«Нервная система» без нервных клеток и гироскопы без «шестерёнок»

Учёные Лаборатории фотоники Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН ведут работы в области оптической рефлектометрии, в частности, исследование волокон и интегрально-оптических чипов. Изучение характеристик оптоволоконных объектов  важно для  многообразных приложений инженерно-промышленной сферы.

На пересечении смежных областей, таких как оптика, фотоника, инженерия, возникает оптическая рефлектометрия. Она направлена на проведение измерений параметров разных видов оптических систем. Оборудование волоконно-оптических линий связи сегодня включает в себя компоненты, изготовленные на базе фотонных интегральных схем.  Новая элементная база приводит к появлению дополнительных параметров, которые нужно постоянно контролировать и совершенствовать. Чтобы измерить эти параметры и проанализировать работу  компонентов оптоволоконных сетей, необходимо разработать новые методы  рефлектометрии. Технологии оптоэлектронной отрасли могут быть востребованы приборостроительными, газовыми и нефтяными компаниями.

Российские ученые сегодня демонстрируют определенные фундаментальные и практические достижения в области оптической рефлектометрии.  Так, в 2013 году была создана Лаборатория фотоники Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН (ПФИЦ УрО РАН) (г. Пермь). Сам центр, как и многие научные организации города, является частью пермского кластера «Фотоника». Пермская научная школа по оптической рефлектометрии   активно набирает опыт и приоритетным выбирает прикладное направление  –  методы изучения специальных волоконных световодов, которые применяются в различной оптоэлектронной технике, на морских судах и  в летальных аппаратах.

Заведующий Лабораторией фотоники Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН (ПФИЦ УрО РАН) (г. Пермь), старший научный сотрудник, кандидат технических наук, Юрий Александрович Константинов  и  его коллега старший научный сотрудник  этой лаборатории, кандидат физико-математических наук, доцент Пермского государственного национального исследовательского университета (г. Пермь)  Роман Сергеевич Пономарев – рассказали о характере  и успехах текущих исследований и прояснили  представление  о процессах волоконной оптики.

«Наша цель – стабильное функционирование и динамичное развитие научной школы по фотонике в нашем городе в тесной кооперации с ведущими научными и производственными структурами; получение новых, самых передовых фундаментальных и прикладных знаний в области волоконной, интегральной оптики и воплощение их совместно с практиками в готовые решения. Задач, которые необходимы для достижения этой цели, не счесть: это и педагогическая работа, и теоретические разработки, и натурные эксперименты. Все должно бить в одну точку. Что касается научной школы, на которую опираемся мы сами, то она базируется на двух ВУЗах – Пермский государственный национальный исследовательский университет и Пермский национальный исследовательский политехнический университет, –

 Юрий Константинов  сообщил об истоках зарождения  лаборатории, её кадровом составе  и  научной деятельности, –

Первым заведующим нашей лаборатории был известный российский физик доктор физ.-мат. наук Курков Андрей Семенович. В этом году будет уже пять лет, как его, к сожалению, нет с нами. Потом несколько лет нашей структурой руководил еще один маститый специалист по лазерам и оптоэлектронике кандидат физ.-мат. наук Лобач Иван Александрович, ныне старший научный сотрудник ИАиЭ СО РАН (г. Новосибирск). Эти два человека, работая с нами, были и инициаторами, и нашими учителями, и во многом дали нам фундамент и понимание того, как все устроено – не только в смысле физики, но и организационно.

С июня 2018 года возглавляет лабораторию ваш покорный слуга, ну а идейная инициатива у нас может исходить абсолютно от каждого сотрудника! Наши ребята – все разные, самодостаточные исследователи, каждый из которых дает частичку большого мультидисциплинарного «пирога» – от теоретической физики до радиоинженерии и программирования».

Главное внимание пермскими специалистами уделено методам рефлектометрии, которые применяются в исследовании элементов волоконной и интегральной оптики. Здесь возникает много задач, которые требуют знания инженерных и естественных наук и наличия междисциплинарного взаимодействия.

