Научная группа «Высокоточная волоконно-оптическая интерферометрия»

Подробное описание

Актуальность

Оптическая интерферометрия уже не один век играет огромную роль в науке. Особая точность, обеспечиваемая в интерферометрических измерениях обуславливает применение такой техники в фундаментальных научных экспериментах, таких как опыт Майкельсона ставший одной из основ становления теории относительности или использование специального оптического интерферометра в недавних экспериментах по обнаружению гравитационных волн. Особое место в современной оптической интерферометрии имеют волоконно-оптические интерферометры. Уникальные свойства оптических волокон позволяют создавать малогабаритные интерферометры с огромной оптической длиной, создавать чувствительные элементы для датчиков разных физических величин. Применение волоконных интерферометров привело к появлению нового поколения датчиков для гироскопии, гидроакустических систем, геодезии и интеллектуальных скважин, систем регистрации температуры и давления в условиях, где трудно применить традиционные типы измерителей.

Научная и практическая значимость

Внедрение волоконно-оптических интерферометрических измерителей связано с исследованием ряда научно-технических вопросов по совершенствованию таких методов и достижению высоких характеристик. Необходима разработка эффективных схемных решений обеспечивающих надежную работу, высокую точность и мультиплексирование чувствительных элементов. Одним из ключевых факторов, определяющих  привлекательность и преимущество таких измерителей, является высокое разрешение, которое для современных систем может составлять единицы пикометров. Обеспечение такого уровня разрешающей способности при надежной работе системы требует изучения механизмов влияния шумов различных элементов схемы и возможностей снижения шумов, разработки специальных методов демодуляции интерференционного сигнала.   

Краткое описание результатов

В рамках проекта научная группа исследует и разрабатывает волоконно-оптические интерференционные схемы (включая схемы мультиплексирования интерферометров в единой волоконной линии), а также алгоритмы обработки интерференционного сигнала для обеспечения рекордных уровней разрешающей способности по изменению оптической разности хода интерферометров (на уровне единиц пикометров/√Гц).

Исследования включают теоретические разработки (на основе аналитики и численного моделирования) по различным оптическим схемам и параметрам формируемых в этих схемах фазомодулированных интерференционных сигналов, алгоритмам демодуляции и параметрам возникающих в таких схемах шумов. Так же исследования предусматривают экспериментальную апробацию предлагаемых схем и методов обработки сигналов, экспериментальную регистрацию микроперемещений или смещений оптической длины с разрешающей способностью на уровне единиц пикометров/√Гц.   

 Используемые ресурсы и оборудование

При реализации экспериментальных исследований научная группа применяет:

  • Современные волоконно-оптические элементы (оптические волокна разных типов, включая волокна PM-типа и SPUN-типа, различные волоконные разветвители, поляризаторы, фарадеевские зеркала, брегговские решетки и т.п.).
  • Оптоэлектронные компоненты (лазерные источники,  фотоприемники, волоконные модуляторы мощности, фазы, поляризации).
  • Специализированное контрольно-измерительное оборудование (специальные спектрометры ИК диапазона, системы интеррогации волоконных датчиков на основе брэгговских решеток и интерферометров, измерители оптической мощности) и элементы оптомеханики. 
  • Технологические элементы (приборы для очистки и скола волокон, аппараты для сварки оптических волокон, системы и элементы для оконцовки и соединения волокон контроля качества торца).

Указанное оборудование преимущественно включает приборы и элементы зарубежных фирм: Corning, Nufern, Fibercore, AFW Technologies, Thorlabs, Nnritsu, Q‑photonics, Optiphase, National Instruments, Ibsen Photonics, NP Photonics, Zolix и др. 

Трудоустройство и партнеры

Партнеры и организации, заинтересованные в результатах работы

  • ООО "Технологическая компания Шлюмберже". Продолжительное научное сотрудничество и выполнение НИР по контрактам с SFTC (Schlumberger Fiber Technology Center, Великобритания) и Московским исследовательским Центром ОАО «Технологическая компания Шлюмберже» в области распределенных измерительных систем на основе OTDR технологии.
  • ЦНИИ "Концерн "Электроприбор". Научное сотрудничество и выполнение НИОКР в области волоконно-оптических интерферометрических измерительных систем.
  • OAO НИИ «Атолл». Научное сотрудничество и выполнение НИОКР в области измерительных систем с мультиплексированными волоконно-оптическими интерферометрами.

