В России разработан новый способ обнаружения дефектов в фотонных структурах — оптоволоконных линиях и микроскопических оптических чипах. Новую технологию представили сотрудники ИМСС УрО РАН, Пермского Политеха и их коллеги из КНИТУ-КАИ. Благодаря этому методу сразу удалось повысить точность поиска микроскопических повреждений без потери данных о дефектах, что будет способствовать повышению надежности важных технологических систем различных отраслей.
Научная статья, посвященная результатам исследования, доступна в одном из ведущих зарубежных журналов, а сама работа проведена при поддержке Министерства науки и высшего образования России и Российского научного фонда.
Фотонные структуры: важное звено технологического будущего
Фотонные структуры, такие как протяженные оптоволоконные кабели и миниатюрные оптические микросхемы, служат базой для интернета, авиации, промышленности, медицины и многих других сфер. Качество этих систем определяет бесперебойную работу коммуникаций и оборудования в экономике и социальной инфраструктуре страны. Именно оптические линии управляют нефтяными и газовыми трубопроводами, поддерживают гироскопы самолетов и кораблей, обеспечивают скоростной интернет и связь.
В современных технологических реалиях даже малейший дефект, такой как микротрещина, частичное загрязнение или неидеальное соединение оптоволокон, может привести к значительному искажению сигнала. Это вызывает сбои в работе датчиков, оборудования и всей системы передачи данных. Поэтому постоянная диагностика и своевременное обнаружение повреждений становятся ключевыми задачами для отечественной науки и промышленности.
Российские инженеры увеличивают надежность оптоволокна
Специалисты ИМСС УрО РАН и Пермского Политеха сосредоточились на совершенствовании диагностики оптических сетей. Сегодня востребованным инструментом становится анализ линий с помощью лазерного излучения с перестройкой частоты (OFDR). Этот передовой метод помогает выявлять дефекты и определять их положение на микроскопическом уровне, однако традиционно он страдает от шумов и наводок, вносимых оборудованием.
Ранее при использовании стандартных алгоритмов обработки информации возникали значительные искажения исходных данных — на 14-53%. Кроме этого, уровень поступающего сигнала смещался в среднем на 67%. В результате часто возникала необходимость дублирующих тестов или пересмотра диагностики. Новый способ отечественных ученых полностью устраняет эти проблемы: искажения и потери сведены к нулю, а скорость и точность обнаружения дефектов значительно увеличиваются, что важно для всех высокотехнологичных отраслей.
Оптоволокно: как работает и почему нужно беречь
Оптоволокно состоит из тончайших стеклянных или пластиковых нитей, по которым распространяются световые сигналы. Принцип передачи данных схож с системой кодирования — лазер формирует импульсы, которые соответствуют бинарному коду. Несмотря на невероятно малый диаметр — всего 125 микрон, такие волокна пропускают огромные объемы информации, обеспечивая мгновенную передачу данных между странами, городами и континентами, а также поддерживая работу дата-центров.
К 2025 году протяженность оптических сетей в России достигнет около 1,4 миллиона километров с ежегодным увеличением на десятки тысяч километров. Такая динамика особенно важна для расширения покрытия интернетом, роста объемов информации и развития цифровых технологий.
Широкое применение оптических технологий в важных сферах
Оптоволокно востребовано не только в сфере информационных технологий. Волоконно-оптические системы активно применяются в нефтегазовой отрасли — специальные датчики обеспечивают онлайн-контроль состояния трубопроводов на десятках километров, что повышает безопасность и снижает риски аварий.
Также фотонные структуры применяются при создании высокоточных навигационных систем, используются в строительстве, авиастроении, судостроении, для постоянного слежения за критическими объектами и предупреждения разрушительных изменений. В медицинской технике волоконно-оптические решения помогают проводить сложные операции, мониторить жизненные показатели, обеспечивать надежную диагностику.
Особенности и причины появления дефектов
Несмотря на высокие показатели качества, даже самые современные фотонные компоненты подвержены возникновению микроскопических повреждений. Например, при производстве оптических чипов из-за мельчайших частиц грязи, нерегулярности поверхности или остаточных напряжений могут возникнуть проблемы, незаметные глазу.