Прежде всего, заведующий лабораторией Юрий Константинов  объяснил, что представляет собой  оптическая рефлектометрия и в какой области  этого направления лежит интерес его коллег:

«Оптическая рефлектометрия зародилась как способ исследования коэффициента затухания сигнала в оптических волокнах, кабелях связи и телекоммуникационных сетях, построенных на волоконной оптике. По сути, это «младшая сестра» рефлектометрии для проводников электрического тока, видеть которую «в деле» могли многие пользователи интернета, когда сигнал внезапно пропадал, а прибывшие на место представители провайдера чудесным способом находили место его потери. Оптическая рефлектометрия не потеряла «чудесности» своей электрической предшественницы, а по сути даже опередила ее, поскольку выяснилось, что данный инструмент является не только способом исследования распределения потерь сигнала в волокне, но и может быть гибкой сенсорной системой, способной улавливать механические напряжения, температуры, вибрации и другие физические величины в каждой точке волоконного световода, а значит – быть «нервом» того объекта, где эта тоненькая ниточка (световод) проложена. Технически данный метод реализуется зондированием среды распространения – в нашем случае оптических волокон и интегрально-оптических схем – чаще всего инфракрасным сигналом с заданными свойствами, обычно изменяющимися во времени по известному закону. Варьироваться могут длина волны, оптическая мощность, состояние поляризации и другие параметры. Далее исследуется и обрабатывается та порция света, что вернулась из среды распространения назад, рассеявшись на мелких неоднородностях или отразившись от резких перепадов показателя преломления. Бывает, что свет рассеивается на акустическом фононе, на молекулах вещества или отражается от специально созданных зеркал. В этих данных и есть вся «хроника» того, что происходит с волокном и с местом его эксплуатации – дорогой, мостом, высотным зданием, самолетом или морским судном.

Но нашей лаборатории в первую очередь интересно рефлектометрическое исследование волокон и интегрально-оптических чипов само по себе, в лабораторных условиях. Необходимость таких исследований есть, в особенности, когда «под боком» находится динамично развивающийся пермский кластер «Фотоника», включающий в себя и наш Центр, научно-практические интересы которого находятся на самой, что называется, передней кромке. Предприятия этого кластера производят данные элементы, поэтому их полное лабораторное исследование необходимо для постоянного улучшения их эксплуатационных параметров».

Технология и повышение производительности оптоволоконных датчиков на основе анизотропных волокон  вызывают  сегодня большой практический  интерес. В ряде случаев уместно  применять  методы  рефлектометрии в частотной области. Здесь важно изучить поведение выходного сигнала рефлектометра. Нужен  понятный вычислительный алгоритм модели.

Ученые Лаборатории фотоники ПФИЦ УрО РАН предложили математическую модель, которая описывает влияние дефектов в анизотропном оптическом волокне на рефлектограммы в частотной области («MODELLING OF POLARISED OPTICAL FREQUENCY DOMAIN REFLECTOMETRY OF AXIALLY TWISTED ANISOTROPIC OPTICAL FIBRES»// QUANTUM ELECTRONICS 49 (5)  514 –517  (2019)).

«Не скрою, модели, описывающие эволюцию состояния поляризации в оптическом волокне, предлагали ученые по всему миру. Но, во-первых, работ по подобным исследованиям, проводимым именно в частотной области (когда зондирование осуществляется сигналом, стабильным по мощности, но меняющемся по частоте), не так много, а в России, по нашей информации, они практически не велись. Во-вторых, мы выбрали для изучения в некотором смысле новый тип дефекта – медленный и стабильный поворот световода относительно оптической оси, на котором рефлектометристы практически не заостряют внимания, а в большинстве применений он всегда в той или иной мере присутствует. Ну и в-третьих, наша модель, использующая матричный формализм Джонса, достаточно проста в программной реализации, и поэтому работает быстро. Отсюда делаются выводы о ее возможном прикладном значении: эксплуатация прямо в ходе физического эксперимента, –

Юрий Константинов отмечает преимущества данной работы и говорит далее о перспективах практического применения её результатов, –

Такие эксперименты позволят оптимизировать параметры самих распределенных датчиков, а также рефлектометрических систем частотной области – что значит сделать более точными и менее дорогими исследовательские и сенсорные системы. Для гражданина планеты Земля, не связанного с волоконной оптикой, в будущем результаты работ в данном направлении могут конвертироваться в безопасность нахождения в городской среде, в воздухе и на море (датчики состояния зданий, сооружений и транспортных средств, волоконно-оптические гироскопы), стабильности функционирования линий связи (качественные и недорогие модуляторы для цифрового сигнала) и многих других сферах».

