Мы используем cookie файлы.
Пользуясь сайтом, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Приглашенный ученый Турицын Сергей Константинович Великобритания, Россия
Номер договора
14.B25.31.0003
Период реализации проекта
2013-2017

По данным на 30.01.2020

44
Количество специалистов
66
научных публикаций
23
Объектов интеллектуальной собственности
Общая информация

Работа ученых лаборатории направлена на разработку широкой физической платформы для новейших нелинейных технологий и систем фотоники с применениями в телекоммуникационных, лазерных, медицинских и сенсорных технологиях. Лаборатория занимается разработкой новых концепций и технологий нелинейной фотоники, новых элементов и конфигураций волоконных лазерных систем, новых передовых методов высокопроизводительного моделирования, новых концепций нелинейной обработки оптических сигналов в оптических линиях связи,  новейших модуляционных форматов с учетом свойств нелинейных волоконных каналов.

Название проекта: Физическая платформа нелинейных фотонных технологий и систем

Приоритет СНТР: а


Цели и задачи

Направления исследований: Нелинейная фотоника, лазерная физика, оптические коммуникации

Цель проекта: Создание платформы для нелинейных систем фотоники, включающей, как новейшие концепции сверхдлинных волоконных лазеров и диссипативных солитонов с управляемой дисперсией, так и практический дизайн и инженерные решения для прикладных лазерных, телекоммуникационных, медицинских и сенсорных систем, с целью значительного продвижения за рамки существующих нелинейных теорий и подходов

Практическое значение исследования

Научные результаты:

