CC BY
129
ОПТОВОЛОКОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СФЕРЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
Орлова Елена Юрьевна,
к.э.н., МТУСИ, Москва, Россия, olena0712@yandex.ru
Орлов Алексей Александрович,
аспирант, МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
Ключевые слова: экономика знаний, инновационная инфраструктура, оптоволоконные технологии, оптоволоконные датчики, телекоммуникационные технологии.
В настоящее время принято говорить о появлении нового типа экономики, характерной чертой которой является то, что наука превратилась в производительную силу общества и стала определять конкурентноспособность страны. В силу ряда причин на протяжении многих лет экономика России является недостаточно конкурентноспособной. Для повышения конкурентоспособности России необходимо уменьшить зависимость экономики от экспорта природных ресурсов и перейти к постиндустриальной экономике. А это возможно только в случае создания необходимой инновационной инфраструктуры. Телекоммуникационные технологии служат платформой для построения такой инфраструктуры. Именно телекоммуникационные технологии определяют переход экономики на новый информационный этап развития. Важную роль в этом процессе сыграло появление сети Интернет. Вместе с его распространением развивались и технологии передачи информации. Одной из таких технологий стала технология с использованием оптоволокна. Разработки, связанные с созданием новых телекоммуникационных систем и систем детектирования на основе оптоволокна, способствуют развитию информационно-телекоммуникационной инфраструктуры и ряда других отраслей. Примером могут служить оптоволоконные технологии, которые используются в разработке и производстве датчиков в различных отраслях промышленности: от медицины до нефтегазовой отрасли. В настоящее время у оптоволоконных датчиков существует ряд недостатков; это и относительно высокая стоимость, и отсутствие во многих случаях промышленных образцов, и возможность определения только узко ограниченного круга веществ в случае химических и биологических датчиков. Вместе с тем ряд их уникальных особенностей актуализирует научные исследования в данной области как с точки зрения возможности проведения научно-прикладных исследований, так и с точки зрения государственно-частного партнёрства, т.е. с привлечением финансовых ресурсов государства и частного сектора на научные исследования и разработки в этой области. Данный подход реализуется в России на протяжении последних лет, наряду с общей реорганизацией науки и постепенным переходом к проектно-целевой и грантовой форме финансирования научно-исследовательских проектов. Выявление наиболее перспективных направлений развития науки и техники должны содействовать ускорению роста инновационной составляющей российской экономики.
Для цитирования:
Орлова Е.Ю., Орлов А.А. Оптоволоконные технологии и сферы их применения // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2016. -Том 10. - №3. - С. 63-66.
For citation:
Orlova E.Yu., Orlov A.A. Fiber-optic technologies and their applications. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.3, рр. 63-66. (in Russian)
В настоящее время принято говорить о появления нового типа экономики - «экономики знаний», характерной чертой которой является то, что наука превратилась в производи-; тельную силу общества и стала определять конкурентоспособность страны |1|. К сожалению, на протяжении многих лет экономика России является недостаточно конкурент-способной из-за преимущественно экстенсивного типа развития, сырьевой направленности экспорта и ряда других причин. Уменьшение зависимости экономики России от экспорта природных ресурсов и переход к постиндустриальной экономике возможны только в случае создания необходимой инновационной инфраструктуры. Телекоммуникационные технологии служат платформой для построения такой инфраструктуры. Именно телекоммуникационные технологии определяют переход экономики на новый информационный этап развития.
Важную роль в этом процессе сыграло появление сети Интернет. Интернет, который через короткий промежуток времени стал доступен очень широкому кругу конечных потребителей, существенно повлиял на экономические отношения, ускорив процессы глобализации. Наука, образование, искусство, быт оказались под влиянием Интернета. Вместе с его распространением развивались и технологии передачи информации. Одной из таких технологий стала технология с использованием оптоволокна. Разработки, связанные с созданием новых телекоммуникационных систем и систем детектирования на основе оптоволокна, способствуют развитию информационно-телекоммуникационной инфраструктуры и ряда других отраслей.
Передача информации но оптическим волокнам основана на идее о том, что с помощью света можно передавать больше информации на большие расстояния, чем в случае использования электрических сигналов или радиочастот. Сама по себе идея передачи информации с помощью света не нова: так с помощью огненных вышек был передан сигнал о падении Трои из Малой Азии в Аргос. В 1790-х годах французский инженер Клод Шаппе изобрёл оптический телеграф, который представлял собой ряд семафоров, установленных на башнях, В XIX веке Александром Бел лом был изобретён оптический телефон, названный им фотофоном. Возможность массового производства стеклянных нитей и изобретение лазера открыло путь к появлению первых образцов оптоволоконных кабелей в 1970-х годах, В настоящее время оптические волокна находят широкое применение— от гигабитного интернета до медицинских приборов.