Другое направление исследований Лаборатории  фотоники отражено в работе (“SHUTDOWN” OF THE PROTON EXCHANGE CHANNEL WAVEGUIDE IN THE PHASE MODULATOR UNDER THE INFLUENCE OF THE PYROELECTRIC EFFECT// MDPI, APPLIED SCIENCES, 2019, 9, 4585), где  специалисты  рассмотрели интегрально-оптическую схему на основе ниобата лития.

По замечанию Юрия Константинова: «В целом, интерес фотоников к данному материалу объясним. Начнем с того, что он в достаточной степени прозрачен на длинах волн, на которых функционирует большинство аппаратных средств для оптической связи, метрологии и сенсоров – это ближний и средний инфракрасный диапазон. Кроме того, он в ощутимой мере проявляет эффект Поккельса, что позволяет использовать его для скоростной модуляции оптического излучения. Признанными специалистами в модуляторах на подложке из ниобата лития являются наши давние коллеги и соавторы, ученые Пермского государственного национального исследовательского университета доктор физ.-мат. наук Волынцев, кандидат физ.-мат. наук Шевцов Д.И., кандидат физ.-мат. наук Азанова И.С., кандидат физ.-мат. наук Пономарев Р.С.  Денис Игоревич Шевцов и Роман Сергеевич Пономарев, являющиеся членами и нашей команды, фактически «привели» интегральную оптику и ее «любимый» ниобат лития на рефлектометрические исследования в нашу лабораторию. Так было положено начало интереса именно Лаборатории фотоники ПФИЦ УрО РАН к ниобату лития, что вполне успешно переросло в серьезный проект, поддержанный РФФИ».

Ответ коллеги подтверждает старший научный сотрудник Лаборатории фотоники Роман Пономарев и добавляет: «Да, мы любим ниобат лития за сочетание уникальных свойств, таких как прозрачность в широком диапазоне длин волн, высокие электрооптические коэффициенты и возможность формировать оптические волноводы в серийном процессе, делать интегрально-оптические схемы тысячами. Одновременно ниобат лития – очень сложный кристалл, в котором наблюдаются все кристаллофизические эффекты, пиро- и пьезоэффект, электрооптика и нелинейные эффекты, причем все это сильно зависит от состава и структуры приповерхностного слоя кристалла, который сильно отличается от его объема».

Оптические интегральные схемы на основе кристалла ниобата лития используются в волоконно-оптических гироскопах. Что они собой представляют?

 Как объяснил Юрий Константинов, «фактически, это аналог традиционного, роторного механического гироскопа, отличающийся от него своей безусловной внутренней статичностью. «Нестатичен» там только свет, делящийся на два пучка и обегающий в двух направлениях волоконно-оптический контур внушительной длины, намотанный особым способом на специальную катушку, которая представляет собой круговой интерферометр. При его вращении ввиду эффекта Саньяка фазовые свойства излучения меняются, один луч, идущий по часовой стрелке, бежит чуть быстрее луча, бегущего ему навстречу. И эта разница скоростей пропорциональна скорости вращения, то есть мы можем чувствовать угловую скорость поворота объекта, для чего используется интерференция. Фазовый интегрально-оптический модулятор на подложке из ниобата лития, который мы упоминали, возвращает систему в интерференционный максимум, а необходимый для этого сдвиг фазы фиксируется и переводится в угловую скорость. Таким образом получается искомая величина без поворота единой шестеренки».

Физики экспериментально изучали образцы на основе кристалла ниобата лития и проверяли, как пироэлектрический эффект влияет на выходные оптические сигналы.

Роман Пономарев пояснил, что «пироэлектрический эффект – это возникновение на гранях кристалла электрических зарядов при изменении температуры кристалла. Причем этих зарядов там возникает довольно много, их плотность порядка 1 Кл/м2/К, при нагреве кристаллической пластины могут проскакивать искры длиной до нескольких сантиметров, то есть их напряжение порядка сотен киловольт. И вот эти заряды, обусловленные внутренней структурой кристалла, похожи на то, как будто мы поместили кристалл между обкладками конденсатора. Внутри кристалла при этом возникает дополнительное электрическое поле, которое начинает действовать на подвижные заряженные дефекты, которые начинают «бегать» по кристаллу. Причем эти процессы с одной стороны довольно медленные, т.к. в этом кристалле мало носителей заряда, а с другой – их никак нельзя остановить, т.к. они связаны с изменением температуры. То есть кристалл, статичный снаружи, внутри является почти «живым», в нем непрерывно что-то движется».

