнала в оптических волокнах, кабелях связи и телекоммуникационных сетях, построенных на волоконной оптике. Как работает рефлектометрия для проводников электрического тока, могли наблюдать многие пользователи интернета, когда сигнал внезапно пропадал, а представители провайдера чудесным образом находили место его потери. Оптическое волокно — это тонкая кварцевая нить, по которой передается оптическое излучение различных диапазонов. Оптическая рефлектометрия — 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, можно 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. Поэтому сегодня основные заказчики сенсорных исследований — крупные сырьевые компании. Но, будем объективны, обычная рефлектометрия, работающая во временной области, имеет серьезные ограничения. Давайте вернемся к задаче с камушком и представим, что будет, если ущелье настолько неглубокое, что звук от падения камушка достигнет наблюдателя практически мгновенно. Мы не получим точных данных о глубине ущелья. И вот здесь в дело вступает рефлектометрия частотной области, позволяющая исследовать сравнительно небольшие по длине участки оптических волокон, но с очень высоким разрешением. Она использует непрерывное лазерное излучение, меняющееся по частоте, а обратно-рассеянное излучение в таком случае исследуется спектральным анализом. Сравнивая рефлектометрию во временной и частотной областях, можно вспомнить о людях с чувством ритма и музыкальным слухом соответственно — первые ориентируются по временной шкале, вторые по частотной (высоте нот). И если зарегистрировать экстремально малые временные интервалы времени корректно 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.

— Наша лаборатория была создана в 2013 г. Ее первым заведующим стал известный российский физик доктор физико-математических наук Андрей Семенович Курков, затем ей руководил другой маститый специалист по лазерам и оптоэлектронике кандидат физико-математических наук Иван Александрович Лобач. Это наши учителя, заложившие основные научные направления лаборатории. Мы ведем междисциплинарные исследования, поэтому наши сотрудники специализируются в разных областях — от теоретической физики до радиоинженерии и программирования.

Мы ориентированы прежде всего на рефлектометрическое исследование волокон и интегрально-оптических чипов в лабораторных условиях и разработку волоконно-оптических датчиков. Актуальность этой тематики определяется тем, что в Перми динамично развивается целый тематический кластер организаций, включающий производственные и сервисные компании, вузы и Пермский ФИЦ УрО РАН. Предприятия кластера производят оптические волокна разной конструкции и назначения, интегрально- оптические схемы и другие оптические элементы, а также широкий спектр устройств на их основе, в том числе волоконно-оптические датчики. Наши исследования необходимы для постоянного улучшения эксплуатационных параметров всех этих элементов и устройств. Пермский ФИЦ УрО РАН — соучредитель малого инновационного предприятия «ОРМС-Лаб», где наши идеи получают физическое воплощение. 

— 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 в хорошем смысле и дополняют друг друга. Иные научные или технологические команды, занимающиеся созданием методов и систем на базе оптической рефлектометрии частотной области, находятся за пределами Российской Федерации.

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, например, пространственному разрешению и динамическому диапазону, наш рефлектометр находится на уровне мировых аналогов и при решении ряда задач даже демонстрирует преимущества.

— 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 исследуемой 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.

Все названные и многие другие проблемы мы обсуждаем на международной конференции «Оптическая рефлектометрия, метрология и сенсорика», которую наша лаборатория проводит раз в два года. Впервые эта конференция прошла в 2016 г., тогда еще в статусе всероссийской, а очередная пройдет в Перми через год, в мае 2026 г.