Оптоволоконный кабель в простейшем варианте состоит из двух слоев с разными показателями преломления; сердцевины и внешней оболочки. В качестве материала для изготовления сердцевины обычно используются чистое стекло или пластик. В оболочку могут добавлять различные примеси, в зависимости от последующей области применения оптоволокна [2].
Дело в том, что, как это часто бывает, некоторые широко используемые в телекоммуникационной сфере технологии находят и другие сферы применения. Примером могут служить оптоволоконные технологии, которые используются в разработке и производстве датчиков в различных отраслях промышленности: от медицины до нефтегазовой отрасли.
Возможнос ть использования датчиков на основе оптоволокна в условиях агрессивной внешней среды, действия
сильных магнитных полей, недоступных местах обуславливает перспективы их применения в различных областях промышленности. Датчики температуры, деформаций на оптоволоконной основе уже были реализованы зарубежными |3] и российскими компаниями [4].
Сенсоры на основе оптоволокна можно классифицировать исходя из природы детектируемого параметра на:
• физические (температура, давление, деформация);
• химические (измерение концентраций газов, ионов и др.);
• биологические (измерение присутствия биологических агентов в среде).
Другая классификация может быть проведена на основе расположения измеряемого параметра [5]:
• точечное;
• протяженное;
• квази-раепределённое;
• распределённое.
На настоящий момент е помощью оптоволоконных датчиков можно измерить следующие физические параметры [5], [6]:
• давление;
• температура;
• вибрация;
• деформация;
• поток.
Такие датчики могут быть использованы, например, для измерения давления в нефтегазовой промышленности [6].
Число химических веществ, которые можно детектировать с помощью датчиков, основанных на оптоволокне, увеличивается с каждым годом. Так с их помощью можно определять наличие газов, присутствие ионов в жидкости и высокомолекулярные соединения [7j. В основе принципа работы оптоволоконных датчиков лежит оптическая спектроскопия в инфракрасном-ультрафиолетовом диапазоне. Изменение какой-либо характеристики материала внешней оболочки под воздействием различных факторов приводит к изменению физических параметров, связанных с передачей сигнала.
С помощью оптоволоконных датчиков могут детектироваться многие технические газы; водород, кислород, углеводороды, аммиак, оксиды азота, диоксид углерода [7J. Пары органических растворителей, таких как бензол, спирты и др. также могут быть обнаружены е помощью оптоволоконных датчиков па основе смешанных оксидов олова и меди [7].
В пищевой промышленности, авиации, в космической отрасли имеется необходимость контроля за влажностью тех или иных помещений. Благодаря тому, что датчики на основе оптоволокна могут работать в жёстких условиях, они могут занять свою нишу в этих отраслях.
Опзоволоконные датчики могут применяться для измерения содержания попов металлов, ионной силы и pH растворов в промышленности. Разработаны /датчики для определения наличия органических загрязнителей, лекарств, взрывчатых веществ, а трохи ми катов [7].
Реакция антигена с антителом была использована для создания оптоволоконных иммуносенсоров. Было разработано портазивное автоматическое устройство «Раптор» ("Raptor") |7]. Оно было успешно применено для детекции болезнетворных бактерий в водной среде. Была показана возможность применения оптоволоконных датчиков для
T■Comm Vol.l0. #3-2016
COMMUNICATIONS
Одним из способов решения данной проблемы является поддержка государством прикладных исследований, которые могли бы заинтересовать коммерческий сектор экономики. Такие исследования могут проводиться в рамках государствен но-част но го партнёрства, что позволит привлечь больше средств на научные исследования и разработки из коммерческого сектора экономики. Данный подход реализуется в России на протяжении последних лет, наряду с общей реорганизацией науки и постепенным переходом к и рое кто-цел ев ой и [ранговой форме финансирования пауч-но-исследоватсльских проектов. Например, ассигнования на прикладные научные исследования из средств федерального бюджета выросли более чем в четыре раза с 2006 но 2012 гг., При ЭТОМ объем финансирования таких исследования более чем в три раза превысил объём финансирования фундаментальных научных исследований на 2012 год [8].