В ходе температурных испытаний на большинстве образцов с пироэлектрическим эффектом при нагреве происходило так называемое выключение  волновода. Пермские специалисты детально рассмотрели этот факт  и определили модель того, как пироэлектрический эффект может влиять на изменение показателя волновода.

Как происходит процесс “Shutdown” («выключение») и при каких условиях его можно наблюдать, старший научный сотрудник Роман Пономарев дал  подробное описание:

«В обычных условиях волновод похож на коридор, в котором идет свет, и из которого он не может выскочить. «Выключение» волновода в данном случае похоже на то, как будто у коридора разом ломаются стены и свет начинает идти свободно, как в воздухе. Условная «прочность» этих стен, то есть контраст волновода, зависит от того, как вокруг волновода расположены подвижные заряды. Оказывается, что они могут окружить волновод и экранировать его от действия пироэлектрического поля, тогда как во всем остальном кристалле это поле повышает показатель преломления.

В итоге контраст волновода становится таким маленьким, что он перестает удерживать свет, и от входа до выхода схемы мощность теряется почти вся, сигнал падает на 40 – 50 дБ, то есть в 10000 - 100000 раз. Это происходит только при нагреве образца, который до этого был охлажден до низкой температуры. Но сами значения температур (минус 60 °С для начальной температуры и 5 К/мин для скорости нагрева) не являются экстремальными, их легко можно наблюдать в природе на территории нашей страны».

Какое значение имеет изучение  этого  процесса  для волоконной оптики?

По словам Пономарева «изучаемые процессы очень важны для стабильной работы волоконных гироскопов и модуляторов интенсивности излучения, которые кодируют сигнал в сети интернет. Если беспилотник полетал на высоте и замерз, а потом приземляется и быстро нагревается, то в нем вполне может возникнуть температурный режим, который приведет к выключению всей системы. И он останется без собственной навигации.

Понимая важность этих явлений, мы предложили и способ, как их предотвратить. Результаты этой работы внедрены в производство, но для нас, как ученых-физиков, было интереснее пронаблюдать новое явление, которое раньше предсказывали теоретики, и определить границы, в которых оно может наблюдаться».

Инновационные исследования в области волоконно-оптических технологий  такого рода  предоставляют  ресурсы для различных  промышленных нужд, а полученные научные знания дополняют теоретические исследования в области фотоники и оптоинформатики.

В этом году сотрудникам Лаборатории фотоники предстоит большой объем намеченных задач.

 «Мы продолжаем работать над проектом РФФИ «Создание метода высокоразрешающего распределенного автоматизированного исследования процессов, протекающих в канальных волноводах различного происхождения», который захватывает и рефлектометрию, и интегральную оптику. Реализация данного проекта продлится еще 2 года. Совместно с другими организациями пермского кластера «Фотоника» продолжаются работы по исследованию распределения концентрации ионов редкоземельных элементов в преформах активных волоконных световодов. Для этой задачи мы ранее разработали и создали специальный анализатор «ErGO» (Рис. 5) который уже несколько лет является главной «боевой единицей» нашей лаборатории в этом направлении. Также мы надеемся на одобрение фондами еще нескольких заявок, связанных с волоконной сенсорикой, –

сообщил заведующий Лабораторией фотоники Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН Юрий Константинов и особо подчеркнул, –

Ну а главным событием 2020 года для нас должна стать конференция «Optical Reflectometry, Metrology & Sensing 2020» («Оптическая рефлектометрия, метрология и сенсорика 2020» http://or-2020.permsc.ru/ ), которую Лаборатория фотоники ПФИЦ УрО РАН проводит уже третий раз, и первый – в международном статусе. Мы настоятельно рекомендуем появиться на Конференции не только фотоникам, но и специалистам всех областей, с которыми эта прекрасная дисциплина имеет честь пересекаться. Междисциплинарность – то, что движет современными прорывными исследованиями».