Разработка и исследование генератора запутанных оптических солитонов на основе модуляционной неустойчивости в оптических волокнах с периодически изменяющейся дисперсией для применений, основанных на квантовых технологиях

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 22-12-00396

НазваниеРазработка и исследование генератора запутанных оптических солитонов на основе модуляционной неустойчивости в оптических волокнах с периодически изменяющейся дисперсией для применений, основанных на квантовых технологиях

Руководитель Мельников Леонид Аркадьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." , Саратовская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые слова оптические волокна, периодически изменяющаяся дисперсия, модуляционная неустойчивость, оптические солитоны, квантовая оптика, запутанные состояния, квантовыые технологии

Код ГРНТИ29.27.17, 29.31.15, 29.33.18

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект является развитием работ, выполненных по проекту РНФ 17-12-01564 "Перепутанные солитоны в оптических волокнах с переменной по длине дисперсией" и направлен на создание и исследование генератора запутанных световых импульсов с большим числом квантов в каждом импульсе. Предполагается создание генератора пс импульсов с частотой повторения в несколько ГГц, использующего модуляционную неустойчивоcть в волокнах с периодически изменяющейся дисперсией, генерирующего пары запутанных импульсов, которые можно применять для реализации различных устройств, основанных на квантовых принципах, например, устройств квантовой криптографии, квантового освещения, квантовых радаров, квантовых вычислений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Конюхов А.И., Мельников Л.А. Фазочувствительное усиление оптического сигнала в боковых полосах модуляционной неустойчивости при одночастотной накачке Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика (год публикации - 2023)

2. Разуков В.А., Мельников Л.А., Купцов П.В., Гочелашвили К.С. MODELLING OF THE LIGHT WAVE PROPAGATION AND INTERACTION AND DYNAMICAL REGIMES ANALYSIS BY LYAPUNOV EXPONENTS METHOD IN RING FIBRE CAVITIES Laser Physics (год публикации - 2023)

3. Мельников Л.А., Мажирина Ю.А., Конюхов А.И., Сысолятин А.А.., Гочелашвили К.С. Parametric gain in the fiber with periodically varying dispersion IEEE, IEEE, 21955287, 2022 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840051

4. Разуков В.А., Мельников Л.А., Купцов П.В. Laser Regime Analysis using Lyapunov Exponents IEEE, IEEE, 21955287, 2022 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9839730

5. Сысолятин А.А., Маврин П.А., Конюхов А.И. Phase-sensitive amplification in modulation instability sidebands IEEE, IEEE, 21955298, 2023 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840125

6. Конюхов А.И. Management of the discrete eigenvalues of the nonlinear Schrödinger equation using periodic dispersion perturbation Chaos, Solitons & Fractals, Volume 178, 2024, 114391, ISSN 0960-0779 (год публикации - 2024)
10.1016/j.chaos.2023.114391

7. Мажирина Ю.А., Мельников Л.А. КВАНТОВЫЕ ФЛУКТУАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СОЛИТОНОВ: ВНУТРЕННЯЯ СТРУКТУРА В СПЕКТРАЛЬНОЙ И ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТЯХ Журнал «Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика» (год публикации - 2024)

8. Konyukhov A.I., Konyukhova J.G., Melnikov L.A. Quantum correlation and squeezing in pulses propagating in dispersion oscillating fibers Laser Physics Letters, Laser Phys. 34 (2024) 055205 (7pp (год публикации - )
DOI 10.1088/1555-6611/ad2447

9. Чатержи Д., Сандер С., Кришна М., Ядав С., Сысолятин А.А., Гочелашвили К.С., Семенов С.Л., Вентикеш Д., Конюхов А.И. A Comprehensive Study on Phase Sensitive Amplification and Stimulated Brillouin Scattering in Nonlinear Fibers with Longitudinally Varying Dispersion MDPI Special Issue "Design and Applications of Optical Amplifiers" (год публикации - 2024)

10. Конюхов А.И.,Маврин П.А. Chirped soliton fission and fusion in dispersion oscillating fibers Laser physics, Laser Phys., V.33, 015401 (год публикации - 2023)
10.1088/1555-6611/aca4cd

11. Федоров М.В., Мернова С.С., Слипород К.В. A Protocol of Measurements Providing Direct, Complete and Single-Valued Recover of All a Priory Unknown Parameters of Polarization Biphoton Qutrits Pleiades Publishing, США, Vol. 32, No. 3, pp. 220-226. (год публикации - 2024)
10.3103/S1541308X24700195

