Фотонные структуры — это оптоволоконные линии и оптические чипы, по которым передается свет. Они обеспечивают работу интернета, авиации, нефтегазовой отрасли и медицины. В России их протяженность к 2025 году достигнет 1,4 млн км с ежегодным приростом в десятки тысяч километров.
Оптоволокно — нити из стекла или пластика диаметром 125 микрон (тоньше волоса), передающие терабайты данных в секунду: лазер преобразует электрические сигналы в световые вспышки (1 — импульс есть, 0 — импульса нет).
Дефекты волокон — трещины, грязь или плохая стыковка — вызывают сбои, поэтому важна их диагностика. Традиционные методы искажали данные о дефектах на 14−53% и смещали сигнал на 67%. Ученые ИМСС УрО РАН, Пермского Политеха и КНИТУ‑КАИ разработали новый способ обработки сигналов для метода OFDR (исследование волокна лазером с перестройкой частоты). Как рассказала пресс-служба ПНИПУ порталу Наука Mail, он полностью устраняет искажения (0%) и не смещает сигнал (0%), позволяя быстрее, точнее и дешевле находить повреждения. Результаты опубликованы в журнале Optics при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российского научного фонда.
Даже совершенные фотонные структуры имеют слабые места. При изготовлении оптических чипов могут появиться незаметные дефекты — неровная стенка, соринка или внутреннее напряжение, а в оптоволоконных деталях со временем возникают микротрещины из‑за вибраций или перепадов температуры. Это вызывает лишние отражения света и потери сигнала: например, датчик давления на нефтепроводе дает ошибочные показания, а гироскоп накапливает погрешность.
Для поиска повреждений используют прибор, работающий по принципу полицейской сирены с меняющейся частотой: отраженный звук помогает определить расстояние до объектов. Аналогично лазер посылает в оптоволокно луч с плавно меняющейся частотой — он отражается от дефектов, а прибор с точностью до микрометра выявляет их местоположение.
Проблема в том, что при диагностике оптоволокна обратно возвращается очень мало света — его уровень сравним с шумом прибора (хаотичными колебаниями сигнала). Без обработки отличить реальные дефекты от шума почти невозможно.
Существующие методы убирают шум, но грубо: они сглаживают сигнал и теряют отклики от повреждений — ошибка доходит до 53%, а уровень сигнала смещается. Из‑за этого можно пропустить брак: например, заниженная оценка качества соединения приведет к ошибкам в работе устройства или его поломке.
Ученые Пермского Политеха, ИМСС УрО РАН и КНИТУ‑КАИ предложили умный алгоритм очистки сигналов — он работает как фильтр. Для каждого участка он определяет, шум это или скачок от дефекта: хаотичные колебания сглаживает, а резкие скачки (реальные повреждения) оставляет нетронутыми. Метод протестирован на оптическом рефлектометре частотной области, созданном ИМСС УрО РАН и компанией «ОРМС Лаб».
В традиционных методах шумоподавления мы неизбежно сталкиваемся с компромиссом: чем сильнее мы приглушаем шум, тем больше искажаем то, что ищем. Мы предложили простой геометрический критерий, который позволяет отличить хаотическое облако точек от изолированного выброса. Если вокруг точки много «соседей» — мы, как будто «накрывая ее зонтиком» — заменяем на плавную дугу эллипса. Если «соседей» мало — точку оставляем как есть. Это позволяет избежать искажений полезных событий, что до сих пор было недостижимо.
Ученые проверили новый метод на реальном оборудовании. Существующие методы искажают высоту пика от повреждения на 14−53% и смещают уровень сигнала — порой с ошибкой до 67%. Новый метод полностью исключает искажения (0%) и смещение уровня (0%), позволяя точно отличать дефекты от помех. Благодаря этому можно паспортизовать параметры объекта — проверить соответствие требованиям и решить, готов ли он к использованию или нуждается в дальнейшей обработке.
При сборке фотонных интегральных схем критически важно точно знать интенсивность обратных отражений. Если метод обработки уменьшил пик на четверть, вы можете принять ошибочное решение о качестве соединения и вместо выполнения «полезной работы» в схеме, свет будет отражаться назад и возвращаться к источнику. Наш метод исключает такую ошибку.
Ученые создали экспериментальную установку «ARFA» — прототип прибора для диагностики оптических чипов. Ее себестоимость на треть ниже мировых аналогов, а регистрация оформлена компанией «ОРМС Лаб».
Алгоритм можно внедрить в ПО коммерческих рефлектометров без замены оборудования — достаточно обновить программу. Это делает разработку доступной для российских предприятий в сфере оптоэлектроники, фотоники и волоконной оптики.
В планах — повысить точность метода, адаптировать его для разных типов оборудования и снизить вычислительную нагрузку.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что в Перми нашли способ эффективнее передавать энергию по оптоволокну.