Дополнительная информация

Важнейшие публикации группы

  1. Liokumovich L., Muravyov K., Skliarov P., Ushakov N. Signal detection algorithms for interferometric sensors with harmonic phase modulation: Miscalibration of modulation parameters // Applied Optics ― 2018 57 (25), 7127-7134 DOI: 10.1364/AO.57.007127
  2. Bisyarin M.A., Kotov O.I., Hartog A.H., Liokumovich L.B., Ushakov N.A. Rayleigh backscattered radiation produced by an arbitrary incident mode in multimode optical fibers // Applied Optics ― 2018 57 (22), 6534-6544 DOI: 10.1364/AO.57.006534
  3. Bisyarin M.A., Kotov O.I., Hartog A.H., Liokumovich L.B., Ushakov N.A. Rayleigh backscattered radiation produced by an arbitrary incident mode in multimode optical fibers // Applied Optics ― 2018 57 (22), 6534-6544 DOI: 10.1364/AO.57.006534
  4. Popov E.N., Barantsev K.A., Ushakov N.A., Litvinov A.N., Liokumovich L.B., Shevchenko A.N., Sklyarov F.V., Medvedev A.V. Behavior of Signal from Optical Circuit of Quantum Rotation Sensor Based on Nuclear Magnetic Resonance // Gyroscopy and Navigation ― 2018 9 (3), 183-190 DOI: 10.1134/S2075108718030082
  5. Hartog A.H., Liokumovich L.B., Ushakov N.A., Kotov O.I., Dean T., Cuny T., Constantinou A., Englich F.V. The use of multi-frequency acquisition to significantly improve the quality of fibre-optic-distributed vibration sensing // Geophysical Prospecting ― 2018 66, 192-202 DOI: 10.1111/1365-2478.12612
  6. Liokumovich L., Medvedev A., Muravyov K., Skliarov P., Ushakov N. Signal detection algorithms for interferometric sensors with harmonic phase modulation: Distortion analysis and suppression // Applied Optics ― 2017 56 (28), 7960-7968 DOI: 10.1364/AO.56.007960
  7. Bisyarin M.A., Kotov O.I., Hartog A.H., Liokumovich L.B., Ushakov N.A. Influence of a variable Rayleigh scattering-loss coefficient on the light backscattering in multimode optical fibers // Applied Optics ― 2017 56 (16), 4629-4635 DOI: 10.1364/AO.56.004629
  8. Popov E.N., Barantsev K.A., Litvinov A.N., Kuraptsev A.S., Voskoboinikov S.P., Ustinov S.M., Larionov N.V., Liokumovich L.B., Ushakov N.A., Shevchenko A.N. Frequency line of nuclear magnetic resonance in quantum rotation sensor: Negative effect of detection circuit // Gyroscopy and Navigation ― 2017 8 (2), 91-96 DOI: 10.1134/S2075108717020092
  9. Bisyarin M.A., Kotov O.I., Hartog A.H., Liokumovich L.B., Ushakov N.A. Rayleigh backscattering from the fundamental mode in step-index multimode optical fibers // Applied Optics ― 2017 56 (2), 354-364 DOI: 10.1364/AO.56.000354
  10. Bisyarin M.A., Kotov O.I., Hartog A.H., Liokumovich L.B., Ushakov N.A. Rayleigh backscattering from the fundamental mode in multimode optical fibers // Applied Optics ― 2016 55 (19), 5041-5051 DOI: 10.1364/AO.55.005041
  11. Kostromitin A.O., Kudryashov A.V., Liokumovich L.B. Measurement and Analysis of Modulation and Noise in the Output Frequency of Single-Frequency Semiconductor Diode Lasers // Journal of Applied Spectroscopy ― 2015 82 (4), 659-664 DOI: 10.1007/s10812-015-0159-z
  12. Ushakov N., Markvart A., Liokumovich L. Enhancing the resolution limits of spectral interferometric measurements with sweptwavelength interrogation by means of a reference interferometer // Applied Optics ― 2015 54 (19), 6029-6036 DOI: 10.1364/AO.54.006029
  13. Ushakov N., Liokumovich L. Resolution limits of extrinsic Fabry-Perot interferometric displacement sensors utilizing wavelength scanning interrogation // Applied Optics ― 2014 53 (23), 5092-5099 DOI: 10.1364/AO.53.005092
  14. Temkina V.S., Medvedev A.V., Mayzel A.V., Mokeev A.S. Fiber Optic Current Meter for IIoT in Power Grid // Internet of Things, Smart Spaces, and Next Generation Networks and Systems. NEW2AN 2018, ruSMART 2018. Lecture Notes in Computer Science, vol 11118. Springer, Cham, 2018, 631-640 https://doi.org/10.1007/978-3-030-01168-0_57
  15. Темкина В.С., Медведев А.В., Майзель А.В., Мокеев А.С. Применение технологий National Instruments для детектирования сигнала волоконно-оптического датчика тока // Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с международным участием. Лучшие доклады. 2018, 132-137 https://elibrary.ru/item.asp?id=32820417
  16. Temkina V.S., Medvedev A.V., Petrov V.M., Miazin A.S. Fiber optic electric field sensor with the temperature compensation // Humanities & Science University Journal. Physics, Mathematics, Engineering and Biology, 2016, 24, 34-40 https://elibrary.ru/item.asp?id=29077747
