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 25-72-31023
НазваниеНелинейные эффекты в макроскопических волновых системах и фотонных интегральных устройствах
Руководитель Гелаш Андрей Александрович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» , г Москва
Конкурс №112 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований под руководством зарубежных ведущих ученых» приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка проведения научных исследований и развития научных коллективов, занимающих лидирующие позиции в определенных областях науки»
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-402 - Нелинейные колебания и волны
Ключевые слова нелинейные волны, фотонные интегральные схемы, кремниевая фотоника, солитоны, интегрируемые системы, оптика, оптические интерконнекты, турбулентность, бифуркации, волны-убийцы, микрорезонаторы, численное моделирование
Код ГРНТИ29.27.21
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальных теоретических и экспериментальных научных проблем в области физики нелинейных волновых систем и интегральных оптических устройств с созданием технологического задела в сферах интегральной фотоники, телекоммуникаций и предсказания ветрового волнения на море. Исследования в рамках проекта призваны продемонстрировать общность теоретических подходов нелинейной физики для гидродинамических задач, волоконной оптики дальней связи и интегральной нелинейной фотоники. Будет проведен полный комплекс работ от предсказаний теории до экспериментальных исследований и создания прототипов устройств на платформах кремниевой интегральной фотоники. Междисциплинарный коллектив проекта под руководством ведущего ученого решит амбициозную технологическую задачу о разработке нелинейно-оптических устройств на кремниевой интегральной платформе и их прототипирования. Проект разделен на три взаимосвязанных направления: I–Развитие теории нелинейных волновых явлений, II– Оптоволоконные технологии, телекоммуникации и новые алгоритмы, III–Интегральные фотонные устройства.
Направление I ориентировано на получение новых фундаментальных результатов мирового уровня о динамическом и статистическом поведении нелинейных волновых систем и когерентных волновых структур. Будут рассмотрены задачи о формировании диссипативных солитонов в связанных оптических резонаторах, построено теоретическое описание оптической турбулентности в рамках модели Луджиато-Лефевра, получены новые фундаментальные результаты о статистическом поведении интегрируемых систем и вероятности формирования волн-убийц на примере модели нелинейного уравнения Шредингера, а также развит современный численно-аналитический вариант теории возмущений метода обратной задачи рассеяния и проведена верификация применимости кинетического уравнения для капиллярных и гравитационных волн.
Направление II ориентировано на разработку новых подходов к передаче информации по оптическому волокну, алгоритмов моделирования и предсказания волнового волнения на море, а также на создание новых численных алгоритмов для изучения нелинейных волновых процессов в различных системах. Будет разработан универсальный пакет программ прямой и обратной задач рассеяния интегрируемых нелинейных волновых моделей, ориентированный на исследование случайных волновых полей, а также на решение проблем управления солитонными оптическими сигналами и солитонной томографии. Кроме того, для решения ряда задач проекта будут применяться современные прямые и обратные алгоритмы физически-информированных нейронных сетей.
Направление III ориентировано на численное моделирование, дизайн и экспериментальную демонстрацию новых фотонных интегральных устройств, а также проведение фундаментальных экспериментов в области нелинейной фотоники на чипе, основанных на развитых теоретических подходах под руководством ведущего ученого. Работы в этой части проекта направлены на разработку технологических решений по проектированию и изготовлению интегральных кремниевых чипов, прототипов нелинейных фотонных устройств таких как нелинейно-оптический пороговый генератор, оптические нейроны с нелинейной функцией активации и генератор оптических частотных гребенок и солитонов.
Достижение масштабных целей и задач проекта станет возможным благодаря реализации объединённого потенциала теоретической группы и лаборатории, где новые теоретические результаты могут быть доказаны в эксперименте и доведены до прототипа. Результаты проекта приведут к созданию привлекательных условий для проведения исследований и разработок, соответствующих современным принципам организации научной, научно-технической и инновационной деятельности, а также внесут вклад в обеспечение превосходства российских научных школ в мировой научной повестке в областях национальных приоритетов.
Ожидаемые результаты
На основе теоретических результатов проекта по изучению когерентных диссипативных структур в рамках модели Луджиато-Лефевра, будут созданы новейшие компоненты интегральной фотоники, не имеющие аналогов в мире – прототипы связанных микрорезонаторов на нитриде кремния с управляемой дисперсией для генерации широких частотных гребенок с усиленными линиями, низким шумом и дополнительными возможностями стабилизации спектра. Широкая область применения таких устройств включает оптические телекоммуникации, нейроморфные фотонные вычисления, системы лазерной локации, спектроскопию, оптические синтезаторы частот и атомные оптических часы на чипе, что обуславливает высокий потенциал практического использования разработок проекта.
