14.584.21.0014

Целью проекта является разработка экспериментальных методов характеризации временной и спектральной эволюции в динамических режимах генерации и распространения света в длинных волоконных системах. Такие методы характеризации, вкупе со созданным программным комплексом моделирования временной и спектральной динамики в длинных волоконных системах позволят экспериментально и теsоретически обнаружить такие режимы и выявить особенности распространения и генерации в них. Понимание физических основ возникновения нелинейных динамических временных и спектральных режимов в различных длинных волоконных системах, в том числе в распределенных волоконных лазерах со случайной распределенной обратной связью и распределенных сенсорных системах, важно для практических применений в линиях передачи данных и линиях распределенного мониторинга распределенных объектов в нефтегазовой, строительной, железнодорожной отраслях.
Основной задачей проекта является разработка методов характеризации нелинейных режимов генерации и распространения света в длинных распределенных волоконных системах и исследование таких режимов для последующего их практического применения.

Объем передачи данных по современным телекоммуникационным линиями связи неизменно растет, что связано в первую очередь с ростом предложения он-лайн стриминговых видео-, музыкальных сервисов, бурным развитием рынка мобильных приложений и цифровых услуг в каждом сегменте бизнеса. Удовлетворение растущего спроса достигается, в частности, за счет увеличения пропускной способности волоконно-оптических линий связи с помощью целого набора технологий. Текущая пропускная способность подходит к пределу, когда существенную роль начинает играть нелинейная динамика распространения сигнала по длинным волоконным системам. Это, с одной стороны, может приводить к нелинейным искажениям, что может ограничивать объем передаваемых данных, с другой стороны появляются потенциальные возможности по управлению нелинейной динамикой, что может расширить возможности современных линий связи и увеличить их пропускную способность.
Вопросы управления нелинейной динамикой распространения излучения в длинных волоконных системах в первую очередь связаны с наличием адекватных методов характеризации такой нелинейной динамики.
При распространении по длинным волоконным системам в нелинейных режимах может изменяться медленным эволюционным образом не только временная динамика, но и оптический спектр излучения (вдоль физической координаты вдоль волокна).Современные анализаторы оптического спектра не имеют ни достаточного разрешения по частоте, ни достаточного быстродействия для характеризации нелинейных режимов распространения. Таким образом требуется разработка и методов характеризации спектральной динамики в нелинейных режимах.

Во-первых, в рамках проекта развиваются  экспериментальные методы, позволяющие проводить регистрацию не только временной динамики излучения, но и изменения интенсивности вдоль медленной эволюционной координаты (физической координаты вдоль волокна) одновременно. Такая эволюционная карта излучения, в которой масштаб  по быстрой временной и медленной эволюционной координатам отличается на 5-7 порядков величины, позволяет выявлять внутренние закономерности в нелинейных режимах генерации при распространения вдоль длинных волоконных систем.  Для этого использованы методы кросс-корреляционного анализа в экстремально длинных временных динамиках излучения, регистрируемых в режиме реального времени, и последующего разложения экспериментальных динамик на сегменты, соответствующие различным периодам долговременных корреляций. Далее, разрабатываются методы характеризации эволюции спектра в таких режимах. Для этого используются различные методы перевода оптического спектра во временную динамику, в частности методы сканирующих интерферометров, методы гетеродинирования, и последующее измерение эволюционных карт такой временной динамики и извлечения из нее спектральной информации. Спектральная эволюционная карта совместно с временной эволюционной картой позволяют определить физические механизмы возникновения таких режимов и возможности управления ими.

 

Задача экспериментального обнаружения динамических нелинейных временны и спектральных режимов в длинных распределенных волоконных системах решаются с помощью создания макетов волоконных распределенных лазеров с различными параметрами и допускающих работу в различных нелинейных динамических режимов. Излучение таких лазеров характеризуется с помощью разработанных методов, получаются их временные и спектральные эволюционные карты излучения.

 

Другим важным направлением работ в рамках данного проекта является разработка программного комплекса по численному моделированию нелинейных спектральных и временных режимов генерации и распространения света в длинных волоконных системах и построению эволюционных карт временной и спектральной динамики. Возможность изменения параметров системы (нелинейный и дисперсионный коэффициенты, длина, мощность, наличие/отсутствие распределенного усиления, наличие/отсутствия случайной распределенной обратной связи, наличие/отсутствие вводимого фазового беспорядка) позволяет последовательно выяснить физические механизмы возникновения того или иного нелинейного режима. Кроме того, с помощью программного комплекса возможны оптимизация нелинейных режимов генерации и распространения, а также определения параметров систем для получения заданных режимов с желаемыми свойствами и последующая экспериментальная реализация таких систем.

 

Задачи, решаемые иностранным партнером в рамках проекта, связаны в первую очередь с практическим использованием различных распределенных волоконных систем и нелинейных режимов генерации и распространения в них в индустриальных применениях. Работы иностранного партнера будут сфокусированы на исследовании различных типов распределенных сенсорных систем на основе распределенных волоконных лазеров, работающих в различных нелинейных режимах, и экспериментального определения принципов применения. В рамках проекта им будут разработаны прототипы распределенных сенсорных систем длиной более 100 км.

Разработаны методы спектральной и временной характеризации динамических нелинейных режимов генерации и распространения света в длинных волоконных системах, использующие метод оптического гетеродинирования и сканирующей интерферометрии

Экспериментально обнаружены нелинейные динамические режимы в генерации солитонных волоконных лазеров, а именно динамическое изменение спектра излучения на масштабах времени порядка 100-300 времен обхода резонатора.

Экспериментально обнаружены локализованные спектральные состояния в длинном волоконном лазере с распределенной обратной связью за счет беспорядка показателя преломления; величина обратной связи за счет беспорядка показателя преломления на уровне 0.1%, ширина спектральных состояний – менее  0.05 нм.

Экспериментально обнаружены локализованные состояния в циклических волоконных системах с фазовым беспорядком; варьирование величины фазового беспорядка в пределах от 0 до 2pi.

Разработан программный комплекс математического моделирования пространственно-временной и спектральной нелинейной динамики в длинных волоконных системах, в том числе с учетом вводимого/случайного беспорядка

Методы характеризации временной и спектральной нелинейной динамики в длинных волоконных системах, соответствующее устройство характеризации и программный комплекс моделирования такой динамики в длинных волоконных системах и построения эволюционных карт временной и спектральной динамики могут быть востребована в телекоммуникационными и приборостроительными компаниями, разработчиками и производителями волоконных лазеров, волоконных сенсорных систем, систем передачи данных.
Распределенные волоконные сенсорные системы на основе волоконных распределенных лазеров, работающих в нелинейных динамических режимах, востребованы в нефтегазовой отрасли, железнодорожной отрасли, строительстве, пограничных и охранных службах.
Возможные потребители данных научных результатов – телекоммуникационные компании и компании рынка длинных распределенных сенсорных систем, как российские, так и зарубежные. Также среди потребителей следует отметить организации сектора научных исследований. По результатам проекта будет проведен цикл консультаций с представителями компаний о возможности внедрения разработанных технических решений в продукцию данных компаний.