КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-72-10147

НазваниеСверхширокополосные терагерцовые пучки с орбитальным угловым моментом для помехоустойчивой беспроводной передачи информации.

РуководительПетров Николай Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2022 

Конкурс№41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-301 - Физическая оптика

Ключевые слователекоммуникации, пучки с орбитальным угловым моментом, пространственно-временная связанность, распространение волнового фронта

Код ГРНТИ29.35.33


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Постоянно растущая потребность в технологиях и высокоскоростных средствах телекоммуникации вызвана постоянным увеличением объемов передаваемых данных вызванным стремительным развитием информационного общества. Поток передаваемой информации возрастает экспоненциально, и в 2019 году ожидается возрастание интернет-трафика до величины 130 экзабайт/месяц. Наиболее быстрорастущая часть этого трафика – это беспроводные каналы передачи информации, обусловленная активностью пользователей мобильных устройств. Учитывая повсеместную потребность в сверхбыстрых и надежных каналах беспроводной передачи данных, масштаб данной проблемы носит глобальный и фундаментальный характер. Чтобы поднять пропускную способность беспроводных каналов связи необходим переход в более высокочастотную область спектра. Дальнейшее увеличение несущей частоты и ширины выделенной полосы радиофизическими методами затруднено и поэтому для развития систем беспроводной связи целесообразно использовать импульсное излучение терагерцового диапазона, которое создается оптическими методами, и обладает широкой спектральной полосой. Одним из самых значительных препятствий для реализации широкополосных терагерцовых систем связи является шум, возникающий из-за молекулярного поглощения (в основном молекулами воды) при распространении в атмосфере. Кроме того, терагерцовое излучение чувствительно к динамическим и статическим помехам, таким как металлосодержащие преграды, блокирующие канал передачи. В данном проекте «Сверхширокополосные терагерцовые пучки с орбитальным угловым моментом для помехоустойчивой беспроводной передачи информации» мы будем исследовать физические свойства широкополосных пучков импульсного терагерцового излучения, обладающие орбитальным угловым моментом (ОУМ). Такие пучки позволяют осуществлять мультиплексирование каналов связи, а их свойство самовосстановления после столкновения с непрозрачными преградами и способность сохранять свою топологию при распространении в турбулентной атмосфере. Кроме того, использование особенностей вихревых пучков в импульсном терагерцовом диапазоне частот позволит максимально эффективно использовать свойства широкой спектральной полосы, неионизирующий характер воздействия ТГц излучения и его способность проникать через диэлектрики (картон, дерево, кирпичные стены). Однако, всестороннего системного исследования физических свойств и эволюции таких пучков ТГц излучения с вихревой пространственной структурой в поле импульсов из малого числа колебаний с широким временным и пространственным спектром не проводилось. В рамках проекта будут проведены численные и экспериментальные исследования процесса распространения пучков импульсного ТГц излучения с ОУМ, и определены оптимальные параметры таких пучков, которые, с одной стороны, позволяют максимально использовать ширину спектрального канала, а с другой стороны, обеспечивать требуемую помехоустойчивость для физического сохранения беспроводного канала. Основным результатом будет исследование поведения импульсных широкополосных ТГц вихревых пучков в практически актуальных случаях, связанных с применением ТГц излучения для передачи информации. Также будут сформулированы основные физические принципы и базирующиеся на них методы передачи информации в таких вихревых структурах. Результат будет базироваться на численных и физических экспериментах. Также на основе полученных знаний об особенностях поведения таких ТГц пучков будет предложена возможность передачи, кодирования и декодирования информации. Научная новизна данного проекта гарантируется отсутствием работ по использованию пучков с ОУМ широкополосного ТГц излучения для передачи информации. На сегодняшний день вклад множества спектральных компонент и другие особенности распространения импульсных широкополосных терагерцовых вихрей в среде с наличием поглощающих и рассеивающих объектов, также как и наличие у терагерцовых вихрей свойств самовосстановления, не были исследованы. Применительно к решаемой в рамках проекта задаче можно утверждать, что оригинальными ее делает совокупность следующих аспектов: 1) Использование свойств импульсного широкополосного терагерцового излучения, состоящего из нескольких осцилляций электрического поля. 2) Использование пучков различной пространственной структуры (вихревых пучков Бесселя, вихревых пучков Эйри, вихревых пучков Ханкеля и д.р.), несущих цельный топологический заряд на большом количестве спектральных компонент. Проблема формирования пучков несущих цельный топологический заряд на большом количестве спектральных компонент импульсного терагерцового излучения требует разработки модуляторов специальной конструкции, и к настоящему времени решена лишь для некоторых типов пучков. 3) Исследование свойств самовосстановления широкополосных вихревых пучков с целым топологическим зарядом при прохождении амплитудных препятствий и тракта с фазовыми неоднородностями. Достижимость поставленной задачи обуславливается результатами аналогичных работ по самовосстановлению вихревых пучков в видимом частотном диапазоне и коллективом, состоящим из специалистов как в дифракционной оптике, так и по терагерцовому излучению. и имеющимся у каждого из членов данного коллектива научным заделом и уникальными компетенциями каждого из сотрудников. Несмотря на предварительные результаты по созданию вихревых пучков и передаче информации в в ТГц диапазоне, полученные другими научными группами, беспомеховая передача вихревыми пучками будет продемонстрирована впервые в мире.