Со временем в сложных условиях эксплуатации появляются трещины внутри волоконных элементов, особенно когда оборудование подвержено вибрациям или резким температурным колебаниям. Внешне такие дефекты могут оставаться неуловимыми, но внутри происходят световые потери, отражения, что ухудшает работу датчиков и систем управления. Положительный момент — своевременное обнаружение позволяет быстро устранять неисправности, поддерживать стабильность технологических процессов и повышать надежность систем.
Принцип работы современной диагностики
Для точного поиска дефектов разработаны инновационные приборы. Их принцип действия напоминает определение расстояния по эху, как в примере с сиреной полицейской машины. В случае фотонных структур прибор направляет в оптоволокно лазерный луч с постоянно изменяющейся частотой. Свет отражается от любых неровностей и возвращается к датчику, который анализирует разницу частот и точно определяет расположение дефекта с микрометровой точностью.
Этот подход обеспечивает не только высокую достоверность диагностики, но и скорость обследования длинных линий и микросхем. Новое достижение российских ученых делает этот процесс более эффективным, открывая возможности для масштабного внедрения оптических технологий и увеличения надежности работы целых отраслей.
В Перми, летом 2026 года, ученые из Пермского Политеха, Института механики сплошных сред УрО РАН и КНИТУ-КАИ представили инновационный метод обработки оптических сигналов. Новый алгоритм позволяет выявлять и различать реальные дефекты оптических чипов без искажения полезной информации, обеспечивая высокую точность диагностики.
Новое решение уже прошло успешные испытания на прототипе устройства ARFA, а его себестоимость значительно ниже зарубежных аналогов. Эта разработка открывает дополнительные возможности для повышения надежности оптических систем и фотонных интегральных схем в промышленности и телекоммуникациях.
Сложности при обработке слабых оптических сигналов
При проведении диагностики оптических чипов основная проблема заключается в том, что обратно возвращается очень малое количество света. Это количество настолько мало, что оно сопоставимо с собственными помехами прибора, которые называются шумом. Речь идет не о звуке, а о хаотичных колебаниях светового сигнала, напоминающих рябь или треск на экране.
Для того чтобы определить наличие реальных дефектов, необходимо отделить полезный сигнал от шума. Без специальной обработки отличить настоящие повреждения от светового шума практически невозможно. В результате сложных влияний на прибор могут появляться случайные всплески, которые мешают точной диагностике.
Ограничения традиционных методов очистки сигналов
Существующие методы борьбы с шумом работают довольно грубо — такие способы, как простое сглаживание сигнала, неизбежно приводят к потере информации о реальных дефектах. Например, иногда ошибка может достигать 53 процентов: значительный дефект маскируется и кажется в два раза менее опасным. Это сравнимо с тем, как если бы, удаляя ненужный фон на фотографии, пользователи случайно стерли часть нужного изображения.
Кроме того, стандартные методы способны изменять правильный уровень сигнала. Для традиционных линий связи это неприятно, но при диагностике оптических чипов такие неточности недопустимы. В случае, если при оценке качества соединения с оптическим волокном пик снижен на четверть, инженер решает, что всё работает хорошо, хотя на самом деле соединение неисправно. Это приводит к тому, что готовые устройства функционируют с ошибками или полностью выходят из строя.
Инновационный подход пермских специалистов
Команда ученых из Пермского Политеха, Института механики сплошных сред УрО РАН и КНИТУ-КАИ разработала новый алгоритм для очистки оптических сигналов. Эта уникальная методика прошла успешные испытания на оптическом рефлектометре частотной области, разработанном ранее в сотрудничестве с компанией ОРМС Лаб. Вместо грубого усреднения, которое размазывает все отклонения, ученые применили интеллектуальный фильтр.
Алгоритм определяет характер сигнала на каждом участке: если наблюдаются хаотичные колебания — это шум, его можно сгладить, не затрагивая основной уровень. Если фиксируется редкий резкий скачок — это сигнал наличия дефекта, который важно сохранить в неизменном виде. Такой подход позволяет выявлять реальные повреждения без потери важной информации и без искажения уровня исследуемого сигнала.
Технологические особенности и преимущества метода
В отличие от традиционного шумоподавления, где приходится идти на компромисс и жертвовать информацией ради уменьшения шума, новый метод использует специальный геометрический критерий. Как пояснил участник проекта Антон Кривошеев, для каждой точки анализируется её окружение. Если вокруг много соседних точек, алгоритм заменяет их участком плавной дуги, а если их мало — оставляет такую точку без изменений. Это позволяет эффективно отделять шумы от сигналов, указывающих на дефекты.