12. Мажирина Ю.А., Мельников Л.А. Квантовые флуктуации в волоконных лазерах c синхронизацией мод Журнал технической физики, Санкт-Петербург (год публикации - 2025)

13. Мажирина Ю.А., Мельников Л.А., Сысолятин А.А., Жлуктова И.В., Зверев А.Д., Конюхов А.И. FROG technique for the entangled soliton pulses identification IEEE, США, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, Russian Federation, 2024, pp. 443-443 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1109/ICLO59702.2024.10624008

14. Сысолятин А.А., Мельников Л.А., Конюхова Ю.Г., Конюхов А.И. Quantum Correlation in Twin Pulses Generated by Soliton Fission IEEE, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, Russian Federation, 2024, pp. 450-450 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1109/ICLO59702.2024.10624388

15. Разуков В.А., Мельников Л.А., Купцов П.В. Lyapunov Exponents Approach to Creating Ring Fiber Cavity Regime Charts IEEE, США, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), Saint Petersburg, Russian Federation, 2024, pp. 317-317 (год публикации - 2024)
doi: 10.1109/ICLO59702.2024.10624047

16. Мажирина Ю.А., Мельников Л.А., Конюхов А.И. ГЕНЕРАЦИЯ ЗАПУТАННЫХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ СОЛИТОНОВ И ПРИ РАСПАДЕ ДВУХСОЛИТОННОГО БРИЗЕРА В ВОЛОКНЕ С ПЕРЕМЕННОЙ ДИСПЕРСИЕЙ Фотон-экспресс, Спецвыпуск журнала "Фотон-экспресс", N 6, с. 263-264 (год публикации - 2023)

17. Разуков В.А., Мельников Л.А., Купцов П.В. Исследование методом ляпунова влияния физических параметров системы на генерацию солитонных импульсов в волоконном резонаторе Фотон-экспресс, Спецвыпуск журнала "Фотон-экспресс", N6, c. 386-387 (год публикации - 2023)

18. Конюхов А.И. , Конюхова Ю.Г. , Мельников Л.А. Preparation of quantum correlated states via fission of chirped vector solitons Institute of Physics (IOP), Laser Physics Letters (год публикации - 2025)

19. Мажирина Ю.А., Мельников Л.А. К теории квантовых флуктуаций в волоконных лазерах с синхронизацией мод Материалы международного семинара по волоконным лазерам-2024, г. Новосибирск (год публикации - 2024)
DOI:10.31868/RFL.2024.24-25

20. Разуков В.А., Мельников Л.А., Купцов П.В. Ляпуновские схемы динамических режимов волоконного кольцевого резонатора Материалы Международного семинара по волоконным лазерам - 2024, г. новосибирск, Материалы Международного семинара по волоконным лазерам - 2024, с. 47-48 (год публикации - 2024)
DOI:10.31868/RFL.2024.47-48