Ожидаемые результаты
Основным результатом, полученным в ходе проекта, будет подтвержденное экспериментальными фактами заключение о возможности использования терагерцовых широполосных пучков с орбитальным угловым моментом для беспроводной передачи информации, и оценки фундаментальных ограничений такого подхода. Таким образом, будут заложены основы нового подхода к кодированию, беспроводной защищенной помехоустойчиво передаче и декодированию больших объемов данных. Более конкретно, данное заключение будет основано на результатах численных и физических экспериментов по распространению и самовосстановлению широкополосных терагерцовых пучков различной топологии на ближних и средних расстояниях, и будет включать дизайн статических модуляторов, способных создавать такие пучки. Научный интерес к пучкам сверхкоротких электромагнитных импульсов с топологическими зарядами в настоящее время очень высок и подтверждается публикациями в наиболее значимых научных журналах (Nagatsuma, T., Ducournau, G., & Renaud, C. C. (2016). Advances in terahertz communications accelerated by photonics. Nature Photonics, 10(6), 371), равно как и переход к передаче данных с помощью волн терагерцового диапазона (Nagatsuma, T., Ducournau, G., & Renaud, C. C. (2016)). Advances in terahertz communications accelerated by photonics. Nature Photonics, 10(6), 371. Мы уверены, что успешная комбинация рассматриваемых техник приведёт к появлению научных результатов мирового уровня, превосходящих современные достижения науки и техники в данных областях. Полученные результаты будут активно распространяться как в специализированных, так и в широких кругах посредством представления докладов на конференциях и публикацией пресс-релизов по результатам исследований (см. примеры на сайте holo.ifmo.ru). Кроме того, поскольку тематика исследований соответствует стратегии развития одноименных факультета и международного института “фотоники и оптоинформатики”, полученные результаты будут задействованы в образовательном процессе для подготовки квалифицированных специалистов в области телекоммуникаций: При разработке следующих курсов для магистров мегафакультета фотоники Университета ИТМО: “оптические линии связи и квантовые коммуникации”, “Оптические системы хранения и отображения информации” При разработке специализированных курсов "Лазеры и лазерная техника", "Проектирование оптических систем" в ФГАОУ ВО “КФУ им. В.И. Вернадского.” Кроме того, результаты будут применены в процессе подготовки диссертационного проекта аспиранта под руководством Соколенко Б.В. тема: "Декомпозиция модового состава сингулярных пучков высших порядков, распространяющихся в оптических волокнах с наведенной анизотропией". А также при руководстве научной деятельностью и подготовкой выпускных квалификационных работ обучающихся по программам бакалавриата и магистратуры, научные консультации и сопровождение экспериментальных исследований, проводимых аспирантами кафедры Общей физики ФГАОУ ВО "КФУ им. В.И. Вернадского".