Будут получен ряд новых фундаментальных теоретических результатов мирового уровня по динамике и статистике нелинейных волновых систем, что внесет существенный вклад в развитие нелинейной физики и утвердит лидирующие позиции российских научных школ в этих областях. Коллективом проекта будет построена теория оптической турбулентности в рамках модели Луджиато-Лефевра на основе идентификации точно-периодических орбит, а также на основе теории и численного моделирования плотного солитонного газа. Будут получены новые фундаментальные результаты по нелинейной динамике и статистике интегрируемых волновых систем в рамках модели нелинейного уравнения Шредингера, а также предсказаны новые сценарии поведения солитонного газа в системах близких к интегрируемым. Будет построена статистическая солитонная модель развития нелинейной стадии модуляционной неустойчивости и описаны новые механизмы формирования волн экстремальной амплитуды. Также будет развит современный численно-аналитического вариант теории возмущений метода обратной задачи рассеяния и проведена верификация применимости кинетического уравнения для капиллярных и гравитационных волн. Полученные теоретические результаты позволят предсказать новые эффекты в гидродинамике и оптике, а также послужат основой разработки приложений в области солитонной томографии и новых нелинейных фотонных устройств на чипе.
Будет разработан универсальный пакет программ для численного нелинейного преобразования Фурье, ориентированный на исследование случайных волновых полей, а также на решение проблем управления солитонными оптическими сигналами. Такой пакет программ будет широко применим для исследований нелинейных волновых процессов, а также разработки приложений в области оптических телекоммуникаций. Будут разработаны новые алгоритмы прямых и обратных физически-информированных нейронных сетей для моделирования нелинейных волновых процессов и устройств. Также будет разработан полный набор программного обеспечения для вычислительного ядра симулятора современных волоконно-оптических линий связи на основе полностью суверенной программной базы. В рамках проекта будет создан программный комплекс, который в перспективе может служить основой для создания национальной вычислительной модели предсказания ветрового волнения.
В результате выполнения экспериментальных задач проекта, будет создан ряд прототипов новых продуктов интегральной фотоники ориентированных на передачу технологии в серию на отечественной фабрике.
-Будет реализован прототип нелинейно-оптического порогового генератора на КНИ или нитрида кремния;
-Будет реализован прототип интегральных структур оптических нейронов с нелинейной функцией активации;
-Будет создан генератор оптических частотных гребенок и солитонов;
Важным достижением проекта станет создание в Сколковском Институте Науки и Технологий подразделения быстрого прототипирования нелинейно-оптических интегральных устройств на основе электронно-лучевой литографии с последующей передачей технологии на фабрики на основе глубокой УФ-литографии.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Разработана модель для изучения нелинейной динамики поля в системе связанных кольцевых микрорезонаторов. С помощью данной модели были получены принципиально новые устойчивые состояния поля, реализация которых невозможна в одиночном микрорезонаторе. В частности, в системе из двух колец с аномальной и нормальной дисперсией наблюдались солитоны, которые после распада на бегущие бризеры снова собирались в один солитон. Также были найдены осциллирующие Тьюринг роллы, структура которых заметно отличается от подобных решений в одиночном резонаторе. Кроме того, моделирование решетки из четырех микрорезонаторов также показало возможность наблюдения солитонов, из чего следует, что дальнейшее масштабирование системы открывает возможность к более точной настройке свойств когерентного оптического излучения за счет увеличения степени свободы.
Исследована роль осциллирующих Тьюринг роллов в формировании волн большой амплитуды в оптических резонаторах. Показано, что по мере продвижения в область модуляционной неустойчивости максимальное усиление интенсивности волнового поля растет примерно до пяти, что ниже стандартного критерия образования волн-убийц. Определены параметры микрорезонаторов при которых возможно экспериментальное наблюдение осциллирующих Тьюринг роллов.
Получены аналитические выражения для коэффициентов чувствительности многосолитонного конденсата в рамках модели НУШ. Обнаружено, что коэффициенты чувствительности фаз и положений солитонов экспоненциально растут в процессе развития модуляционной неустойчивости конденсата. В результате, на основе метода обратной задачи рассеяния построена модель стохастизации солитонов при достижении нелинейной стадии модуляционной неустойчивости.