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведено моделирование распространения и распада многосолитонных импульсов с учетом векторного характера напряженности электрического поля. Линеаризированная теория квантовых флуктуаций [1,2] адаптирована для расчета корреляции числа фотонов в оптических импульсах, получаемых за счет разделения многосолитонного импульса в волокне с периодическим изменением дисперсии и модовым двулучепреломлением. Проведен анализ разделения векторных солитонов в волокне с периодической модуляцией дисперсии. Исследовано разделение импульсов и возникновние межимпульсных квантовых корреляций в модели солитонов Манакова при наличии начального чирпа, в Модели солитонов Манакова при наличии периодического изменения дисперсии, в двухмодовой модели связанных уравнений Шредингера, описывающих распространение импульсов в волокне с двулучепреломлением. Для вычисления параметра запутанности двух световых импульсов солитона в оптическом волокне предложено использование дискретного представления классической части поля. Показано, что два солитонных импульса в оптическом волокне, которые были получены в результате деления двухсолитонного бризера в волокне с периодической дисперсией, запутаны, параметром запутанности является информация Шмидта, рассчитанная для системы с непрерывными переменными. Было показано, что перепутывание сохраняется во время распространения пары импульсов в оптическом волокне на большом расстоянии, около 1000000 дисперсионных длин. Информация Шмидта рассчитана для различных режимов распространения двух одиночных импульсов в волокне в зависимости от параметров импульса: амплитуд, сдвигов частоты, фаз и временных сдвигов максимумов импульсов Также разработана методика и выполнен расчет параметров квантовых флуктуаций импульсов, генерируемых в волоконных лазерах с синхронизацией мод или в нелинейных волоконных кольцевых резонаторах. Так как последовательность импульсов может быть представлена как результат интерференции полей продольных мод, амплитуда которых определяется формой импульса, то квантовые флуктуации связываются с флуктуациями амплитуд и фаз продольных мод. Используя стандартное квантование модовых осцилляторов, удается записать выражения для источников флуктуаций амплитуды и фазы для каждой продольной моды, причем фазовые флуктуации вычисляются по амплитудным с использованием соотношений Гейзенберга: энергия-время(фаза). Предполагалось, что флуктуации амплитуд мод подчиняются распределению Пуассона. Для фазовых флуктуаций предполагалось равномерное распределение. Источники флуктуаций во временной области получаются при помощи обратного дискретного преобразования Фурье. Для импульса гауссовой формы получено явное выражение для функции источников, которое использовано для оценки флуктуаций параметров sech-импульса (числа квантов, времени максимума, чирпа и фазы). Это выражение является инвариантным к параметрам импульса и может быть применено к любой лазерной системе. генерирующей импульсы такой формы. Данный метод расчета можно также применять к другим системам, генерирующим импульсы в виде гиперболического секанса и импульсы с другим профилем. При изучении возможных протоколов передачи данных предложена и подробно описана схема измерений, которая обеспечивают прямое, полное, восстановление с одним значением, всех параметров поляризационных бифотонных состояний (кутритов) общего вида. Важным элементом схемы является предлагаемое использование фазовой пластины \lambda/8 для предварительного преобразования кутрита. Экспериментальная реализация описанной схемы измерений дает хорошую перспективу использования в реальных системах. Измерены спектрограммы импульсов на выходе из волокна с периодической дисперсией с использованием FROG системы. Разработана оптико-физическая схема генерации коротких световых импульсов с большой частотой повторения на основе непрерывного волоконного лазера с волокном, сохраняющим поляризацию, с длиной волны 1550 нм с мощностью 5 Вт с узким спектром и волоконного кольцевого резонатора с длиной периметра около 3 м, также с из волокна с сохранением поляризации, что дает частоту повторения импульсов около 100 МГц. Непрерывное излучение в волоконном кольце из-за модуляционной неустойчивости преобразуется в последовательность импульсов, когда гармоника частоты биений продольных мод совпадает с частотой модуляции из-за модуляционной неустойчивости. Это приводит к генерации последовательности солитонных импульсов. Разработан и изготовлен лазер и кольцевой резонатор в НПО Solitonphotonics(https://solitonphotonics.com). Схема установки показана на Рис.2. дополнительных материалов. Импульсы регистрировались высокоскоростным фотоприемником с полосой 10 ГГц и наблюдались на осциллографе Infinum Agilent c полосой 13 GHz и частотой семплирования 5 GHz, что позволяло регистрировать форму импульсов. Проведены предварительные эксперименты по исследованию такой системы, в частности изучены режимы работы в зависимости от мощности вводимого в резонатора излучения. Кроме того, исследовались спектрально-корреляционные свойства пар импульсов, генерирующихся в волокне с периодически изменяющейся дисперсией. Задающим генератором импульсов служил UOC Pritel, генерирующий импульсы длительностью ~1 пс с частотой повторения 5-14 ГГц. Затем это излучение усиливалось в волоконном усилителе, и поступало на вход волокна с периодически изменяющейся с периодом порядка 100 м диаметром, а следовательно и дисперсией. Получившиеся пары импульсов анализировались устройством типа IQFROG (Coherent Solution). Получены спектрограммы для различных режимов. Для исследования стабильности режимов генерации в волоконном кольцевом резонаторе проведена работа по численному анализу динамики на основе вычисления Ляпуновских показателей. В результате получена карта динамических режимов(показана в дополнительном материале), в которой определены области стабильной генерации, периодических осцилляций параметров импульсов и хаотических режимов на плоскости параметров: интенсивность накачки и отстройка частоты резонанса и частоты поля накачки.

Публикации

Возможность практического использования результатов
результаты работы могут быть использованы для разработки прототипа квантово-защищенной волоконно-оптической линии связи