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Предложены методы генерации пучков, несущих целый топологический заряд на большом количестве спектральных компонент, использующие дифракционные оптические элементы, которые легко могут быть изготовлены для ТГц диапазона волн с помощью аддитивных технологий 3D прототипирования. Приведены функции пропускания и даны соотношения характеристик пучка с физическими параметрами оптических элементов, с помощью которых они могут быть сгенерированы. Отдельное внимание уделено дифракции волн на таких объектах как способу дальнейшего расчета, моделирования и параметризации пучков для задач высокоскоростной передачи информации. Произведен теоретический анализ распространения гауссовых пучков через фазовые и анизотропные пластинки для формирования вихревых пучков в широком спектральном диапазоне. Для формирования спирального волнового фронта в ТГц пучке рассмотрено преобразование на основанное точных решений волновых уравнений. Линейно и циркулярно поляризованные волны, распространяющейся в свободном пространстве после оптического элемента (преобразователя фазы пучка), описаны в виде аналитических выражений. Отдельное внимание уделено формированию векторных импульсных ТГц пучков. Подготовлено теоретическое описание. Формирование спирального волнового фронта в ТГц пучке описано с использованием преобразования на основе матричного формализма Джонса. Аналитически показано, что радиальная и азимутальная поляризации могут быть разложены на компоненты с циркулярной поляризацией и вихревым фазовым множителем, так что вращение геликоида волнового фронта должно быть противоположно циркуляции круговой поляризации исходного пучка. Отдельно рассмотрена возможность генерации данных типов поляризации методом суперпозиции линейно поляризованных мод Эрмита-Гаусса, экспериментальное получение которых связано с внесением ступенчатой фазовой задержки на величину π в поперечное поле линейно поляризованного гауссова пучка. Также разработана теоретическая модель, описывающая процесс распространения импульсных широкополосных терагерцовых пучков различной пространственной структуры. Модель основана на использовании двух подходов к расчету дифракции спектральных компонент импульсного широкополосного излучения: методе свертки исходного поля с импульсным откликом системы и методе распространения углового фронта плоских волн. Дифракция низкочастотных спектральных компонент рассчитывается с помощью метода свертки, в то время как для высокочастотных компонент используется метод углового спектра. Границы применимости методов расчета определяются критической частотой. По мере увеличения расстояния, для которого производится расчет распространения волнового фронта критическая частота увеличивается. Наглядно продемонстрированы численные артефакты, которые возникают при использовании методов расчета за интервалом применимости, ограниченным критической частотой. Рассмотрены особенности расчет непараксиальной дифракции, в том числе расчета эволюции продольной компоненты поля. Проведена модернизация программного обеспечения, которая позволила исследовать динамику распространения вихревых пучков во временной и спектральной форме. В том числе были реализованы возможности решения векторной задачи непараксиальной дифракции с учетом продольной компоненты поля. Проведены численные расчеты в результате которых получены зависимости динамики распространения линейно поляризованных вихревых пучков на фиксированные расстояния с заданным шагом. Также проведен расчет непараксиальной дифракции и эволюции продольной компоненты поля для двух типов векторных сверхширокополосных пучков с орбитальным угловым моментом с различной пространственной структурой: векторного пучка Лагерра-Гаусса и пучка Гаусса-Бесселя с круговой поляризацией; получены зависимости пространственно-временной и пространственно-спектральной структур двух ортогональных поперечных и продольной компоненты векторных вихревых пучков. Также рассчитаны структуры волновых полей, получающихся при когерентном взаимодействии в интерферометре Маха-Цендера двух вихревых пучков, несущих топологические заряды 1 и 2 на большом количестве спектральных компонент. Результаты опубликованы в [M. S. Kulya, B. Sokolenko, A. Gorodetsky, and N. V Petrov, “Propagation dynamics of ultrabroadband terahertz beams with orbital angular momentum for wireless data transfer,” Proc. SPIE, vol. 11307, p. 113070J, 2020]. Были проанализированы результаты выполненных расчетов динамики распространения векторных вихревых пучков с целым топологическим зарядом. Анализировались особенности пространственно-временной и пространственно-спектральной структуры широкополосных ТГц вихревых пучков Лагерра-Гаусса, Бесселя-Гаусса и Эйри. Сравнительный анализ на предмет структурной устойчивости в области сингулярности и масштабных преобразований (расходимости) пучков показали следующее: Сингулярные пучки Бесселя-Гаусса, с топологическим зарядом равны единице в широком спектральном интервале, имеют наименьшую расходимость, что наблюдается при сравнении пространственно-частотного распределения модуля спектральной плотности на длине распространения до 0,5 м. В свою очередь, все из рассмотренных типов пучков обладают устойчивостью как скалярной, так и векторной структуры осевой сингулярности. В результате численных исследований было найдено, что вихревой пучок Бесселя-Гаусса имеет наименьшую дифракционную расходимость в фокальном пространстве по сравнению с пучком Лагерра-Гаусса и пучком Эйри. Поперечные размеры пучка Эйри в ТГц диапазоне не позволяют использовать его в компактных устройствах связи, в то время как коллимированные и сфокусированные пучки Лагерра-Гаусса и пучки Бесселя-Гаусса обладают достаточно большими плотностями энергии и достаточно малой расходимостью, чтобы рассматривать их как потенциальных кандидатов на использование в системах беспроводной связи. Определению оптимальных пучков и их параметров и помехоустойчивости отдельно для ближней и средней связи, а также также составление их спецификации будет посвящена часть работ второго этапа проекта. Помимо этого, уже первый анализ полученных результатов показал, что большой интерес для задач беспроводной передачи информации может представлять исследование особенностей интерференции рассматриваемых в данном проекте пучков. Поэтому, были рассчитаны структуры волновых полей, получающихся при когерентном взаимодействии в интерферометре Маха-Цендера двух последовательно распространяющихся вихревых пучков Лагерра-Гаусса с линейной поляризацией несущих различные целые топологические заряды на большом количестве спектральных компонент. Формирующиеся в результате такого взаимодействия волновые поля обладают квазидискретным временным спектром. С использованием пары таких структур, характеризуемых разными топологическими зарядами, были рассчитаны формы интерференционной картины поля для разных значений временной задержки. В результате, было показано, что особенности интерференции таких пучков могут быть использованы для создания метода кодирования информации в широком спектре. Данный подход будет более подробно исследован на втором этапе проекта. Для экспериментальной регистрации пространственно-временных картин распределения напряженности электрического поля широкополосного терагерцового излучения был разработан экспериментальный макет программно-аппаратного комплекса, использующий матричный фотоприемник, управляемый программным обеспечением на базе среды графического программирования NI LabVIEW. При разработке экспериментального макета ТГц голографического спектрометра была спроектирована оригинальная конструкция крепления и позиционирования элементов электрооптического детектирования, которая была изготовлена в виде отдельного модуля с использованием современных технологий быстрого прототипирования. Реализация матричной системы детектирования на основе электрооптического кристалла теллурида цинка 20×20 мм в виде отдельного модуля позволяет регистрировать изображения ТГц полей с широким полем зрения за 6 минут во временном окне измерения, равном 50 пс. Таким образом экспериментальный макет ТГц голографического спектрометра принципиально позволяет проводить сложные эксперименты по исследованию динамики распространения и помехоустойчивости широкополосных терагерцовых пучков различной топологии на ближнем и среднем расстояниях за времена, пропорциональные часам, а не дням, что имело место в случае использования ТГц спектрометров с регистрации пространственного распределения поля на основе растрового сканирования. Подробности о проведении данного этапа работ отражены в пресс-релизе "Сотрудники Университета ИТМО, находясь в самоизоляции, создали терагерцовый голографический спектрометр" https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/9422/ Созданный экспериментальный макет программно-аппаратного комплекса ТГц голографического спектрометра с возможностью расширения поля зрения итерационными алгоритмами на следующих этапах проекта позволит провести эксперименты по исследованию физических аспектов распространения вихревых пучков электромагнитного излучения в средах с амплитудными и/или фазовыми преградами и провести экспресс-обработку экспериментальных данных для обеспечения возможности быстрой коррекции хода эксперимента. Работоспособность программно-аппаратного комплекса была проверена в ходе проверочных экспериментов по измерению опорного коллимированного поля ТГц генератора и импульсного ТГц широкополосного волнового фронта, прошедшего через статический модулятор - спиральную пластину из ювелирного воска. Таким образом, экспериментальные задачи, запланированные на первом этапе проекта были успешно выполнены и создан научный задел для проведения экспериментальных работ, запланированных на втором и третьем этапах. Таким образом, был подготовлен хороший научно-технический задел для проведения исследований на последующих этапах проекта. В рамках выполнения первого этапа настоящего проекта подготовлено 6 публикаций 4 из которых индексируются системами Scopus и Web of Science.

