Свет в оптоволокне: новый прибор выявит дефекты на линиях скоростного интернета

Российские ученые предложили новый способ обработки сигналов для диагностики оптоволоконных линий и фотонных чипов. Метод эффективно подавляет шумы, но при этом не искажает данные о дефектах, что дает возможность получить «чистую картину» повреждений. Решение может быть полезно в телекоммуникациях, нефтегазовой отрасли и при проверке интегральных оптических схем. В будущем ученые планируют адаптировать алгоритм для разных приборов. Однако, чтобы эффективно продвигать разработку, необходимо собственное оборудование или лицензирование программного обеспечения, отметили эксперты.

Как проверить линии оптоволоконной связи

Новый подход к проверке оптоволокна предложили ученые из Института механики сплошных сред Уральского отделения РАН и Пермского национального исследовательского политехнического университета. Разработка позволит с высокой точностью тестировать линии протяженностью в сотни километров. Другое ее назначение — проверка фотонных чипов, устройств, в которых для передачи сигнала используют частицы света.

Оптоволокно — это стеклянные нити диаметром 125 микрон, что тоньше человеческого волоса. По ним с помощью импульсов света можно передавать терабайты данных в секунду. Так обеспечивается высокоскоростной интернет, связь между континентами и работа дата-центров.

В России протяженность таких сетей — около 1,5 млн км. Оптические технологии применяются во многих стратегически важных сферах. Например, в нефтегазовой отрасли распределенные сети фотонных датчиков, связанных оптоволоконными линиями, контролируют состояние скважин и трубопроводов на десятках километров. Подобные технологии лежат в основе «интернета вещей», применяются в строительстве для мониторинга деформаций, а также в системах безопасности и медицинской технике.

— Но даже самые совершенные фотонные структуры имеют слабые места. Например, при изготовлении волокна или крошечного оптического чипа могут появиться незаметные дефекты: неровная стенка, соринка в месте соединения или внутреннее напряжение. В оптоволоконной детали (например, в разветвителе) со временем от вибраций или перепадов температуры может возникнуть микротрещина, — рассказал «Известиям» один из разработчиков, младший научный сотрудник ИМСС УрО РАН и сотрудник кафедры общей физики ПНИПУ Антон Кривошеев.

Снаружи всё выглядит целым, но внутри начинаются лишние отражения света и неконтролируемые потери сигнала. В результате, к примеру, датчик давления на нефтепроводе начинает выдавать ошибочные показания, а гироскоп в системе навигации накапливает погрешность.

По словам Кривошеева, чтобы найти повреждения, специалисты используют специальный прибор. Он посылает в оптоволокно лазерный луч и по отражению света от микротрещин, мест соединений и других дефектов с точностью до микрометров определяет, где они находятся.

— Проблема заключается в том, что обратно возвращается очень мало света. Настолько мало, что данные сравнимы с собственными помехами прибора, которые называют шумом. Это что-то вроде ряби или треска на экране. Без специальной обработки отличить реальные дефекты от шума почти невозможно, — отметил соавтор исследования, младший научный сотрудник ИМСС и ассистент кафедры общей физики ПНИПУ Артем Туров.

При этом, добавил он, известные методы убирают шум грубо: они сглаживают сигнал, но вместе с помехами теряют отклики от реальных повреждений. В результате у некоторых из них ошибка может достигать 53%. То есть дефект будет выглядеть в два раза менее опасным, из-за чего специалисты могут пропустить брак. Для оптических чипов такие ошибки недопустимы, поскольку устройства будут работать с ошибками или вообще выйдут из строя.

Завели модуль: российские ученые снабдят энергией Луну и межпланетные корабли

Какие отечественные технологии помогут освоить спутник Земли

Как умный алгоритм очистит световой сигнал

В результате был предложен новый подход к очистке сигналов. Вместо грубого усреднения, которое «размазывает» сигнал, исследователи предложили умный алгоритм.

— Он для каждого участка сигнала определяет, что перед ним — хаотичный шум или резкий скачок от дефекта. Если вокруг много хаотичных колебаний — значит это шум. Алгоритм сглаживает его, но не трогает общий уровень сигнала. Если же виден редкий резкий скачок — это реальное повреждение, такой участок алгоритм оставляет нетронутым, — пояснил Антон Кривошеев.

По его словам, новый метод был проверен на реальном оборудовании. Испытания показали, что он дает нулевое искажение пиков и смещение уровня сигнала. Это значит, что специалист при проверке видит чистую картинку.

На базе разработки ученые создали прототип прибора для диагностики оптических чипов. Его себестоимость на треть ниже мировых аналогов. Кроме того, предложенный алгоритм можно внедрить в программное обеспечение коммерческих рефлектометров — приборов для измерения параметров линий связи. Это избавляет от необходимости приобретать новое оборудование.

— Оптика сейчас — это неотъемлемая часть телекоммуникационной инфраструктуры. Поэтому любая технология, которая опирается на облачные сервисы или какую-то серверную инфраструктуру для объединения устройств в единую систему, безусловно, выиграет от развития оптических систем, — отметил научный сотрудник Центра квантовых технологий физического факультета Московского государственного университета Иван Дьяконов.

По его мнению, имеет значение, что предложенный метод можно использовать для детектирования проблемных участков в волоконных линиях связи и построения сетей с высокой отказоустойчивостью. Например, с его помощью, обнаружив дефект, можно переключиться на запасной канал. Также важно, что новый подход дает возможность тестировать миниатюрные интегрально-оптические системы.

— Оптоволокно уже вытеснило медь в первичных сетях, с его помощью передают намного больше данных и в тысячи раз дальше — без повторов и с гораздо лучшим качеством. Так что будущее интернета и связи — за фотонными технологиями, — сказал заведующий базовой кафедры инфокоммуникаций Сибирского федерального университета Дмитрий Черников.

По его мнению, разработка ученых помогает устранить один из главных барьеров технологии — затухание сигнала из-за неоднородностей при изготовлении волокна. Постоянный мониторинг производства и тестирование снизят потери и увеличат расстояние передачи. А еще упростят монтаж, поскольку при сварке волокон на строящихся линиях не придется делать лишние измерения.

Стоит отметить, добавил эксперт, что большинство производителей не позволяют изменять алгоритмы в своих приборах. Поэтому, чтобы применять предложенные методы, нужно выпускать собственное оборудование или лицензированное программное обеспечение.

— Фотонные структуры дают преимущества в пропускной способности, энергоэффективности и помехоустойчивости по сравнению с электронными аналогами. Развитие этой инфраструктуры напрямую коррелирует с глобальными трендами цифровизации и потребностью в высокоскоростной передаче данных, — поделился заведующий кафедрой радиофотоники и микроволновых технологий Казанского национального исследовательского технического университета — КАИ Артем Кузнецов.

По его словам, фотонные технологии — важное звено квантовой связи и «интернета вещей». Также в контексте «умного города» и роботизации производств они обеспечивают точный мониторинг деформаций, температуры и акустических полей с высоким пространственным разрешением.

Однако, подчеркнул специалист, у метода есть ограничения. Например, коэффициенты затухания необходимо дополнительно проверять. Поэтому для окончательной калибровки алгоритма следует использовать вспомогательные средства.