Учёные Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского изучают типы дисперсии оптических вихрей и способы их подавления. Это позволит увеличить скорость передачи информации по оптоволокну на большие расстояния.
О проекте на эту тему рассказывает заместитель директора Физико-технического института по научной и инновационной деятельности Максим Яворский.
Исследование проводится при поддержке Российского научного фонда.
В чём суть Вашего проекта?
— На нашей предыдущей встрече, когда мы говорили об оптических вихрях, об информационных технологиях нового поколения, мы обсуждали, что у оптических вихрей есть дополнительное свойство – степень свободы, как говорят физики. Это – угловой момент. Он связан с вращением энергии. Если вы смотрите вдоль пучка лазера, то эта энергия может вращаться либо по часовой стрелке, либо против неё, при этом ещё и с разной скоростью. И у вас есть возможность на этом вращении энергии кодировать дополнительный объём информации. В результате, через одно волокно можно передавать информацию как стандартными способами (в частности, домашний интернет через оптоволокно), так и дополнительными – информацию, закодированную в орбитальном моменте. Над этим мы работаем. И мы сталкиваемся с тем, что эти оптические вихри являются неустойчивыми. Если, к примеру, вы сильно согнёте волокно, то ничего не произойдёт, информация «побежит» дальше, а вот оптический вихрь может разрушиться. Для того чтобы стабилизировать его, сделать устойчивым по отношению к таким воздействиям, приходится придумывать особые типы волокон – скрученные. Данную задачу мы решили в предыдущие десятилетия нашей деятельности. Мы предложили целый ряд таких оптических волокон, среди которых пучки с орбитальным моментом являются устойчивыми. Тем не менее как нередко в науке бывает? Вы решаете одну задачу, тем не менее это решение порождает ряд новых проблем. Они имеют возможность быть более мелкими, тем не менее они всё равно есть, и с ними требуется что-то делать. И эта проблема называется дисперсией. Объяснить это на пальцах на самом деле достаточно сложно, я приведу очень грубую аналогию. Информация в волокнах распространяется в виде импульсов, то есть последовательностью энергетических пучков. Допустим, нет распространения – это логический нолик, как в компьютере; есть импульс, свет, вспышка – это логическая единичка. И вы кодируете информацию последовательностью таких импульсов: вспышка – пауза – вспышка – пауза (0101). Вы на вход волокна подаёте последовательность таких вспышек. А когда информация попадает в волокно и распространяется, эти вспышки меняют свою длительность. Свет, который длился, к примеру, одну наносекунду, может взять и увеличиться в десять раз, то есть, будет длиться десять наносекунд. И что тогда случится? Представьте, что у нас есть всего два импульса, и вы их подали на вход. Каждый длился наносекунду, и между ними была наносекунда перерыва. А после того, как они «побежали» по волокну, каждый из этих импульсов стал в десять раз шире. Что с ними произошло? Они наложились друг на друга. Больше нет нормальной паузы между вспышками. И человек на другом конце волокна, который поставил, к примеру, обычную веб-камеру, видит просто засветку, так как информация таким образом искажается. Это я попытался описать суть явления дисперсии. Тем не менее почему импульс расширяется? В детали я вдаваться не буду, тем не менее любые возмущения внутри волокна, например, те, которые мы туда специально ввели, чтобы сделать вихри устойчивыми, приводят к такому расширению, наложению вихревых импульсов друг на друга и невозможности нормально считать информацию. И это практическая проблема, которая связана с тем, как реально применять эти волокна.
В рамках гранта мы поставили задачу, во-первых, последовательно описать виды дисперсии, которые появляются именно для оптических вихрей, так как до этого нам были известны виды дисперсии только для фундаментальной моды. Она гораздо проще устроена, у неё нет орбитального момента, и есть всего один вид дисперсии. А в случае с оптическими вихрями, как оказалось, возникает три типа дисперсии, и каждый тип ведёт себя по-разному в волокне. И мы исследуем данную задачу, подбираем параметры волокна (шаг скрутки, величину приплюснутости поперечного сечения, материал). Весь данный комплекс параметров определяет дисперсию. Наша задача – исследовать, как эти параметры влияют на дисперсии вихрей; узнать, можно ли подобрать в реальных волокнах такие параметры, чтобы эти дисперсии минимизировать, а в идеале – сделать равными нулю.
Какие этапы уже пройдены?
— Мы рассматриваем различные типы волокон и дисперсию в них. Так, мы показали, что если в волокне есть так называемые крутильные напряжения, то появляются вращательные деформации, которые хороши тем, что делают вихри устойчивыми, а это то, что требуется нам для передачи информации на большие расстояния. При этом мы показали, что в таких волокнах можно подобрать вид химических добавок, их концентрации, степень скрутки, при которых эти три вида дисперсии, про которые мы говорили выше, становятся существенно меньше, чем в волокнах без напряжения. В результате, скруткой мы можем и стабилизировать вихрь, и подавить эти три вида дисперсии, которые появляются между вихревыми пучками. Это положительный прикладной результат, который можно проверять в лаборатории на оптическом столе, чтобы понять, что такие волокна и вправду подходят для задач информационных технологий. Это была стадия фундаментального исследования, которая включила теоретический расчёт, численное моделирование на компьютере.
Какие работы ещё планируется выполнить?
— Запланирована ещё часть исследований, которые также будут носить теоретический и фундаментальный характер. Мы как физики-теоретики, исследуя модели волокон, абстрагируемся от каких-то свойств реальных объектов и учитываем только первоочередное их свойство. И требуется ещё проверить, что то, чем мы пренебрегаем, и вправду можно откинуть. Может оказаться, что его также надо учитывать. Следующий шаг – это анализ более сложных моделей волокон, которые ближе к реальности. Там мы будем учитывать и дополнительные факторы, к примеру, оптическую анизотропию материала – всё то, что в той или иной степени присутствует в реальных волокнах особенно большой длины. Наша задача – сначала убедиться, что и в этих волокнах предложенные нами методы оптимизации и минимизации дисперсии также работают. Уже потом мы сможем проводить исследования с реальными волокнами. У нас есть лаборатория волоконной оптики, которая позволяет это делать.
Насколько уникально это направление?
— Это, разумеется, очень развитое направление исследований в мире и у нас в стране, тем не менее именно волоконные технологии на оптических вихрях – изюминка наших исследований. Здесь, я бы сказал без лишней скромности, мы занимаем лидирующие позиции.
Где имеют возможность применяться результаты Ваших исследований?
— Вся эта работа направлена на решение комплексной задачи – перехода на современные технологии передачи данных нового поколения. И в этом гранте мы смотрим на волокно как на среду, передающую информацию на многие километры, и пробуем увеличить скорость этой передачи. А в другом гранте мы разрабатываем новые методы работы с более сложными оптическими волокнами: как вихрь генерировать, как быстро управлять его параметрами. И общая технология увеличения скорости передачи данных должна содержать все эти элементы.
Узнать больше о втором грантовом исследовании можно по ссылке: https://dzen.ru/a/ZctIcPIOI0OGWk71
При подготовке статьи были использованы материалы: Пресс-службы КФУ