 

Публикации

1. Куля М.С., Балбекин Н.С., Городецкий А.А., Козлов С.А., Петров Н.В. Vectorial terahertz pulse time-domain holography for broadband optical wavefront sensing Terahertz, RF, Millimeter, and Submillimeter-Wave Technology and Applications XIII, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1117/12.2547714

2. Куля М.С., Катковник В., Егизарян К., Петров Н.В. Complex-domain sparse imaging in terahertz pulse time-domain holography with balance detection Terahertz, RF, Millimeter, and Submillimeter-Wave Technology and Applications XIII, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1117/12.2549001

3. Куля М.С., Соколенко Б.В., Городецкий А.А., Петров Н.В. Propagation dynamics of ultrabroadband terahertz beams with orbital angular momentum for wireless data transfer Broadband Access Communication Technologies XIV, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1117/12.2547695

4. Туров А.Т., Куля М.С., Петров Н.В., Городецкий А.А. Resolution and contrast in terahertz pulse time-domain holographic reconstruction Applied Optics, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1364/AO.58.00G231

5. Балбекин Н.С., Куля М.С., Соколенко Б.В., Городецкий А.А., Петров Н.В. Дифракционная эволюция сверхширокополосных равно топологически заряженных ТГц пучков для беспроводной передачи информации Сборник научных трудов IX международной конференции по фотонике и информационной оптике, - (год публикации - 2020)

6. Туров А.Т., Куля М.С., Городецкий А.А., Петров Н.В. Оценка качества восстановления импульсных голограмм в терагерцовом диапазоне частот Сборник научных трудов IX международной конференции по фотонике и информационной оптике, - (год публикации - 2020)

7. - Сотрудники Университета ИТМО, находясь в самоизоляции, создали терагерцовый голографический спектрометр ITMO.NEWS, - (год публикации - )

