moitvivt Моделирование, оптимизация и информационные технологии Modeling, Optimization and Information Technology 2310-6018 Издательство 10.26102/2310-6018/2026.59.8.008 2557 Моделирование оптоэлектронного осциллятора с участком оптического волокна в качестве линии задержки в его петле обратной связи Optoelectronic oscillator simulation with a section of optical fiber as a delay line in its feedback loop 0000-0003-4677-5808 Степанов Иван Васильевич Stepanov Ivan Vasilevich stepanoviv@uust.ru aff-1 0000-0002-2830-3498 Султанов Альберт Ханович Sultanov Albert Khanovich sultanov.ah@mail.ru aff-2 Уфимский университет науки и технологиий Ufa University of Science and Technology Уфимский университет науки и технологиий Ufa University of Science and Technology 01 01 2026 1 1 10.26102/2310-6018/2026.59.8.008 Copyright © Авторы, 2026 2026 This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License

Актуальность исследования обусловлена необходимостью мониторинга в режиме реального времени продольных и поперечных деформаций и вибраций в распределённых металлических и бетонных конструкциях для определения их состояния. Для этого уже применяются оптические системы опроса датчиков. Однако существует необходимость разработки новых подходов, обеспечивающих высокую скорость опроса для определения деформаций материалов, сопровождающихся высокочастотными (зачастую ультразвуковыми) колебаниями. Поэтому в статье предлагается применение оптоэлектронного осциллятора с интегральной оптической частью, подключенного к участку оптического волокна, выполняющего роль датчика. При его деформации происходит изменение частоты электрического сигнала на выходе оптоэлектронного осциллятора. Соответственно, становится возможным определение степени деформации оптического волокна с соответствующим ей воздействием на конструкцию. Для подтверждения концепции было проведено численное моделирование системы в программном обеспечении Ansys Lumerical. Результаты численного моделирования подтверждают возможность применения и эффективность предложенного метода в системах распределенного мониторинга. При этом выявлено ограничение по максимальной длине опрашиваемого участка оптического волокна – 18 км для оптического волокна, выполненного по стандарту G.652d. В свою очередь, чувствительность системы для участка волокна длиной 2 км составила 1 МГц/м по длине или 102,2 кГц/нс по времени задержки оптического сигнала в петле обратной связи оптоэлектронного осциллятора.

The relevance of the study is conditioned by the need for real-time monitoring of longitudinal and transverse deformations and vibrations in distributed metal and concrete structures to determine their condition. For this purpose, optical sensor interrogation systems are applied. However, there is a need to develop new approaches that provide high interrogation speed for determining material deformations accompanied by high-frequency (often ultrasonic) vibrations. Therefore, we propose the use of an optoelectronic oscillator based on a photonic integrated circuit that connected to a section of optical fiber that acts as a sensor. At fiber deformation optoelectronic oscillator output frequency changes. Accordingly, it becomes possible to determine the degree of deformation of the optical fiber with the corresponding impact on the structure. For the concept validation and numerical simulation, we used Ansys Lumerical software. The results of numerical simulation confirm the applicability and effectiveness of the proposed method in distributed monitoring systems. The maximum interrogated optical fiber (G.652d standard) section length is 18 km. System sensitivity for 2 km long optical fiber is 1 MHz/m in length change and 102.2 kHz/ns in delay time in the feedback loop of the optoelectronic oscillator.

 опрос датчиков оптические датчики рефлектометрия фотонная интегральная схема распределённый мониторинг оптоэлектронный осциллятор interrogation optical sensors reflectometry photonic integrated circuit distributed monitoring optoelectronic oscillator Исследование выполнено в рамках работ по государственному заданию Минобрнауки России для УУНиТ (соглашение № 075-03-2024-123/1 от 15.02.2024 г.) в молодёжной научно-исследовательской лаборатории Евразийского НОЦ «Сенсорные системы на основе устройств интегральной фотоники». This research was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the state assignment for UUST (agreement No. 075-03-2024-123/1 dated February 15, 2024) and conducted at the Youth Research Laboratory "Sensor Systems Based on Integrated Photonic Devices" of the Eurasian Research and Education Center. References Yang D., Liu Y., Wang Y., et al. Integrated optic-fiber sensor based on enclosed EFPI and structural phase-shift for discriminating measurement of temperature, pressure and RI. Optics & Laser Technology. 2020;126(6):106112. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106112 Wu Q., Wang R., Yu F.-M., et al. Application of an Optical Fiber Sensor for Nonlinear Ultrasonic Evaluation of Fatigue Crack. IEEE Sensors Journal. 2019;19(13):4992–4999. https://doi.org/10.1109/JSEN.2019.2903323 Wu Q., Okabe Y., Yu F. Ultrasonic Structural Health Monitoring Using Fiber Bragg Grating. Sensors. 2018;18(10):3395. https://doi.org/10.3390/s18103395 Zou X., Liu X., Li W., et al. Optoelectronic Oscillators (OEOs) to Sensing, Measurement, and Detection. IEEE Journal of Quantum Electronics. 2016;52(1):0601116. https://doi.org/10.1109/JQE.2015.2504088 Ivanov V., Voronkov G., Golubchikov A., et al. PIC-based opto-electronic oscillator for communication and sensing applications. Journal of Optical Technology. 2023;90(12):719–724. https://doi.org/10.1364/JOT.90.000719 Hao T., Liu Y., Tang J., et al. Recent advances in optoelectronic oscillators. Advanced Photonics. 2020;2(4):044001. https://doi.org/10.1117/1.AP.2.4.044001 Ivanov V., Stepanov I., Voronkov G., et al. An Approach to Reduce Tuning Sensitivity in the PIC-Based Optoelectronic Oscillator by Controlling the Phase Shift in Its Feedback Loop. Micromachines. 2025;16(1):32. https://doi.org/10.3390/mi16010032 Yao J. Microwave Photonics for High-Resolution and High-Speed Interrogation of Fiber Bragg Grating Sensors. Fiber and Integrated Optics. 2015;34(4):204–216. https://doi.org/10.1080/01468030.2015.1061622 Chrostowski L., Hochberg M. Silicon Photonics Design: From Devices to Systems. Cambridge University Press; 2015. 418 p. https://doi.org/10.1017/CBO9781316084168 Yang Y., Wang M., Shen Y., et al. Refractive Index and Temperature Sensing Based on an Optoelectronic Oscillator Incorporating a Fabry–Perot Fiber Bragg Grating. IEEE Photonics Journal. 2018;10(1):6800309. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2017.2778224 Zhang W., Yao J. A silicon photonic integrated frequency-tunable microwave photonic bandpass filter. In: 2017 International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP), 23–26 October 2017, Beijing, China. IEEE; 2017. https://doi.org/10.1109/MWP.2017.8168635 Bertholds A., Dandliker R. Deformation of single-mode optical fibers under static longitudinal stress. Journal of Lightwave Technology. 1987;5(7):895–900. https://doi.org/10.1109/JLT.1987.1075583 Hao T., Li W., Zhu N., et al. Perspectives on optoelectronic oscillators. APL Photonics. 2023;8(2):020901. https://doi.org/10.1063/5.0134289

The authors declare that there are no conflicts of interest present.