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 данную 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. Таким образом, через одно волокно можно передавать информацию как стандартными способами (например, 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, например, 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. Эту задачу мы решили в предыдущие десятилетия нашей деятельности. Мы предложили целый ряд таких оптических волокон, в которых пучки с орбитальным моментом являются устойчивыми. Но как часто в науке бывает? Вы решаете одну проблему, но это решение порождает ряд новых проблем. Они могут быть более мелкими, но они всё равно есть, и с ними нужно 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, например, 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, например, обычную веб-камеру, видит просто засветку, поскольку информация таким образом искажается. Это я попытался описать суть явления дисперсии. Но почему импульс расширяется? В детали я вдаваться не буду, но любые возмущения внутри волокна, в частности, 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, связанная с тем, как реально использовать эти волокна.

В рамках гранта мы поставили задачу, во-первых, последовательно описать виды дисперсии, которые возникают именно для оптических вихрей, поскольку 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 эту задачу, подбираем параметры волокна (шаг скрутки, величину приплюснутости поперечного сечения, материал). Весь этот 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 возникают вращательные деформации, которые хороши тем, что делают вихри устойчивыми, а это то, что нужно 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, о которых мы говорили выше, становятся значительно меньше, чем в волокнах без напряжения. Таким образом, скруткой мы можем и стабилизировать вихрь, и подавить эти три вида дисперсии, которые возникают между вихревыми пучками. Это положительный прикладной результат, который можно проверять в лаборатории на оптическом столе, чтобы понять, что такие волокна действительно 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 основное их свойство. И нужно ещё проверить, что то, чем мы пренебрегаем, действительно можно откинуть. Может оказаться, что его тоже надо учитывать. Следующий шаг – это анализ более сложных моделей волокон, которые ближе к реальности. Там мы будем учитывать и дополнительные факторы, например, 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 тоже работают. Уже затем мы сможем проводить исследования с реальными волокнами. У нас есть лаборатория волоконной оптики, которая позволяет это делать.

Насколько уникально это направление?

— Это, конечно, очень развитое направление исследований в мире и у нас в стране, но именно волоконные технологии на оптических вихрях – изюминка наших исследований. Здесь, я бы сказал без лишней скромности, мы занимаем лидирующие позиции.

Где могут 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 пытаемся 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