8. - ITMO University Researchers Create a Terahertz Holographic Spectrometer During Self-Isolation ITMO.NEWS, - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
На втором этапе проекта были разработаны дизайны статических модуляторов двух типов: на основе двулучепреломляющих субволновых решеток и суперахроматических (ахроматических в диапазоне частот 0,4-1,4 ТГц) кварцевых волновых пластин. Выбор технологии создания модуляторов на основе двулучепреломляющих субволновых решеток обусловлен простотой и низкой стоимостью изготовления входящих в состав модуляторов компонентов. Аргументация в пользу разработки модулятора состоящего из кварцевых ахроматических компонентов следующая: существующие методы создания пучков с топологическим зарядом либо узкополосные, либо требуют приобретения крайне дорогих оптических пассивных или активных элементов, таких, как нелинейные кристаллы большого размера. Имея под рукой установку, генерирующую достаточно мощные ТГц импульсы в ниобате лития с наклонным фронтом, мы решили воспользоваться методом, получившим большое распространение в оптике, основанным на использовании сегментированной q-пластины. Так как мы работаем с широкополосным излучением, волновые пластины, используемые для формирования BUTCH-пучков, должны обладать максимально высокой ахроматичностью. Было принято решение разработать оригинальный кварцевый модулятор, обладающий широкой интервалом, на котором у формирующихся пучков обеспечивается однородный орбитальный угловой момент. Используя существующие в научной литературе методы были спроектированы как четвертьволновые, так и полуволновые пластины из кристаллического кварца. Четвертьволновые пластины необходимы для перевода поляризации из линейной в круговую, полуволновые - для изготовления q-пластины, которая вносит в пучок топологический заряд, меняя при этом знак круговой поляризации. Модулятор, основанный на двулучепреломляющих субволновых решетках изготавливался методами трехмерной печати и был апробирован в экспериментах. На основе разработанного дизайна суперахроматических волновых пластин были рассмотрены и численно исследованы конструкции модуляторов, обеспечивающих возможности получения как скалярных (обладающих одной поляризационной компонентой) так и векторных (обладающих тремя ненулевыми компонентами поля Ex, Ey, Ez) широкополосных однородно топологически заряженных пучков (BUTCH-пучков, от англ. Broadband Uniformly Topologically Charged). Причем, было показано, что можно получать как скалярные, так и вихревые пучки. При расчете ахроматических поляризационных компонент модулятора были выявленные не обсуждавшиеся ранее в научной литературе особенности, что расчет ахроматических компонент нужно проводить с учетом эллиптичности и вносимой разности фаз между ортогональными компонентами поляризации выходного излучения. В результате численного исследования было установлено, что ахроматические свойства компонент модулятора обеспечивают формирование вихревого ТГц излучения с единичным топологическим зарядом в диапазоне 0,4-1,4 ТГц, а также 2,0-2,6 ТГц, и излучение с отрицательным единичным топологическим зарядом в диапазоне 2,6-3,0 ТГц. Были предложены схемы сборки ахроматических терагерцовых полуволновых пластин, позволяющие получить восьми-сегментные ахроматические q-пластины с зарядами 0,5 и 1. По сравнению с представленными в научной литературе, наши четвертьволновые пластинки тоньше, одинаково эффективно работают в диапазоне частот от 0,4 до 1,4 ТГц, и, самое главное, дешевле в производстве (при проектировании пластин учитывалась обратная связь с производства). Подобные ахроматические в ТГц диапазоне частот полуволновые пластины, и тем более q-пластины ранее не создавались и не имеют аналогов в мире. Кроме того, была составлена типовая классификация модуляционных компонент, пригодных для формирования вихревых пучков в широкополосном ТГц излучении. Данные сведены в таблицу, в которой отражены: “название метода”, “Интервал частот”, “эффективность преобразования”, “Зависимость параметров преобразования от частоты ТГц излучения”. Инициировано производство оптических компонентов согласно разработанным методикам. Изготовлен и введен в эксплуатацию пространственный фильтр фемтосекундного пробного луча экспериментального макета ТГц голографического спектрометра, позволяющий увеличить качество для улучшения качества изображения в ТГц диапазоне. Также, в ходе работы на втором этапе проекта были рассчитаны распределения модуля и фазы спектральной плотности, пространственно-временные распределения как коллимированного пучка Лагерра-Гаусса, так и с различными фокусировками; получена динамика преобразования сингулярного пучка Бесселя - Гаусса после взаимодействия с помехами. Помимо пучков Лагерра-Гаусса и Бесселя-Гаусса в численном исследовании были получены характеристики BUTCH-пучков, формируемых с помощью статических модуляторов, дизайн которых был разработан научным коллективом. Для всех пучков получена дифрагированная поперечная пространственная структура поля в спектральном и временном разрешении. Изучена и продемонстрирована эволюция структуры поля BUTCH-пучка Куммера, формируемого разработанным статическим модулятором: в результате дифракции при свободном распространении в пространстве, и после преобразования фокусирующими элементами: сферической и аксиконной линзами. Были проанализированы две концепции систем импульсных беспроводных ТГц коммуникаций, отличающиеся оптическими схемами. В схеме передающей беспроводной трафик станции, передатчик оснащен модулятором и расширителем BUTCH-пучка, а также элементом, фокусирующим широкополосное ТГц излучение на малоапертурный приемник, в то время как схема принимающей беспроводной трафик станции предполагает широкоапертурный приемник-фокусатор, регистрирующий ТГц пучки, испытывающие дифракционное уширение при распространении на трассе. В схеме передающей станции были получены пространственно-временные и пространственно спектральные распределения структуры поля, иллюстрирующую его эволюцию за фокусирующими элементами: сферической и аксиконной линзами для случая грубого приближения исходного поля BUTCH-пучка функциями Лагерра-Гаусса. В рамках этого приближения получены зависимости максимальной энергии, собираемой детектором с ограниченной апертурой от фокусного расстояния рассматриваемых фокусирующих элементов. Определены оптимальные параметры скалярного BUTCH-пучка Куммера для беспроводной передачи информации на три расстояния, соответствующим трем различным исследуемым в проекте диапазонам дальности. Более конкретно: были определены полная ширина на половине максимума в фокусе и околофокальной области и эффективность фокусировки, рассчитанная как отношение интенсивности пучка после прохождения фокусирующего элемента к интенсивности