Учёные Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского решают задачу по увеличению скорости работы с информацией. О проекте на тему «Новые физические механизмы управления пучками оптических вихрей как основа волоконно-оптических устройства ОУМ-фотоники» рассказывает заместитель директора Физико-технического института по научной и инновационной деятельности Максим Яворский. Исследование проводится в рамках гранта Российского научного фонда.
Какие задачи решает Ваше исследование?
— Мы живём в век информационных технологий, и одной из главных задач, которая стоит сейчас перед человечеством, является необходимость увеличения скорости передачи и обработки данных. Да, большие данные и искусственный интеллект – это информационные технологии, которые предполагают увеличение скорости работы с информацией.
Мы знаем, что самым лучшим средством доставки информации является оптическое волокно. Оно позволяет передавать информацию в виде оптических пучков на многие сотни километров, однако скорость современных оптоволоконных линий достигла своего предела, продиктованного фундаментальными законами природы.
Мы работаем с оптическими вихрями. Их название отражает тот факт, что энергия в таких пучках распространяется по спирали – завихряется, движется по окружности. Это напоминает слив воды в раковине. Здесь то же самое, только это электромагнитная энергия. И движение этой энергии по окружности, как говорят, создаёт новую степень свободы. В результате, мы получаем новую физическую характеристику лазерного пучка, на котором можно дополнительно кодировать информацию.
Чтобы кодировать информацию, необходимо управлять параметрами этих вихрей: интенсивностью, частотой, состоянием поляризации и орбитальным моментом, связанный с циркуляцией энергии. И в данном проекте Российского научного фонда мы предлагаем новые физические механизмы динамического управления параметрами оптических вихрей.
Как это делается?
— Для того чтобы управлять параметрами вихря, мы в оптическом волокне возбуждаем акустическую (звуковую) волну, которая меняет свойства этого оптического волокна. И это изменение влияет на параметры оптических вихрей, а мы через звук можем управлять светом. Такое взаимодействие называется акустооптическим.
По мере реализации гранта, по мере появления финансовых возможностей мы стали закупать оборудование, привлекли к работе талантливых физиков-экспериментаторов в области оптики – и создали с нуля новую лабораторию вихревой волоконной акустооптики – новое научное направление как для университета, так и для всего мира.
Какие результаты Вы уже получили?
— Когда мы занялись этой тематикой, оказалось, что в мире нет корректной модели представления о том, как в волокнах звуковые волны влияют на оптические волны. Такая модель была, однако она была искусственной, и мы смогли, во-первых, показать её несостоятельность и логическую противоречивость, а во-вторых, выдвинуть новую модель акустооптического взаимодействия в волокнах.
Сформулированная правильно модель позволяет исследовать более сложные процессы взаимодействия света и звука в волокнах. Мы перешли к изучению того, как уже акустические вихри влияют на оптические вихри. Это также абсолютно пионерские результаты, и до нас никто даже подступиться не мог к такой задаче, потому как не обладили правильным взглядом на природу этого взаимодействия. Нам удалось установить новые способы модуляции интенсивности оптических вихрей для информационных технологий, новые способы смещения частоты оптических вихрей, новые способы реализации логических элементов.
Также, нам удалось установить существование новых процессов передачи и трансформации так называемых угловых моментов от фотонов к фононам. Что такое угловой момент? Представьте вращение Луны вокруг Земли. За счёт вращения у неё есть три важные физических величины: энергия, импульс и момент импульса (угловой момент). А потому как энергия в вихрях вращается, возникает угловой момент у фотонов и фононов. А как ведут себя данные две физические величины, когда фотон с фононом сталкиваются и разлетаются? Мы описали ряд совершенно новых фундаментальных процессов на этом уровне!
Ещё одна большая часть исследования в рамках этого гранта – это оптические волоконные резонаторы. Что это такое? Представьте себе смотанный шланг, по которому бежит вода. И если мы представим себе, что это волокно, и запустим туда не воду, а свет, то окажется, что в ветках этого шланга-волокна, которые касаются друг друга происходит следующее: свет может «бежать» по волокну вдоль него, а может перескакивать из одной ветки в соседнюю. В результате, у него есть два пути распространения: «прямой» и через туннелирование. Интерференция данных процессов и составляет суть резонатора. Нам удалось развить новое научное направление, в рамках которого были описаны процессы распространения и трансформации оптических вихрей в оптических резонаторах различной конфигурации. Мы данный вопрос всесторонне изучили и показали, что такие резонаторные системы можно применять, для примера, для создания линий задержек для вихрей, являющиеся неотъемлемым элементом волоконной линии связи.
Это исследование имеет цель – ещё раз создать фундамент. И мы его создаём, делаем необходимые шаги, чтобы, безусловно, прийти к прикладному этапу – разработке конкретного конечного устройства.
Наша команда считается одной из самых мощных в мире между тех, кто занимается проблемой передачи и управления такими вихревыми пучками в оптических волокнах. Без скромности, в этом направлении мы одни из лидеров.
При подготовке статьи были использованы материалы: Пресс-службы КФУ
