Исследование методов генерации солитонных молекул в телекоммуникационном диапазоне спектра на основе волоконных лазеров ультракоротких импульсов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00184

НазваниеИсследование методов генерации солитонных молекул в телекоммуникационном диапазоне спектра на основе волоконных лазеров ультракоротких импульсов

Руководитель Дворецкий Дмитрий Алексеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые слова фемтосекундный волоконный лазер, синхронизация мод, нелинейная оптика, ульракороткие импульсы, насыщающийся поглотитель, волоконный усилитель, связанные ультракороткие импульсы

Код ГРНТИ29.33.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последние десятилетие лазеры ультракоротких импульсов получили сильный толчок в развитии. В первую очередь это связано с многочисленными применениями в различных областях фундаментальных исследований, а также они нашли свою нишу в медицинских и промышленных технологиях. Благодаря сложной нелинейной динамики ультракоротких оптических импульсов в резонаторе, фемтосекундные лазеры могут рассматриваться как источник для развития будущих применений. В последнее время получены новые режимов генерации: симиларитонных импульсов, шумоподобных импульсов, солитонных молекул и режим генерации солитонного дождя. Наиболее перспективным среди указанных режимов является режим генерации солитонных молекул, который предлагается в качестве объекта исследования в данном проекте. Предлагаемый проект посвящён разработке и исследованию новых методов получения многоимпульсных режимов генерации со связанными состояниями импульсов в волоконных лазерах в телекоммуникационном диапазоне спектра. Уникальные свойства многоимпульсного режима работы лазера со связными состоянием импульсов, формирование которых происходит в лазерном резонаторе из-за баланса между различными солитонами вызванного нелинейностью и дисперсии в резонаторе, заключаются в возможности получения импульсов со стабильной разностью фаз в 0, π и ±π/2, низком уровне шума и высокой взаимной когерентности импульсов, что делает такие режимы работы лазера потенциально перспективными для целого ряда потенциальных применений. Данный режим может быть использован в таких областях фотоники, как телекоммуникации и связь, в области метрологии частоты и времени, в обработке материалов и т.д. Например, исследование солитонных молекул привлекательно для увеличения пропускной способности линии связи в телекоммуникациях за счет увеличения алфавита кодирования сигнала. Однако стоит отметить, что необходима разработка способов управления параметрами солитонных молекул (кодирования сигнала) и разработка способов приема сигнала (декодирование сигнала). Кроме того, генерация когерентно связанных групп солитонов может значительно увеличить эффективность усиления ультракоротких импульсов, что открывает новые горизонты в холодной микрообработке новых материалов. В данном проекте предлагается исследование механизмов формирования и свойств солитонных молекул в волоконных лазерах ультракоротких импульсов, полученных с применением пассивной синхронизации мод на основе новых волоконных световодов и углеродных насыщающихся поглотителей в составе резонатора. В проекте предлагается систематическое исследование данного режима генерации: математическое моделирование эволюции солитонных молекул в резонаторе лазера и их распространения в волоконных световодах, исследование пространственно-временной динамики развития генерации лазера, исследование причин генерации солитонных молекул в различных схемах лазеров и поиск способов управления их основными характеристиками, экспериментальное исследование особенностей генерации, распространения и усиления групп связанных солитонов, развитие применений режима генерации в телекоммуникациях и связи. Результаты проведенных экспериментально-теоретических работ позволят расширить теоретические знания в области фемтосекундной оптики, позволят получить новые данные о физических закономерностях, приводящих к синхронизации мод лазера, дадут возможность описать нелинейно-оптические процессы, происходящие в резонаторе лазера.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Илья Орехов, Алмикдад Исмаил, Ульяна Лаздовская, Дмитрий Дворецкий, Станислав Сазонкин, Лев Денисов Soliton molecules order control and their propagation features in an anomalous dispersion optical fiber Optics and Laser Technology, Vol.171. P. 1–7. (год публикации - 2023)
10.1016/j.optlastec.2023.110444

2. Исмаил А., Орехов И.О., Сазонкин С.Г., Дворецкий Д.А.,Крылов А.А.,Карасик В.Е., Денисов Л.К. Low-noise soliton molecule generation with an in-phase controllable pulse number by third- and second-order dispersion compensation in an all-fiber erbium-doped oscillator Applied Optics, Vol. 63, Issue 33, pp. 8503-8509 (2024) (год публикации - 2024)
10.1364/AO.539960

3. Орехов И.О., Аверкиева У.С., Исмаил А., Янь Ф., Федоренко А.Ю., Сазонкин С.Г., Дворецкий Д.А., Денисов Л.К., Карасик В.Е. Численное исследование процесса генерации групп связанных солитонов высокого порядка в полностью волоконном кольцевом эрбиевом лазере Оптический журнал (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На сегодняшний день идет активное развитие квантовых вычислительных систем, что привлекает внимание многих научных групп, особенно в контексте масштабирования таких систем. Исследование солитонных молекул открывает новые горизонты для создания масштабируемых и устойчивых квантовых систем. Солитонные молекулы представляют собой уникальный режим генерации фемосекундных импульсов, при котором высокоэнергетический импульс расщепляется на несколько когерентно связанных солитонов. Этот процесс обеспечивает высокую стабильность амплитудно-частотных характеристик и когерентную связь между импульсами, что позволяет предположить способность данного режима к самовычитанию фазовых шумов. Это преимущество является значительным для разработки источников излучения, необходимых для получения сжатых запутанных квантовых состояний света. Такие достижения могут решить ключевые проблемы, связанные с масштабированием квантовых вычислений на непрерывных переменных, а также с декогеренцией и неэффективностью коррекции ошибок. В ходе выполнения проекта были экспериментально продемонстрированы преимущества режима генерации солитонных молекул для задач квантовых вычислений на непрерывных переменных. Были показаны устойчивость амплитудно-частотных характеристик генерации и возможность управления параметрами группы когерентно связанных импульсов. Кроме того, была разработана уникальная математическая модель, работа которой была экспериментально верифицирована. Результаты численных исследований впервые позволили описать процессы, происходящие в лазерном резонаторе при формировании связанных солитонных состояний, а также влияние усиления и нелинейного фазового набега на эти состояния. Эти исследования подчеркивают важность солитонных молекул для дальнейшего развития квантовых технологий. В частности, они могут способствовать созданию более эффективных и надежных квантовых компьютеров, которые смогут решать сложные задачи, недоступные для классических вычислительных систем. Солитонные молекулы также открывают новые возможности для исследований в области квантовой криптографии и квантовой коммуникации. Их устойчивость к внешним воздействиям и способность к самовычитанию фазовых шумов делают их идеальными кандидатами для создания защищенных каналов связи. Это особенно важно в условиях растущей необходимости обеспечения безопасности данных.

Публикации