пучка до него. При решении задачи краевой дифракции на амплитудном экране для скалярных (на трех диапазонах дальности) и векторных ТГц BUTCH-пучков были получены все основные характеристики их поля (в пространственных, временных и спектральных координатах). Для задач последующего анализа также были получены аналогичные характеристики невозмущенного препятствием поля. При решении задачи дифракции на фазовом экране были получены пространственно-частотные и пространственно-временные распределения структуры дифрагированного поля BUTCH-пучка на фазовых неоднородностях различной силы. В схеме передающей станции, в результате решения краевой задачи дифракции на экране скалярных ТГц BUTCH-пучков также были получены все основные характеристики их поля, причем в этом исследовании было рассмотрено влияние шума детектирующей системы установки. Результаты численного моделирования показали хорошее соответствие с экспериментальными результатами. Для нескольких спектральных компонент были построены и проанализированы траектории сингулярной точки в случае различной степени блокировки пучка. Аналитически получен универсальный параметр, отвечающий за степень закрутки спиральных траекторий сингулярных точек. Этот параметр подобен числу Френеля, что является чрезвычайно примечательным выявлением физической взаимосвязи позиции сингулярной точки с общим потоком энергии пучка. Также определена взаимосвязь положения сингулярной точки в пространстве для различной степени блокировки пучка и дистанции экрана от перетяжки пучка. Получены оценки статистики шумов для двух типов оптических установок с различными детектирующими системами. Были измерены характеристики вихревых пучков с топологическими зарядами L=1 и L=2. Экспериментальные измерения вихревого пучка L=2, полученного на статическом модуляторе, при различной энергии ТГц излучения как распространенного в свободном пространстве так и после взаимодействия с помехой в виде непрозрачного препятствия-полуплоскости проводились при трех интенсивностях ТГц излучения, составлявших 100%, 60% и 15% от первоначальной, показали сохранение пространственного распределения фазы при всех интенсивностях ТГц излучения. Перекрытие половины пучка препятствием-полуплоскостью не влияет значительно на пространственное распределение фазы, позволяя сделать вывод о самовосстановлении вихревого пучка после прохождения препятствия. Распределение фазы во всех рассмотренных случаях совпадает с распределением, рассчитанным в моделировании. Рассмотрены и сопоставлены различные фемтосекундные системы и методы измерения, и, на основании данного рассмотрения были проанализированы различия в измерениях полей, возникающих при апертурном сканировании поля и при измерении матричным детектором. Анализ результатов экспериментальных измерений ТГц полей методом регистрации пространственно-временного распределения ТГц поля с помощью матричного электрооптического детектора и методом растрового сканирования узлом “диафрагма-линза” в системе ТГц спектроскопии с разрешением во времени показал преимущества и недостатки обоих методов. Понимание преимуществ и ограничений регистрирующих систем обеспечит большую инвариантность результатов проекта относительно различных экспериментальных условий, и облегчить их практическое внедрение в прикладные исследования, проводимые на более доступных фемтосекундных лазерных системах без усилителя. Была изучена схема формирования и исследования последовательности ТГц импульсов, получаемых с помощью ИК и ТГц интерферометров. Подход импульсной ТГц голографии с разрешением во времени позволяет изучать их пространственно-временные и пространственно-частотные характеристики вне плоскости приемника. В ходе этого исследования было установлено, что величина временной задержки в ТГц интерферометре определяет координаты экстремумов спектральной плотности для каждой частоты в трехмерном массиве данных, содержащем информацию о пространственно-частотном распределении. При этом сами экстремумы образуют спирали в таком распределении. Положения пятен нулевой амплитуды, наблюдаемые в интерференционном эксперименте с BUTCH, и дуплексы Лагерра-Гаусса, образующие спираль для всех спектральных компонент интерферирующего поля, показывают сингулярную структуру ТГц BUTCH-пучка. Впервые проведен анализ эволюции положения внеосевого оптического вихря на множестве спектральных компонент ТГц пучка в случае различного оптического пути, определяемого через разность хода между Гауссовым пучком и оптическим вихрем. Исследована зависимость периода вращения экстремумов в интерференционной структуре вдоль оси частот от задержки между интерферирующими импульсами, и на основании этой зависимости были определены положения линии задержки, которые обеспечили максимальное среднеквадратическое отклонение от порогового значения, характеризующее эффективность кодирования. Были разработаны основы метода кодирования данных в сверхшироком временном спектре, реализуемого посредством управления задержкой в совместной структуре интерферирующих пучков с различными топологическими зарядами. Результаты данного исследования могут послужить поворотным пунктом к разработке помехоустойчивых, широкополосных и защищенных каналов связи в свободном пространстве путем извлечения пространственно-временных характеристик пучков на приемнике. И наконец, были систематизированы полученные в ходе работы над проектом экспериментальные и теоретические знания о помехоустойчивости BUTCH-пучков. Были подготовлены спецификации оптимальных конфигураций параметров пучков, обеспечивающих наилучшее соотношение сигнал/шум на приемнике и наилучшую помехоустойчивость для разных диапазонов дальности: ближней (до 5 см), ближне-средней (до 50 см) и средне-дальней (до 2 м). Для рассматриваемых типов пучков (скалярных и векторных) анализировались результаты расчетов основных характеристик поля (в пространственных, временных и спектральных координатах), полученные при решении задачи краевой дифракции на амплитудном экране, а также для случая распространения поля в свободном пространстве в отсутствии препятствия при идентичных параметрах. Были сделаны выводы об энергоэффективности передачи, и установлены ее взаимосвязи с такими параметрами пучков с поперечным диаметром пучка, и такими параметрами модулирующих излучение компонент, как фокусное расстояние сферической и аксиконической линз. В результате, даны рекомендации, содержащие оптимальные параметры пучков для всех трех диапазонов дальности. Таким образом для указанных диапазонов дальности были определены оптимальные методы передачи данных и параметры пучков, обладающих целым топологическим зарядом на большом количестве спектральных компонент импульсного терагерцового излучения, учитывающие помехоустойчивость и эффективность передачи энергии.