  • Разработаны методы моделирования лазерной генерации и пространственного управления нелинейностью в применении к импульсным волоконным лазерным системам, алгоритмы для объемной численной оптимизации волоконных лазерных систем с нетривиальным волоконным резонатором, новые методы детектирования сигнала, позволяющие снизить количество ошибок на 20–30%, метод управления нелинейной эволюцией импульсов внутри резонатора и получения генерации импульсов различной длительности, знака и величины фазовой модуляции (чирпа), метод регенеративной активной синхронизации мод в волоконном лазере, метод увеличения эффективности нелинейного преобразования частоты на величину до 20–30%.
  • Показана необходимость учета влияния начального распределения поля при моделировании волоконных лазеров с длинным и сверхдлинным резонатором для поиска всевозможных аттракторов (метод моделирования).
  • Получена формула, описывающая зависимость энергии от длины резонатора для одноимпульсных режимов в длинных волоконных лазерах (закон масштабирования энергии).
  • Разработана новая архитектура длинных волоконных лазеров, обеспечивающая два типа синхронизации мод и вариацию дисперсии резонатора для управления формой и шириной генерируемых импульсов (схема).
  • Проведена оптимизация свойств насыщающихся поглотителей на основе углеродных нанотрубок, что позволило получить импульсную лазерную генерацию с относительно высоким уровнем мощности в задающем генераторе (экспериментальный образец лазера).
  • Определены возможности и ограничения слабонелинейной компрессии лазерных импульсов с положительной частотной модуляцией (чирпом) в волокнах с аномальной дисперсией. Теоретически и экспериментально найдены значения предельных мощностей излучения, ниже которых возможно сжатие импульсов до предела Фурье. Найдено значение оптимальной длины волокна для сжатия импульсов с надкритическим уровнем мощности (формулы/законы).
  • Установлено, что двухмасштабные лазерные импульсы обеспечивают более высокую эффективность нелинейно-оптических преобразований, что связано с наличием в структуре таких импульсов фемтосекундных составляющих (суб-импульсов) с высоким уровнем пиковой мощности (схема).
  • Разработана схема пространственно-частотного однородного усиления с вариацией мощности менее 3дБ на 100 км.
  • Определены оптимальные параметры дисперсии резонатора тулиевого лазера. Получена нелинейная зависимость энергии импульса от длины резонатора.
  • Введены новая математическая модель и эффективные параллельные вычислительные алгоритмы для моделирования распространения лазерного излучения в многоядерных оптических волокнах.
  • Разработан импульсный полностью волоконный тулиевый лазер с оригинальной гибридной NALM-NOLM схемой с модуляцией добротности за счет насыщающегося поглотителя на основе полимерного композита и углеродных нанотрубок с рекордно высоким уровнем выходной мощности для лазеров данного типа.
  • Продемонстрирована импульсная генерация в волоконном лазере со случайной распределенной обратной связью. За счет вставки в резонатор графенового фильтра и вращателя поляризации, лазер генерировал импульсы длительностью 900 пс с широкой перестройкой (свыше двух порядков величины по длительности импульсов и трех порядков величины по частоте повторения).
  • Разработаны и изготовлены новые конфигурации насыщающихся поглотителей на основе углеродных нанотрубок и вытянутого оптического волокна. Продемонстрирован эффект насыщающегося поглощения при распространении оптического излучения по волокну. Получена импульсная лазерная генерация в волоконных лазерах с использованием собранных образцов.
  • Предложена и исследована новая схема схерхдлинного волоконного ИК-лазера – адиабатический солитонный лазер, синхронизация мод в котором осуществляется с помощью насыщающегося поглотителя на основе одностенных углеродных нанотрубок. Главной особенностью предложенной схемы лазера является использование длинного участка стандартного одномодового световода в качестве активной среды, усиление сигнала в котором осуществляется с помощью двухкаскадного ВКР-преобразования излучения. Схема обеспечивает равномерное адиабатическое усиление сигнала вдоль световода; энергия сигнала в предложенной схеме превышает энергию сигнала, достижимую в традиционных солитонных лазерах.
  • Продемонстрировано, что увеличение длины линии связи ведет к увеличению коэффициента ошибок. Показано, что минимальный коэффициент ошибок достигается в схеме ультрадлинного лазера с распределенным ВКР-усилением при коэффициенте отражения «входной» брэгговской решетки на длине волны Стоксова сдвига, равном 0.05, вследствие подавления переноса шумов. Показано, что использование для передачи информации в схеме ультрадлинного ВКР-лазера волокон с высокой дисперсией приводит к уменьшению процесса переноса шумов и, следовательно, к уменьшению коэффициента ошибок.
  • Разработан волоконный ВКР-лазер для терапии раковых клеток. Разработанный лазер обеспечивает импульсную генерацию с шириной спектра генерации 8 нм в районе 1270 нм, длительностью импульсов 180 пс, частотой следования 18,7 МГц, средней мощность 100 мВт, пиковой мощностью 26 Вт, энергией импульса 5,3 нДж.
  • Установлено, что наибольший стимулирующий эффект лазерного воздействия проявляется в митоген-стимулированных клеточных культурах. При этом как на уровне средних, так и медианных значений прослежена зависимость стимулирующего эффекта и усиления КонА-индуцированной пролиферации МНК от мощности лазерного воздействия.
  • Разработан метод кодирования, позволяющий снизить количество символов, наиболее чувствительных к воздействию нелинейных искажений. Получено существенное снижение частоты ошибок (по меньшей мере в два раза) при кодировании и реалистичной разнице между ошибками в символах с малой амплитудой и с большой амплитудой. Для применения метода необходима предварительная оценка оптимальной энтропии для каждой конкретной статистики ошибок, что достигается с использованием теоретических результатов, полученных в работе.
  • На основе OFDM предложен новый способ передачи информации по оптической линии для случая дискретного солитонного спектра, использующий не последовательность отдельных модулированных 1-солитонных решений, а общее N-солитонное решение НУШ, параметры которого несут кодированную информацию, причем таким образом, что она может быть кодирована и декодирована с помощью сочетания быстрого преобразования Фурье и нелинейного преобразования Фурье. Описаны основные принципы нового подхода, названного солитонным OFDM (SOFDM), а также возникающие при его имплементации проблемы. Приводятся перспективы, проблемы, оценки скорости передачи информации и некоторые результаты численного моделирования SOFDM. Созданы прототипы двух волоконных лазерных систем: импульсной системы с синхронизацией мод излучения и непрерывной системы, используемой в качестве базовой для получения режимов модуляции добротности и синхронизации мод.