В результате данный подход избегает искажения полезных событий — задача, которая ранее считалась недостижимой. После внедрения нового алгоритма ошибки в определении высоты дефектного пика и уровня сигнала были уменьшены до нуля, что принципиально улучшает качество диагностики и оценки параметров оптических устройств.
Практические испытания и их результаты
Пермские ученые провели испытания своего метода на реальном оборудовании. Сравнительный анализ показал: существующие методы искажают высоту сигнала в диапазоне от 14 до 53 процентов, иногда смещения достигают 67 процентов. В то же время использование нового алгоритма полностью устранило такие ошибки: искажение пиков и смещение уровня оказались равны нулю.
Это обозначает, что специалисты могут видеть на мониторах достоверную "чистую" картинку и точно определять, где действительно присутствует дефект, а где — исключительно шум. Благодаря этому можно увереннее паспортизовать параметры исследуемого объекта, проверить изделие на соответствие характеристикам и перевести его на следующий этап производства.
Особенно важно это для фотонных интегральных схем, где точная оценка интенсивности обратных отражений критически важна для качества соединения. Как отметил Артем Туров, благодаря алгоритму устраняются ошибки, которые ранее могли привести к принятию ошибочного решения о годности чипа и последующему отражению света вместо выполнения необходимой работы.
Экспериментальная установка ARFA и экономический эффект
Перспективность и эффективность новой технологии подтверждена также созданием экспериментальной установки ARFA — прототипа прибора для проверки оптических чипов на предмет наличия дефектов. Себестоимость нового устройства на треть ниже по сравнению с мировыми аналогами, что может существенно снизить расходы промышленных предприятий, использующих подобное оборудование.
Установка ARFA уже зарегистрирована компанией ОРМС Лаб. Это означает, что проведение высокоточной диагностики становится более доступным для специалистов в России и за её пределами. Успех этой разработки вдохновляет на дальнейшие шаги по цифровизации контроля качества и внедрению автоматизированных систем на новых промышленных площадках.
Значение для рынка и перспективы цифровизации
Разработка нового метода шумоподавления и его успешная реализация улучшает диагностические возможности во всех сферах, где используют оптические чипы и волоконно-оптические линии. Повышение точности и доступности устройств способствует развитию отечественных технологий и цифровизации производственных процессов.
Цифровизация закупочных процедур, расширение возможностей тестирования и контроля качества продукции напрямую увеличивают конкурентоспособность компаний. Инновации, подобные созданному в Перми фильтру, помогают экономить ресурсы, обеспечивают выпуск надежных и высокотехнологичных устройств, а также формируют позитивный имидж российского научного сообщества. В дальнейшем успешная апробация таких решений, как ARFA, может стать стимулом для масштабирования новых методов на международном уровне.
Ученые разработали новый алгоритм для рефлектометров, который может быть внедрен в существующее программное обеспечение. Проект реализован в России в 2024 году и уже доступен для внедрения без необходимости приобретения нового оборудования.
Доступность для предприятий
Внедрение данного алгоритма осуществляется путем простого обновления программного обеспечения, что позволяет российским предприятиям в сферах оптоэлектроники, фотоники и волоконной оптики получить новые возможности работы с технологиями. Нет необходимости выполнять дорогостоящие апгрейды или закупать современное оборудование, что значительно снижает затраты на техническое перевооружение.
Подобное решение повышает доступность новых технологических методов для широкой аудитории промышленности, поддерживая рост и развитие ключевых отраслей в стране. У предприятий появляется шанс повысить эффективность собственных производственных процессов и внедрить инновации без значительных капитальных вложений.
Планы по дальнейшему развитию
На данном этапе ученые уже планируют дальнейшее повышение точности нового метода. Ведется работа по адаптации алгоритма для различных типов оборудования, что позволит использовать его на еще большем числе устройств.
Кроме того, специалисты работают над снижением вычислительной нагрузки, чтобы ускорить процесс обработки данных и сделать технологию еще более эффективной. Таким образом, компании, которые используют современные оптические технологии, смогут гораздо проще и быстрее получать качественные результаты, что открывает широкие перспективы для развития отечественной отрасли.
Источник: biz.cnews.ru
