Научная
деятельность
Университет ИТМО

Будущее световодной фотоники: как создаются современные волоконно-оптические устройства

Световодная фотоника — одна из стремительно развивающихся сегодня областей физики. Именно исследования в этой сфере помогают создавать новые и успешно заменять старые системы измерений любых физических величин. Например, разрабатывать гироскопы, без которых невозможно эффективное функционирование систем навигации. Разработкой и созданием таких современных волоконно-оптических устройств занимаются специалисты Лаборатории сборки и юстировки устройств световодной фотоники, которая является подразделением научно-исследовательского центра световодной фотоники Университета ИТМО под руководством профессора Игоря Мешковского и резидентом Технопарка вуза. О том, как создавалась лаборатория, какие задачи она решает и почему в этой сфере сегодня важны знания из многих областей, мы поговорили с руководителем лаборатории Станиславом Аксариным.

Лаборатория сборки и юстировки устройств световодной фотоники была организована в 2015 году. Почему именно тогда возникла необходимость в создании подразделения такого рода?

Лаборатория является подразделением научно-исследовательского центра световодной фотоники. Главная задача, которая возникла на тот момент, заключалась в необходимости создания целенаправленной лаборатории по сборке и юстировке устройств (это стыковка оптических волокон с интегрально-оптическими волноводами) для создания волоконно-оптических датчиков интерференционного типа. Это высокоточные датчики, к сборке которых предъявляются очень высокие требования.

Естественно, лаборатория возникла не на пустом месте. Например, до создания лаборатории я уже занимался микросборкой волоконных элементов, разработкой технологического оборудования для этих задач, созданием установок и стендов. После того, как отработка технологии завершилась, была сформирована лаборатория. То есть к тому моменту у нас уже была подготовлена научно-техническая база для организации полноценной лаборатории, работающей в этом направлении.

Сегодня фотоника — одно из стремительно развивающихся направлений, где существует очень много амбициозных задач. Расскажите, пожалуйста, с точки зрения световодной фотоники — почему эта сфера сегодня является актуальной? И над чем сегодня работают специалисты в этой области?

Световодная фотоника — это область, которая на данный момент заняла активную позицию по созданию новых и замене старых, традиционных систем измерений любых физических величин, будь то акустические, механические, электромагнитные, тепловые и, конечно же, оптические величины.

Станислав Аксарин
Станислав Аксарин

В качестве классического и интересного примера здесь можно привести создание и разработку волоконно-оптического гироскопа. Традиционный механический гироскоп — это большое быстро вращающееся тело, с помощью которого можно определять угловые отклонения от оси его вращения. Такие системы используются в навигации, например, для контроля изменения курса корабля. На замену механическим в 60-70-х годах прошлого века пришли оптические устройства. Первым таким устройством для навигации был кольцевой лазерный гироскоп, который тогда отвечал требованиям высокой точности, за счет чего смог занять свою достойную нишу в гироскопии за счет высокой точности и малых габаритов. Однако уже сегодня световодная фотоника предлагает переход на более высокий уровень. Прежде всего это касается еще большего повышения точностных параметров волоконно-оптических гироскопов, что выводит их в лидеры по созданию новых высокоточных навигационных систем для земли, моря, авиации и космоса.

На протяжении последних десяти лет команда нашего НИЦ СФ занималась разработкой конструкции и технологией изготовления волоконно-оптических гироскопов по заказу АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». Сегодня такие гироскопы уже выпускаются предприятием серийно, а мы, в свою очередь, занимаемся проработкой и исследованиями отдельных узлов этого гироскопа для дальнейшего повышения точностных характеристик.

АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». Источник: sdelanounas.ru
АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». Источник: sdelanounas.ru

Другое главное направление, над которым мы работаем, касается работ по созданию морской гидроакустической буксируемой косы для сейсморазведки. Это волоконно-оптический кабель большой протяженности до нескольких километров, состоящий из массива точечных датчиков на основе волокна, которые все вместе работают как большая распределенная антенна, принимающая акустические волны, отраженные от дна или от глубинных слоев Земли, а обработка полученных данных позволяет построить геологический срез дна. Это необходимо для геологоразведки, поиска месторождений нефти, газа и полезных ископаемых, особенно такая задача актуальна для разведки в труднодоступных районах крайнего севера на подледных шельфах.

Помимо гироскопии и гидроакустики, волоконная оптика может предложить достойную альтернативу традиционным средствам измерений в электроэнергетике для измерения токов и напряжения на высоковольтных станциях, тензометрии строительных конструкций, при контроле и охране периметра, спектрометры, пирометры, виброметры, акселерометры.