  • Показано, что в волоконных лазерах использование эффекта нелинейного спектрального сжатия позволяет повысить спектральную яркость сигнала по сравнению с системами, в которых используются оптические фильтры, а также позволяет избежать дополнительных потерь на оптических фильтрах либо сократить уровень таких потерь.
  • Предложены новые схемы волоконных лазеров с использованием эффекта нелинейного спектрального сжатия для компенсации внутрирезонаторного нелинейного уширения сигнала.
  • Показано, что устойчивость спектра при распространении на большие расстояния может быть использована для подавления нелинейных эффектов, которые являются основными ограничивающими факторами для роста пропускной способности и скорости передачи данных в современных волоконных линиях связи.
  • Разработана и исследована новая высокоэффективная феноменологическая модель двухмасштабных импульсов, позволяющая существенно (вплоть до 2-3 порядков величины) повысить эффективность моделирования применений двухмасштабных лазерных импульсов по сравнению с используемым в настоящее время для этой цели модели на основе обобщенного нелинейного уравнения Шрёдингера. Предложенная модель обеспечивает адекватное описание временных и спектральных свойств двухмасштабных импульсов, а также корректно описывает корреляцию близких продольных мод в оптическом спектре генерации.
  • Предложена и исследована усовершенствованная модель аддитивного шума, дающая согласие с экспериментальными наблюдениями в том числе по высоте пика и пьедестала АКФ двухмасштабных импульсов.
  • Выполнена экспериментальная характеризация режимов генерации одно- и двухмасштабных лазерных импульсов по уровню флуктуаций энергии и временной нестабильности следования импульсов на основе исследования радиочастотного спектра волоконного лазера. Показано существенное отличие уровня флуктуаций в различных режимах. Предложен простой метод дифференциации режимов генерации в эксперименте на основе автоматического анализа радиочастотного спектра лазера без использования дополнительных более сложных измерений.
  • Получены и исследованы новые режимы генерации двухмасштабных импульсов с рекордно высоким уровнем энергии (до 12 мкДж и выше) для волоконных лазеров без дополнительных каскадов внерезонаторного усиления. Выполнен анализ новых перспективных применений двухмасштабных импульсов; выявлены актуальные приложения, в которых использование двухмасштабных импульсов более эффективно по сравнению с «обычными» полностью когерентными лазерными импульсами.
  • Исследована возможность использования эффекта Керра для синхронизации мод излучения волоконного лазера. Разработана схема кольцевого волоконного лазера с оптической системой, в которой эффект Керра модулирует потери внутри резонатора, выполнен расчет параметров схемы и оптимизация на основе экспериментальных измерений. Выявлены возможности обеспечения самостарта лазера. Построена численная модель оптической системы, включающая материал с высоким показателем нелинейного коэффициента преломления для модуляции потерь внутри волоконного резонатора. Показана важность учета эффекта двухфотонной абсорбции. В результате апробации установлено, что наиболее перспективной конфигурацией волоконного лазера с синхронизацией мод на эффекте Керра является кольцевой волоконный резонатор с компенсацией дисперсии, содержащий оптическую систему с кристаллом As20Se40.
  • Предложено использовать общее N-солитонное решение НУШ для передачи информации по оптической линии с ядром GLME в качестве носителя кодированной информации. Выявлено наличие относительно сильного ограничения на число отсчетов (менее 100) и связанное с ним ограничение на размер информационного сообщения в данном методе.
  • Предложен новый, непараметрический, метод модуляции – солитонный OFDM (SOFDM), не имеющий ограничений на размер информационного сообщения. Метод основан на выборе постоянной мнимой части собственных чисел дискретного спектра солитонов. При этом частоты N-солитонного решения выбираются эквидистантно, что позволяет применить схему OFDM для восстановления данных рассеяния с помощью быстрого преобразования Фурье.
  • Разработаны и исследованы методы управления нелинейностью в нелинейном петлевом зеркале (НПЗ) волоконного задающего генератора. Новые методы основаны на использовании в НПЗ двух отрезков активного волокна с независимыми электронно-управляемыми модулями оптической накачки, позволяющими управлять асимметрией НПЗ за счет изменения пространственного профиля усиления внутри НПЗ, а также на использовании одного отрезка активного волокна внутри НПЗ с управлением внутрирезонаторной мощностью излучения вне НПЗ. На основе предложенных методов были разработаны новые схемы импульсных волоконных задающих генераторов, обеспечивающие самостарт генерации, стабильность работы, плавное управление параметрами генерируемых импульсов и переключение режимов генерации (с возможностью получения одно- и двухмасштабных импульсов на выходе из лазера), возможность получения рекордных (для данного класса задающих генераторов без использования дополнительных каскадов внерезонаторного усиления) уровней энергии импульсов в сверхдлинных волоконных резонаторах.
  • Установлено, что величина фазовой задержки резонанса КПН увеличивается с ростом частоты сканирования резонанса КПН и при высоких частотах стремится к значению pi/2. Продемонстрирован линейный рост спектральной чувствительности резонанса КПН при частотах сканирования резонанса КПН от 1 кГц и выше. Показано наличие оптимума вблизи значений частоты модуляции 2 кГц и амплитуды модуляции 2 кГц при синхронном детектировании резонанса КПН в бихроматическом возбуждающем поле. Найденные оптимальные значения частоты и амплитуды модуляции соответствуют наибольшему наклону сигнала ошибки и, следовательно, наилучшей стабильности устройства на основе резонанса КПН. Впервые дано описание качественных изменений формы регистрируемого резонанса КПН: появление осцилляций на заднем склоне. Установлено, что частота данных осцилляций в точности совпадает с величиной двухфотонной отстройки в момент формирования осцилляций.
  • Разработана новая теоретическая модель для численного расчета различных вариантов последовательностей импульсов бихроматического поля (стандартная схема с двумя импульсами, нестандартная схема со вторым композитным импульсом, бесконечная периодическая последовательность импульсов). Достигнута частотная стабильность 2×10-13 за 40000 секунд. Разработан и апробирован новый метод увеличения контраста резонанса КПН c применением обратной связи, а за счет быстрой цифровой обработки сигнала ошибки в петле обратной связи данные схемы были улучшены. Новый метод контрастирования резонанса КПН при мощности излучения накачки в 100 мкВт позволил увеличить контраст резонанса КПН на два порядка величины с 1% до 108%, и в 25 раз в динамическом режиме.