 

Публикации

1. Петров Н.В., Куля М.С., Городецкий А.А., Соколенко Б.В. On the features of the interference of a set of broadband uniformly topologically charged beams Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1117/12.2569226

2. Циплакова Е.Г., Куля М.С., Городецкий А.А., Соколенко Б.В., Петров Н.В. Signal-to-noise ratio optimization in the encoding issue with broadband beams with a uniform topological charge Proceedings of X International Conference Photonics and Information Optics, стр. 471-472 (год публикации - 2021)

3. Черных А.В., Петров Н.В. Optical vortex trajectory of the edge-diffracted single-charged Laguerre-Gaussian beam Optics and Lasers in Engineering, том. 139, стр. 106504 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.106504

4. Петров Н.В., Куля М.С., Соколенко Б.В., Городецкий А.А., Коклюшкин В.А., Грачёв Я.В., Балбекин Н.С. Исследование динамики распространения сверхширокополосных пучков с орбитальным угловым моментом методом импульсной терагерцовой голографии Сб. трудов XVII международной конференции по голографии и прикладным оптическим технологиям Holoexpo 2020, - (год публикации - 2020)

5. Соколенко Б.В., Куля М.С., Петров Н.В. Holographic Assessment of Broadband Vortex Beams for Near and Medium Terahertz Wireless Data Transfer Imaging and Applied Optics 2020 (Optical Society of America, 2020), - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1364/3D.2020.JW5B.1

6. Грачев Я.В., Коклюшкин В.А., Петров Н.В. An Open-Source 3D-Printed Terahertz Pulse Time-Domain Holographic Detection Module for Broadband Beam Inspection 2020 45th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz46771.2020.9370701