И именно создание волоконно-оптических датчиков — сенсоров — является на сегодня перспективным и очень интересным направлением, где есть масса нерешенных исследовательских и технологических задач.

Лаборатория сборки и юстировки устройств световодной фотоники
Лаборатория сборки и юстировки устройств световодной фотоники

Кроме этого, в рамках каких ключевых направлений сейчас работают специалисты лаборатории?

В целом мы сконцентрировались на двух основных направлениях: первое — это исследования свойств оптических компонентов, к примеру, оптических волокон, интегральных волноводов, полупроводниковых лазеров, фотодиодов, второе — это стыковка и юстировка этих оптических компонентов для задач сборки полноценных измерительных устройств, пуско-наладка которых проходит в других лабораториях НИЦ СФ, где мои коллеги занимаются разработкой электроники, программированием, окончательной сборкой и проведением комплексных испытаний наших устройств.

Помимо непосредственно сборки устройств и исследований мы ведем учебную и научно-исследовательскую работу со студентами и аспирантами факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники, то есть нашего профильного направления, которые обучаются на программе световодная фотоника (направление «Техническая физика»).

Также, конечно, мы готовы работать со студентами других программ и направлений, если их заинтересует работа в области волоконной оптики. И что важно, мы готовы работать уже со студентами второго, третьего курса, потому что, если они начнут работать по специальности с самого начала обучения, к выпуску из университета они уже могут стать хорошими специалистами, более осознанно подойдут к выбору дальнейшей траектории развития. Сотрудники нашей лаборатории в свое время прошли такой же путь.

Лаборатория сборки и юстировки устройств световодной фотоники
Лаборатория сборки и юстировки устройств световодной фотоники

В целом специальность «световодная фотоника» находится на стыке нескольких современных научных направлений: оптики, электроники, программирования и сетевых технологий. Какими компетенциями необходимо обладать специалистам и студентам, которые работают в вашей области?

Во-первых, безусловно, необходимо иметь базовые знания в физике и оптике — это прежде всего волоконная и интегральная оптика, основы распространения излучения в среде, источники и приемники оптического излучения.

В области электротехники необходимо понимание о законе Ома, теории электрической связи, о том, как работают фотодетекторы, как, к примеру, запустить полупроводниковый лазер. Кроме того, необходимы навыки в области программирования, потому что процесс создания современных электронных устройств не мыслит своего существования без навыков в программировании микроконтроллеров и ПЛИС.

Для моделирования оптических систем необходимы глубокие познания в теоретической оптике и математике, а также иметь специальные навыки в области оптического моделирования в системах, например, Zemax или COMSOL Multiphysics, последняя, к слову, позволяет моделировать любую физическую (и в том числе оптическую) систему.

Оборудование лаборатории
Оборудование лаборатории

Таким образом, для работы с современной техникой специалистам необходимо иметь навыки работы во многих сферах.

Вы уже отметили, что НИЦ Световодной фотоники работает совместно с индустриальными партнерами, а какими компаниями сегодня сотрудничает Лаборатория сборки и юстировки устройств световодной фотоники?

Так как наша лаборатория является частью НИЦ Световодной фотоники, то мы также сотрудничаем с индустриальными партнерами, которые есть у центра. Это такие предприятия, как АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», НИЦ «ИРТ», ФГУП «НИТИОМ ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова"», Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН.

Что касается АО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор», помимо того, что это предприятие является нашим индустриальным партнером, мы также наладили активное взаимодействие в области подготовки кадров. Так, на «Электроприборе» уже работает в качестве специалистов в области волоконной оптики большое количество наших выпускников. Также наши выпускники работают на кабельном заводе «Оптен» и ряде других крупных предприятий. Кроме того, у нас развивается плодотворное сотрудничество с «Технопарком-Мордовия», и мы также готовим кадры для работы на предприятиях в Саранске, где располагается один из крупных в России центров в сфере волоконной оптики.

Каковы перспективы развития лаборатории?

Мы планируем дальше развивать наши компетенции в сборке различных оптоэлектронных устройств с оптическим волокном — это лазеры, фотоприемники, интегральные оптические волноводы. Во всем мире актуальной и довольно острой является задача создания сборочных узлов с волоконно-оптическими компонентами, которые обладают надежностью и высокими эксплуатационными характеристиками. Без решения такой проблемы невозможно создать устройства, которые можно применять в реальной жизни.

По сути, уже сегодня лаборатория «Сборки и юстировки устройств световодной фотоники» обладает всей необходимой высокотехнологической базой и компетенциями, позволяющими создавать современные волоконно-оптические приборы, проходя путь от идеи и до ее реализации в рабочий продукт.