Создан и проверен численный код для определения всех волн-убийц, появляющихся в волновом поле. Разработан способ фитирования волн-убийц с помощью двух-солитонных столкновений общего вида. Предварительное численное моделирование модуляционной неустойчивости постоянного фона показало, что фиты с помощью двух-солитонных столкновений показывают в несколько раз меньшее отклонение от волн-убийц по сравнению со всеми другими испробованными точными решениями НУШ, т.е. динамика волн-убийц гораздо больше похожа на такие столкновения.
Получены аналитические выражения для функции отклика солитонов в случае потенциала вида Asech(x) с их последующей верификацией численным моделированием эволюции такого потенциала в рамках НУШ. Численно рассчитаны и так же верифицированы функции отклика для потенциала типа супергаусса. На основе проведённого размерностного анализа получены предсказания для экспериментов по распространению сигналов в оптоволокне при наличии возмущений.
Продемонстрировано количественное совпадение динамики различных начальных условий в рамках динамических уравнений для капиллярных волн с масштабными соотношениями выводимыми из кинетического уравнения для капиллярных волн, что является важным шагом к верификации применимости теории волновой турбулентности к капиллярным волнам.
На основе разложения Магнуса впервые получено семейство численных схем высокого порядка для решения прямой задачи рассеяния для интегрируемого одномерного уравнения Кортевега-де Вриза, используя метод обратной задачи рассеяния (МОЗР). Разработанный алгоритм демонстрирует соответствующую численную сходимость для схем второго, четвертого и шестого порядка конечно-разностной аппроксимации для волновых полей, содержащих до 128 солитонов, сгенерированных методом одевания, для корректного определения собственных значений и фазовых коэффициентов (нормировочных констант). Показано, что алгоритмы высокого порядка являются единственным способом для анализа больших волновых полей. Эффективность данного подхода была продемонстрирована на волновых полях, сгенерированных случайным образом, насчитывающих более 150 солитонов.
Показано хорошее количественное согласие эмпирических зависимостей инкрементов супергармонической неустойчивости волн Стокса от амплитуды волны для рекордных параметров соответствующих четвёртой ветви неустойчивости.
Продемонстрировано повышение порядка метода для массивно-параллельного алгоритма моделирования распространения оптических импульсов в оптоволоконных линиях связи. Предложены подходы для дальнейшего повышения порядка численного метода и модификации алгоритма при переходе к системе Манакова описывающей две поляризации.
В рамках первого этапа проекта численно и экспериментально проведены исследования линейных и нелинейных свойств микрокольцевых резонаторов (МКР) изготовленных в лаборатории плазмоники Сколтеха на платформе кремний на изоляторе (КНИ). Получены сравнимые с лучшими мировыми параметрами добротностей микрокольцевых резонаторов. Область свободной дисперсии (ОСД) резонатора составила 168.5 пм, в то время как глубина резонанса в through конфигурации составила 3 дБ, а ширина резонанса в drop-порте составила 1.52 пм, что соответствует добротности 1,04⋅10^6 и высокий контраст (finesse) 111. Для сравнения, лучшая добротность МКР на КНИ изготовленной на фабрике IMEC на 1519 нм составляет 1.38х10^6.
Оптимизирован дизайн тейперов по параметрам: высокое пропускание, компактность и простота изготовления. Показано, что высокие потери в тейперах (300-500 дБ/см) вызваны гибридизацией и связанной с ней конвертацией между TM0 модой и TE модами нечетных порядков. Гибридизация заключается в возникновении двух супермод взамен изначальных двух мод с определенной поляризацией в оптическом волноводе при определенной геометрии и длине волны. Пропускание оптимизированного тейпера, где удается избежать гибридизации, составляет -0.28 дБ.
Разработана модель стационарной нелинейности для произвольных волноводных структур. На примере кольцевого резонатора с двумя направленными ответвителями показано, что эта модель соответствует полученным в эксперименте данным. Состояния мультистабильности продемонстрированы экспериментально и численно.
Разработана методика измерения дисперсии резонансных структур нелинейных фотонных интегральных схем. Подготовлен отчет о патентных исследований. Проведены тендеры и размещены заказы по закупкам 1-го блока компонентов системы измерения дисперсии.
Предсказано формирование керровских частотных гребенок с плоским спектром в системах связанных микрорезонаторов. В таких частотных гребенках большое количество линий имеют одинаково высокую амплитуду, что может найти широкое применение в различных устройствах интегральной фотоники и телекоммуникациях.
Публикации
1. Короткевич А.О., Прокофьев А.О. Fourth branch of instability of Stokes’ wave and dependence of corresponding growth rate on nonlinearity Письма в ЖЭТФ и JETP Letters (год публикации - 2026)