  17. Темкина В.С., Мязин А.С., Медведев А.В.  Компенсация температурной зависимости чувствительного элемента волоконно-оптического датчика электрического поля с использованием технологий National Instruments // Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с международным участием. Лучшие доклады. 2016, 118-122 https://elibrary.ru/item.asp?id=28079896
  18. Ivanov S.I., Liokumovich L.B., Medvedev A.V. Estimation of the parameters of the phase modulated signal in presence of the background noise using complete sufficient statistics // 2017 20th IEEE International Conference on Soft Computing and Measurements (SCM), 2017, 11-13, https://ieeexplore.ieee.org/document/7970480
  19. Petrov V., Medvedev A., Liokumovich L., Miazin A. Fiber-optic polarization interferometric sensor for precise electric field measurements International // Journal of Modern Physics A, 2016, 31(2-3), article № 1641032, DOI: 10.1142/S0217751X16410323
  20. Ushakov N., Liokumovich L. Measurement of dynamic interferometer baseline perturbations by means of wavelength-scanning interferometry // Optical Engineering, 2014, 53(11), article № 114103, DOI: 10.1117/1.OE.53.11.114103
  21. Ushakov N.A., Liokumovich L.B. Multiplexed Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometric Sensors: Resolution Limits // Journal of Lightwave Technology, 2015, 33(9), 1683-1690, DOI: 10.1109/JLT.2015.2396201
  22. Liokumovich L.B., Ushakov N.A., Kotov O.I., Bisyarin M.A., Hartog A.H. Fundamentals of Optical Fiber Sensing Schemes Based on Coherent Optical Time Domain Reflectometry: Signal Model under Static Fiber Conditions // Journal of Lightwave Technology, 2015, 33(17), 3660-3671, DOI: 10.1109/JLT.2015.2449085, https://ieeexplore.ieee.org/document/7131435
  23. Ushakov N., Liokumovich L., Medvedev A. Utilization of NI PXIe-4844 interrogator for high resolution fiber extrinsic Fabry-Perot interferometric sensing // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) - Proceedings 2015, article № 7147302 https://ieeexplore.ieee.org/document/7147302
  24. Ushakov N.A., Liokumovich L.B., Markvart A.A. Noise compensation in a Fabry-Perot-based displacement sensor operating at picometer-level resolution // Journal of Physics: Conference Series 2015, article № 012047 http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/661/1/012047/meta
  25. Маркварт А.А., Ушаков Н.А., Лиокумович Л.Б. Повышение разрешающей способности датчика микроперемещений на основе интерферометра Фабри-Перо с использованием опорного интерферометра // Наука и инновации в технических университетах. Материалы Восьмого Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2014, 21-22 https://elibrary.ru/item.asp?id=22817445
  26. Костромитин А.О., Лиокумович Л.Б. Экспериментальный анализ частотных шумов лазерных диодов с распределенной обратной связью // Научный форум с международным участием "Неделя науки СПбПУ". Материалы научно-практической конференции. Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций СПбПУ, 2015, 99-103 https://elibrary.ru/item.asp?id=25549677
  27. Маркварт А.А., Ушаков Н.А., Лиокумович Л.Б. Компенсация шумов в датчике микроперемещений на основе интерферометра Фабри-Перо с использованием опорного интерферометра // Научный форум с международным участием "Неделя науки СПбПУ". Материалы научно-практической конференции. Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций СПбПУ, 2015, 18-21 https://elibrary.ru/item.asp?id=25549642
  28. Костромитин А.О., Лиокумович Л.Б. Оптимизация пассивного интерферометрического волоконно-оптического датчика // Неделя науки СПбПУ. Материалы научной конференции с международным участием. Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций, 2016, 155-157 https://elibrary.ru/item.asp?id=28079722
  29. Костромитин А.О., Лиокумович Л.Б. Шум и модуляция излучения одночастотных полупроводниковых лазеров // Неделя науки СПбПУ. Материалы научной конференции с международным участием. Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций, 2016, 152-154 https://elibrary.ru/item.asp?id=28079721
  30. Иванов С.И., Лиокумович Л.Б., Медведев А.В. Оценивание параметров фазомодулированного сигнала на фоне шумов с использованием полных достаточных статистик // Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям, Т. 1 , 2017, 23-26 https://elibrary.ru/item.asp?id=29850625