Моделирование оптоэлектронного осциллятора с участком оптического волокна в качестве линии задержки в его петле обратной связи

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.

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. Chrostowski L., Hochberg M. Silicon Photonics Design: From Devices to Systems. Cambridge University Press; 2015. 418 p. https://doi.org/10.1017/CBO9781316084168

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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