Рациональное распределение финансовых ресурсов между фундаментальными и прикладными исследованиями, выявление наиболее перспективных направлений развития науки и техники должны содействовать ускорению роста инновационной составляющей российской экономики.
FIBER-OPTIC TECHNOLOGIES AND THEIR APPLICATIONS
Orlova E.Yu., PhD, Associate Professor, MTUCI, Moscow, Russia, olena07l2@yandex.ru Orlov A.A., PhD student, Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia
Abstract
The emergence of a new type of economy is broadly discussed now. The specific feature of such economy consists in the fact that science has become a productive force of society and began to define the competitiveness of the country. For several reasons, Russia's economy is not sufficiently competitive. It is necessary to improve the competitiveness of Russian economy by means of reducing the dependence on exports of natural resources and move to a post-industrial economy. This is possible only in the case of the necessary innovation infrastructure. Telecommunication technologies serve as a platform to build such an infrastructure. It is the telecommunication technologies that determine the transition of the economy to a new stage of development information. The emergence of the Internet is playing an important role in this process. The technologies of information transmission are developing along with the spread of the Internet. One such technology was the technology using optical fiber. Development related to the creation of new telecommunications and detection systems based on fiber promotes the development of information and the telecommunication infrastructure and a number of other industries. The example of such technologies is the fiber-optic technologies used in the design and manufacture of sensors in various industries: from medicine to the oil and gas industry. There are a number of fiber-optic sensors disadvantages. They are relatively expensive; there are no industrial samples in many cases. It is possible to determine only narrowly restricted range of substances in the case of chemical and biological sensors. However, a number of unique features facilitate the research in this field both in the terms of the possibility of scientific and applied research, and from the point of view of public-private partnerships, i.e. with the involvement of the financial resources of the state and the private sector on research and development in this area. This approach has been recently implemented in Russia, along with a general reorganization of science and the gradual transition to the target design and form of a grant funding for the research projects. The identification of the most promising areas of science and technology should help to accelerate growth of innovative component of the Russian economy.
Keywords: knowledge economy, innovation infrastructure, optical fiber technologies, fiber-optic sensors, telecommunication technologies. References
1. Mindeli L.E., Pipia L.K. The conceptual aspects of the formation of the knowledge economy / Problems of Forecasting. 2007. No. 3. Pp. 115-136. (in Russian)
2. Optical Network Design and Implementation. Alwayn V. 2004. Cisco Press. http://www.ciscopress.com/articles/article.asp?p=l70740.
3. http://industrial.omron.ru/ru/home.
4. http://www.optolex.ru/index.htm.
5. Pinet E. Fabry-P'erot Fiber-Optic Sensors for Physical Parameters Measurement in Challenging Conditions / Journal of Sensors. Vol. 2009. Article ID 720980. 9 p.
6. Tomyshev K.A., Bagan V.A., Astapenko V.A. Distributed fiber-optic pressure sensors for use in the oil and gas industry / Proceedings of the MIPT. 2012. Vol. 4. No. 2. (in Russian)
7. Wang X-D., Wolfbeis O.S. Fiber-Optic Chemical Sensors and Biosensors (2008-2012) / Analytical Chemistry. 2013. 85. 487-508.
8. Science Indicators: 2014: statistical yearbook. Moscow: National research university 'Higher school of economics', 2014. 400 p.
(in Russian)
Литература
1. Минделии Л.Э., ПшшяЛ.К. Концептуальные аспекты формирования экономики знании // Проблемы прогнозирования. 2007. № 3. - С. 115-136.
2. Alwayn V. Optical Network Design and Implementation. 2004, Cisco Press. http://www.eiscopress.eom/anic les/artie!e.asp?p=170740.
3. http://industrial.omron.ni/ru/home.
4. http://www.optolex.ru/itidex.htm.
5. Fabry-P'erot Fiber-Optic Sensors for Physical Parameters Measurement in Challenging Conditions. Pinet E. // Journal of Sensors. Volume 2009. Article ID 720980. 9 p.
6. Томышев К.А.. Багаи В.А.. Астапенко В.А. Распределённые волоконно-оптические датчики давления для применения в нефтегазовой промышленности / Труды МФТИ. 2012. Том 4. № 2.
7. Wang X-D., Wolfbeis O.S. Fiber-Optic Chemical Sensors and Biosensors (2008-2012) // Analytical Chemustry. 2013. 85. 487-508.
8. Индикаторы науки: 2014: статистический сборник. - Москва: Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», 2014. - 400 с.
