В основе технологии создания продукта – два запатентованных технических решения, каждое из которых закрывает свою инженерную задачу. Разработка открывает применение не только в квантовых, но и в классических телекоммуникациях, в частности в системах спектрального уплотнения (DWDM), лазерной технике и высокоточных оптических датчиках для мониторинга железнодорожной инфраструктуры
ПРОДУКТ, КОТОРОГО НЕ БЫЛО В РОССИИ
В системах квантового распределения ключей (КРК) информация передаётся с использованием квантовых состояний света. Для корректной работы системы необходимо обеспечить точное согласование рабочей длины волны квантового передатчика и приёмника. Эту задачу решают узкополосные высокодобротные оптические фильтры, которые выделяют полезный сигнал и подавляют постороннее оптическое излучение.
До настоящего момента высокодобротные волоконно-оптические фильтры подобного уровня в России не производились вообще – отрасль полностью зависела от зарубежных компонентов. Созданные в ОАО «РЖД» фильтры закрывают этот пробел и становятся значимым шагом на пути к формированию полноценной отечественной экосистемы компонентов квантовых коммуникаций.
«Впервые в России был создан производственный инструмент, позволяющий создавать уникальные отечественные узкополосные волоконно-оптические фильтры для систем КРК», – отмечает начальник Департамента квантовых коммуникаций Артур Глейм.
В основе фильтра лежит волоконная решётка Брэгга – микроструктура внутри сердцевины оптоволокна, которая отражает свет строго определённой длины волны. Чтобы довести эту технологию до серийно пригодного продукта, разработчикам пришлось решить две самостоятельные инженерные задачи.
РЕШЕНИЕ ПЕРВОЕ: КАК ЗАПИСАТЬ ДЛИННУЮ И КАЧЕСТВЕННУЮ РЕШЁТКУ
Долгое время процесс записи решётки осложняли габариты оптической схемы. Чтобы получить решётку требуемой длины и качества, приходилось использовать зеркала, диаметр которых намного больше длины изготавливаемой решётки. Разработчикам нового устройства удалось обойти это физическое ограничение. Они изменили оптическую схему интерферометра так, что теперь на зеркалах прежнего размера можно записывать заметно более длинные решётки без увеличения габаритов самой установки (патент № 2828253).
К слову, у ближайшего зарубежного аналога соотношение длины решётки к диаметру зеркал составляло около 0,7. Отечественная же разработка поднимает этот показатель до 0,98. Это означает почти вдвое более эффективное использование тех же зеркал.
«Решётки, изготавливаемые по новой технологии, дают более узкую и стабильную полосу отражения фильтра, а значит, повышают защищённость и дальность квантового канала», – отмечает Артур Глейм.
РЕШЕНИЕ ВТОРОЕ: КАК УДЕРЖИВАТЬ И ПЕРЕСТРАИВАТЬ ДЛИНУ ВОЛНЫ ФИЛЬТРА
Чтобы задать требуемое значение рабочей длины волны высокодобротного фильтра и перестраивать её при необходимости, при записи волоконной решётки Брэгга необходимо обеспечить её растяжение. Для решения этой задачи разработчики во всём мире шли двумя путями. В одних случаях оптоволокно нагревали и растягивали механически, что делало систему крайне уязвимой к любым вибрациям. В других – использовали модули Пельтье для принудительного нагрева и охлаждения элемента. Однако в подобных решениях возникают сложности со схемой управления и избыточным расходом энергии.
Отечественные новаторы реализовали иной подход. В ОАО «РЖД» разработали устройство стабилизации и перестройки центральной длины волны волоконно-оптического фильтра на основе волоконной брэгговской решетки (патент № 2836609).
«В рамках разработанного решения охлаждающий элемент исключён из технологической операции – был сделан теплораспределитель, конструктивной особенностью которого является обеспечение нагрева через воздушный зазор между двумя оболочками, а охлаждения – за счёт естественного остывания, без активного охлаждения», – рассказывает Артур Глейм.
Это решение позволяет снизить энергопотребление и количество деталей в узле, а значит – повысить надёжность электроники управления в приёмных и передающих модулях систем КРК.
ШАГ К ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НЕЗАВИСИМОСТИ
Оба решения вместе легли в основу технологии изготовления ВВОФ и успешно апробированы на стадиях создания опытных образцов и опытной партии фильтров. На их основе сейчас модернизируется аппаратура КРК.
«Мы решили важную задачу – создали узкополосные селективные фильтры для рабочей длины волны аппаратуры КРК в телекоммуникационном С-диапазоне, полностью на отечественной компонентной базе. Это конкретный шаг к импортонезависимости в критически важном для квантовых коммуникаций сегменте», – подчёркивает Артур Глейм.
Область применения технологии не ограничивается квантовыми сетями. Помимо систем квантового распределения ключей, разработанные фильтры пригодны для использования везде, где нужны узкополосные волоконные решётки Брэгга: в системах спектрального уплотнения (DWDM), классических телекоммуникациях, лазерной технике, а также в высокоточных оптических датчиках температуры и вибрации – в том числе для мониторинга состояния железнодорожной инфраструктуры.
Алексей Алеев
Более детально о патентах можно узнать в Центре инновационного развития ОАО «РЖД»
Читать следующий материал