Сотрудники лаборатории фотоники Института механики сплошных сред Пермского ФИЦ УрО РАН и малого инновационного предприятия «ОРМС-Лаб» при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям разработали прототип оптического рефлектометра частотной области ARFA. Прибор был продемонстрирован на XIX международной специализированной выставке лазерной, оптической и оптоэлектронной техники «Фотоника. Мир лазеров и оптики — 2025», которая прошла в апреле в Москве, в ЦВК «Экспоцентр», и вызвал живой интерес потенциальных потребителей — как производителей оптоэлектронных компонентов, так и тех, кто использует распределенные волоконно-оптические датчики.
О пермской школе оптической рефлектометрии, текущих исследованиях и новых разработках мы поговорили с заведующим лабораторией фотоники ИМСС ПФИЦ УрО РАН кандидатом технических наук Юрием Константиновым.
— Прежде всего, поясните, пожалуйста, что такое оптическая рефлектометрия и для чего она нужна?
— 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.