Внедрение результатов исследования:

Созданы прототипы коммерческих волоконных задающих генераторов с пассивной синхронизацией мод излучения. Разработки внедряются ООО «Техноскан – Лаб» (г. Новосибирск).

Образование и переподготовка кадров:

  • Защиты: 2 докторские диссертации, 11 кандидатских диссертаций, 10 выпускных квалификационных работ магистра и бакалавра.

  • Разработаны и внедрены следующие лекционные учебные курсы: «Дополнительные главы высшей математики», «Основы вычислительной физики» (бакалавриат); «Нелинейная фотоника 1», «Нелинейная фотоника 2» (магистратура), а также 8 курсов повышения квалификации: «Системы и технологии современной фотоники. Технологическое предпринимательство», «Современные мировые тренды фотоники и оптоинформатики. Мировой рынок фотоники», «Технологические инновации фотоники. Коммерциализация наукоемких разработок», «Индустриальная фотоника. Экономическая основа высоких технологий фотоники», «Фотоника и оптоинформатика как среда инновационного развития. Управление наукоемкими инновациями», «Современные технологии фотоники для бизнеса. Инвестиционно-технологические подходы и платформы», «Технологическое брокерство. Продвижение технологий фотоники на рынок».

  • Разработано два учебных пособия: «Основы вычислительной физики. Часть 1» (С. В. Смирнов, РИЦ НГУ, Новосибирск, 2015, 113 с., ISBN 978-5-4437-0429-6) и «Основы вычислительной физики. Часть 2» (С.В. Смирнов, ИПЦ НГУ, Новосибирск, 2017, 104 с., ISBN 978-5-4437-0677-1).

Организационные и инфраструктурные преобразования:

Создана Стратегическая академическая единица (Центр) «Нелинейная фотоника и квантовые технологии НГУ».

Сотрудничество:

Астонский университет (Великобритания), ООО «Техноскан – Лаб» (Россия): совместные публикации, повышение квалификации сотрудников лаборатории

Скрыть Показать полностью
Churkin D.V., Sugavanam S., Tarasov N., Khorev S., Smirnov S.V., Kobtsev S.M., Turitsyn S.K.
Stochasticity, Periodicity and Localized Light Structures in Partially Mode-Locked Fibre Lasers. Nature Communications 6: 7004 (2015).
Turitsyn S.K., Bednyakova A.E., Fedoruk M.P., Papernyi S.B., Clements W.R.
Inverse Four-Wave Mixing and Self-Parametric Amplification in Optical Fibre. Nature Photonics 9: 608–614 (2015).
Turitsyn S.K., Babin S.A., Churkin D.V., Vatnik I.D., Nikulin M., Podivilov E.V.
Random Distributed Feedback Fibre Lasers. Physics Reports 542(2): 133–193 (2014).
Turitsyna E.G., Smirnov S.V., Sugavanam S., Tarasov N., Shu X., Babin S.A., Podivilov E.V., Churkin D.V., Falkovich G., Turitsyn S.K.
The Laminar-Turbulent Transition in a Fibre Laser. Nature Photonics 7(10): 783–786 (2013). Сотрудничество:
Фотоальбомы
Вторник , 03.12.2019
Другие лаборатории и ученые
Лаборатория, принимающая организация
Область наук
Город
Приглашенный ученый
Период реализации проекта
Современная гидродинамика

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау Российской академии наук

Физика

Черноголовка

Фалькович Григорий Евсеевич

Израиль, Россия

2019-2021

Лаборатория химической физики f-элементов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова"

Физика

Москва

Квашнина Кристина Олеговна

Франция, Россия

2019-2021

Лаборатория анализа данных физики высоких энергий

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет»

Физика

Томск

Цыбышев Дмитрий Евгеньевич

Россия

2018-2020