7. - От первых ЭВМ до спектрографов для изучения экзопланет развитие науки в ИТМО в одном таймлайне ITMO.NEWS, - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В численных экспериментах была продемонстрирована возможность бинарного кодирования информации с помощью интерференционного взаимодействия вихревых пучков с топологическими зарядами 0 и 1 в формируемых трех каналах, в диапазонах частот 0.26-0.34, 0.36-0.44 и 0.46-0.54 ТГц, с последующим декодированием, реализуемым посредством использования диспергирующей призмы, изготовленной из материала с высокой дисперсией показателя преломления в ТГц диапазоне частот, и разнесенных в пространстве детекторов. Схема декодирования на основе керамической призмы была апробирована в численном эксперименте. Были рассчитаны распределения интерференционного поля за призмой и проанализированы его приосевые пространственно-частотные сечения. В результате анализа был определен набор параметров схемы, при которых процесс декодирования возможно реализовать на практике. Расстояние, на котором возможно провести пространственное разделение каналов связи при использовании призмы с выбранными параметрами, составило 1000 мм. Также были определены расстояния вдоль оси y, где необходимо расположить приемники для детектирования сигнала отдельных каналов связи. Для спектральных каналов с центральными частотами 0.3 ТГц, 0.4 ТГц и 0.5 ТГц центр приемной апертуры должен быть расположен на расстоянии примерно 150 мм, 300 мм и 400 мм от оси соответственно. В результате численных исследований было показано, что сопряжение схемы кодирования со схемой передающей станции позволяет обеспечить максимальное значение спектральной плотности мощности излучения при распространении пучков с определенными ранее оптимальными параметрами поперечного сечения пучка на среднем и дальнем диапазонах связи. При этом возможно обеспечить пространственное разделение сигнала отдельных спектральных каналов в данных диапазонах без искажения сформированной структуры локальных минимумов и максимумов. Для исследования процесса декодирования в ближнем диапазоне требуется дополнительный подбор параметров диспергирующего элемента. Решение поставленной задачи разделения спектральных каналов в ближнем диапазоне может быть обеспечено подбором призмы с большим преломляющим углом, однако в численном эксперименте провести такое исследование невозможно из-за ограничения на возможное число пикселей сетки. Также было показано, что использование схемы кодирования в конфигурации передающей станции в позволяет использовать меньшую приемную апертуру для детектирования пространственно-разделенного сигнала. Тем не менее, недостаток мощности имеющейся в распоряжении ТГц системы в настоящее время не позволяет провести данный эксперимент на практике, поэтому физические эксперименты проводились с однопучковой схемой. Были проведены серии численных расчетов по распространению вихревых пучков с изменением продольной и поперечной координат расположения препятствия. При выполнении расчетов были определены количественные энергетические характеристики пучка в плоскости детектирования в зависимости от местоположения препятствия и установлено, что общая регистрируемая энергия широкополосного вихревого пучка имеет сигмоидальную зависимость от степени его блокировки, которая аналогична дифракционным особенностям безвихревых полей. Полученные зависимости характеристик поля от степени перекрытия пучка и параметров препятствия в моделируемой схеме канала связи передающей станции были проанализированы, и сделаны выводы о помехоустойчивости. По мере увеличения перекрытия вихревого пучка происходит сужение ширины рабочего диапазона, в котором присутствует топологический заряд. При перекрытии больше половины пучка происходит резкий спад верхнего предела частотного диапазона с 0,8 ТГц до 0,21 ТГц, в то время как низкочастотная часть спектра проявляет лучшие дифракционные свойства - нижний предел остается близким к 0,21 ТГц. При дальнейшей блокировки пучка в данной схеме не происходит самовосстановления фазовой сингулярности в пучке и его ближайших окрестностях. Зависимость устойчивости топологического заряда пучка от степени его перекрытия может быть описана сигмоидальной функцией. Проведен обзор всех известных на данный момент методов формирования широкополосных вихревых и векторных пучков, а также используемой для этого компонентной базы. На основании выполненного обзора предложены и реализованы дизайны ахроматических статических модуляторов вихревых пучков, предназначенного для формирования вихревого пучка с равномерно распределенным топологическим зарядом: на основе набора субволновых решеток, изготавлиемых методами аддитивного производства и многослойных кварцевых волновых пластин. Кроме того, была обоснована и продемонстрирована в действии эффективность метода импульсной терагерцовой голографии для исследования для проектирования модуляторов вихревых и векторных пучков. Был собран и введен в эксплуатацию экспериментальный макет для исследования помехоустойчивости вихревых пучков, сформированных статическими модуляторами. Подготовлен итоговый отчет, куда включены основные результаты за все три года.

 

Публикации

1. Грачев Я.В., Городецкий, А., Балбекин Н.С., Куля М.С., Соколенко Б., Петров Н.В. Optimised quartz half-wave plate for broadband terahertz operation Proc. SPIE, Vol. 11906, P. 119061N (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1117/12.2602844

2. Грачев Я.В., Коклюшкин В.А., Петров Н.В. Open-source 3D-printed terahertz pulse time-domain holographic detection module Applied Optics, 61(5), B307 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1364/AO.444979

3. Петров Н. В., Соколенко Б. В., Куля М. С., Городецкий А., Черных А. В. Design of broadband terahertz vector and vortex beams: I. Review of materials and components Light: Advanced Manufacturing, 3, 43 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.37188/lam.2022.043

4. Петров Н.В., Куля М.С., Городецкий А., Соколенко Б.В. Broadband terahertz vortex beams: formation, properties and holographic inspection Digital Singular Optics: Applications and Fundamentals: (DSO'2021), стр. 23 (год публикации - 2021)

5. Циплакова Е.Г., Куля М.С., Городецкий А., Соколенко Б.В., Петров Н.В. Interference enabled binary data encoding within broadband uniformly topologically charged terahertz beams OSA Imaging and Applied Optics Congress 2021, DTh5C.5 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1364/DH.2021.DTh5C.5

6. Циплакова Е.Г., Куля М.С., Соколенко Б.В., Городецкий А.А., Петров Н.В. Investigation of spectral encoding with terahertz broadband uniformly topologically charged beams 2021 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), стр. 1-2 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz50926.2021.9567118


Возможность практического использования результатов
Результаты проекта позволили сформировать серьезный научный задел, при дальнейшей разработке который способен обеспечить развитие методов беспроводных телекоммуникаций в терагерцовом диапазоне частот. Разработанные методы проектирования и голографического контроля характеристик ахроматических модуляторов вихревых пучков, обладающих топологическим зарядом на большом количестве спектральных компонент, могут быть использованы в качестве инструментов, способствующих производству усовершенствованных оптических элементов для терагерцового диапазона. Формируемые с помощью разработанных модуляторов широкополосные вихревые ТГц пучки с орбитальным угловым моментом могут применяться в качестве датчиков магнитных свойств, демонстрируя дихроизм в намагниченной среде. Этот эффект превосходит обычный дихроизм для циркулярно поляризованного света. Результаты проекта и полученный опыт по проектированию ахроматических оптических элементов для терагерцового диапазона частот могут применяться в дальнейших поисковых исследованиях по разработке беспроводных линий связи.