Теоретические и прикладные аспекты методов создания и диагностики элементной базы оптических, оптоэлектронных устройств и систем на их основе

1. Проанализированы новейшие схемотехнические разработки и научные решения в области частотной рефлектометрии. Установлено, что в мире в последние годы велись многочисленные работы по улучшению эксплуатационных характеристик оптических рефлектометров частотной области, включающие в себя аппаратные и программные модификации. Также анализ позволил заключить, что самые существенные улучшения на данный момент получены на стадиях обработки сигнала с использованием машинного обучения и искусственного интеллекта. Таким образом, можно проследить два вектора развития: аппаратные модификации осуществляются преимущественно для упрощения и удешевления конструкции, и лишь в редких случаях для расширения функционала системы; в то время как нейросетевые алгоритмы применяются для улучшения или сохранения эксплуатационных характеристик и для получения возможности экстракции новых физических величин (например, для задачи разделения температур и деформаций или температур и влажности). В будущем авторы считают целесообразным продолжением работ по обоим направлениям. Обзор по новейшим методам рефлектометрии частотной области опубликован в [Lobach et al, Sensors, 2024] и соответствуют Главе 1 настоящего отчета. В этой же главе представлены возможные применения модифицированных методов оптической рефлектометрии в частотной области. Так, в представленном фрагменте обзора [Mamykin et al, Computation, 2024] формулируется концепция применения OFDR в медицине, а именно для осуществления импульсного теста поворота головы, необходимого для диагностирования прединсультных состояний. Произведён краткий анализ работ, где оптические сенсоры применяются для детектирования формы или изгиба, а также даны основные рекомендации по организации эксперимента. В лаборатории, выполнявшей данную НИР, уже проведены первичные эксперименты, их результаты планируется опубликовать в следующем отчётном периоде. На данный момент установлено, что ключевым фактором успеха является конструкция и повторяемость параметров сенсора, закрепляемого на человека. Ещё одним важным применением рефлектометрии частотной области является исследование специальных волокон, в том числе фотонно-кристаллических. В работе [Vladimirova et al, Computation, 2024] была описана последовательность действий по метрологическому контролю волокон такого типа при помощи OFDR в контексте задачи верификации модели вытяжки оптического волокна. Ввиду достижения авторами высоких динамических диапазонов OFDR в следующих исследованиях предполагается активно изучать специальные волоконные световоды, в том числе легированные редкоземельные металлами. Такие задачи стоят перед многими производителями специальных оптических волокон, которые в России представлены академическими и проектными институтами, а также несколькими промышленными предприятиями. 2. Показана возможность объединения двух опорных каналов оптического рефлектометра частотной области, представляющих собой вспомогательный интерферометр и канал газовой ячейки, для регистрации одним фотодетектором и одним каналом аналого-цифрового преобразователя. Данная мера позволила удешевить регистрационный блок установки, упростить его конструкцию. Обработка данных производилась при помощи цифровой частотной фильтрации и эмпирической модовой декомпозиции. Авторами было показано, что данная процедура не влияет на качество сигнала и может быть осуществлена для получения данных с высоким пространственным разрешением. Важно, что данная работа также демонстрирует успешное применение эмпирической модовой декомпозиции для задач, где первенство методов обработки сигнала на основе преобразования Фурье ранее было неоспоримым. Данные результаты представлены в Главе 2 настоящего отчета и опубликованы в работе [Belokrylov et al, Sensors, 2024]. 3. Продемонстрирован метод двунаправленного зондирования в оптическом рефлектометре частотной области. Показано, что селективная экстракция данных прямого и обратного измерения позволяет существенно повысить отношение сигнал-шум системы и обеспечить более точную регистрацию физических величин распределённым сенсором. Работа опубликована в [Белокрылов и др., Электроника, фотоника и киберфизические системы, 2024], в настоящем отчёте эти результаты представлены в виде Главы 3. 4. Совместно с МГТУ имени Баумана проведены новые исследования по изучению восприимчивости волокон, являющихся частью системы распределенного акустического мониторинга, к человеческой речи и возможности дальнейшей расшифровки голосовых команд на примере приложений "умного дома". Перед этим разные виды оптических волокон были оцененры на предмет чувствительности к колебаниям акустических частот [Turov et al, Applied Sciences, 2024]. Результаты исследования показали, что существенную роль играет не только схемотехническое решение установки, её параметры опроса и регистрации данных, но и вид сенсора, конкретный метод расшифровки слов. Полученные результаты позволяют сформировать оптимальную конфигурацию системы для подобных задач. Тем не менее, в будущем необходимо уделить серьезное внимание механизму детектирования акустических колебаний волокном через воздух. Результаты представлены в виде Главы 4 настоящего отчета и опубликованы в [Gritsenko et al, Sensors, 2024]. 5. Проведены исследования по созданию новых и модифицированных методов изучения оптико-геометрических и люминесцентных параметров преформ оптических волокон. Так, разработанный ранее авторами метод томографии эрбиевых и иттербиевых преформ оптических волокон дополнен анализом геометрических параметров и индикаторным анализом профиля показатели преломления без погружения преформы в иммерсионную жидкость. Авторы предполагают, что для получения количественных результатов необходимо создать и обучить специальную нейронную сеть. Результаты представлены в Главе 5 настоящего отчёта и опубликованы в [Konstantinov et al, Optics, 2024].