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

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 проекта 19-72-10147

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

Руководитель Петров Николай Владимирович, Доктор физико-математических наук

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

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 слова телекоммуникации, пучки с орбитальным угловым моментом, пространственно-временная связанность, распространение волнового фронта

Код ГРНТИ29.35.33

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.1364/AO.58.00G231

2. 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)
10.1117/12.2547695

3. 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)
10.1117/12.2547714

4. 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)
10.1117/12.2549001

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. 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)
10.1364/3D.2020.JW5B.1

8. 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)
10.1117/12.2569226

9. 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)

10. 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)
10.1016/j.optlaseng.2020.106504

11. 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)
10.1109/IRMMW-THz46771.2020.9370701

12. 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)

13. 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)
10.1364/DH.2021.DTh5C.5

14. 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)
10.1109/IRMMW-THz50926.2021.9567118

15. 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)
10.1117/12.2602844

16. 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)

17. 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)
10.1364/AO.444979

18. 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)
10.37188/lam.2022.043

Публикации