Лазерный мир

Редюк Алексей Александрович // Карточка проекта фундаментальных и поисковых научных исследований Номер 17-72-30006

Многие современные инженерные системы, имеющие важное значение для промышленности, бизнеса и общества, являются нелинейными и стохастическими. В частности, нелинейные физические эффекты и случайный шум играют критически важную роль в работе волоконно-оптических систем связи и современных лазерных систем. Несмотря на огромное практическое значение, нелинейные системы все еще недостаточно хорошо изучены вследствие их сложности по сравнению с линейными системами.

Нелинейность влияет на работу многих практических систем и приборов, однако часто воспринимается инженерным сообществом как нежелательный элемент ввиду сложности анализа и понимания поведения нелинейных систем. В отличие от линейных систем, универсальных теоретических методов для описания сложных нелинейных и стохастических систем пока не существует. Поэтому их полное описание представляет собой концептуально и технически сложную проблему. Соответствующие математические подходы и инженерные методы, как правило, разрабатываются специально для каждого нового класса задач. Понимание и правильная трактовка нелинейных эффектов и их взаимодействия со случайным шумом могут привести к улучшению характеристик существующих систем и устройств, которые недостижимы в линейных системах, и созданию нового поколения инженерных концепций.

Важную роль в исследовании и контроле нелинейных систем играют алгоритмы и методы машинного обучения. Данный проект направлен на разработку новых нелинейных технологий для высокоскоростных оптических систем связи, систем обработки сигнала, нелинейных фотонных систем и лазерных приложений, и их применение в ряде конкретных практических приложений, с особым фокусом на разработку оптических компактных газоанализаторов совместно с индустриальным партнером ООО «Ситиэйр».

Предложенный проект сфокусирован на исследовании нелинейных оптических систем и устройств с помощью новых специально разработанных методов машинного обучения. Оптическое волокно проявляет нелинейный отклик в ответ на сильные электрические поля, такие как поле оптических импульсов, локализованных внутри сердцевины оптического световода. Нелинейная волоконная оптика в настоящее время является хорошо развитым разделом физики, играющим важную роль во множестве практических приложений. Научной целью этого проекта является применение идей нелинейной физики в практически важных оптических технологиях и разработка новых методов машинного обучения, новых фотонных систем и элементов для высокоскоростных линий оптической связи, методов обработки сигналов, параметрических генераторов света и волоконных лазеров. Предложенное исследование несомненно является актуальным, поскольку предлагает решения современных проблем в области оптической связи и волоконных лазеров.

Оптоволоконные линии связи лежат в основе глобальной инфраструктуры цифровых коммуникаций и всей общественной и экономической деятельности, основанной на цифровых технологиях. В мире проложено более двух миллиардов километров оптического волокна. В настоящее время волоконно-оптические линии связи обеспечивают более чем 99% глобального информационного трафика. Отметим, что, например, смартфоны в мобильных сетях взаимодействуют с антеннами и вышками сотовой связи, которые в конечном итоге передают и принимают данные по оптическим волокнам. Это связано с физическими ограничениями, присущими беспроводной связи, которые не позволяют осуществлять высокоскоростную передачу больших объемов данных на далекие расстояния. И только оптоволоконные сети с высокой пропускной способностью позволяют обеспечить необходимые условия для реализации подобной связи. В современных лабораторных экспериментах скорость передачи данных через один световод на трансатлантические расстояния превышает на данный момент сотни Тбит/с, и эти рекорды передачи информации обновляются каждый год.

В то же время, трафик оптических сетей продолжает расти примерно на 60% в год. Массовое развертывание новой инфраструктуры 5G еще больше увеличит объем данных, передаваемых по оптоволоконным каналам. Вместе со стремительно растущим распространением облачных сервисов, Интернета, потокового видео высокого качества, Интернета вещей, это приведет к еще большей нагрузке на оптоволоконные линии связи и росту спроса на новые решения. Поэтому оптические сети постепенно приближаются к пределам существующих технологий, в основном разработанных для линейных, например, радио каналов, и радикальные инновации в этой области неизбежны и необходимы. Разработка сверхскоростных магистральных систем передачи информации является одной из ключевых задач для следующего поколения оптических систем передачи данных, а нелинейность и шум являются ключевыми факторами, которые следует учитывать при их проектировании. Основная идея предлагаемого проекта состоит в том, чтобы изменить основанную на линейной теории информации методологию проектирования систем, подверженных нелинейным искажениям, на концептуально другой подход, в котором нелинейность рассматривается как неотъемлемая часть оптической системы и положительно используется при передаче данных. В ходе проекта 2017-2020 годов мы предложили и продемонстрировали новые интересные концепции и подходы, комбинирующие нелинейные методы и технологии машинного обучения. В проекте 2021-2023 мы планируем развить самые перспективные из этих идей, и разработать новые методы и технологии. Примечательно, что математические модели волоконно-оптических линий связи и волоконных лазеров имеют много общего, а идеи и концепции, разработанные в телекоммуникациях, могут применяться в лазерных системах и наоборот.

В этом проекте будут разработаны фундаментальные физические и инженерные концепции для нового поколения нелинейных фотонных систем с фокусом на лазерные приложения и оптические линии связи с высокой пропускной способностью. Функционирование большинства волоконных лазерных систем также определяется нелинейными явлениями, такими как нелинейный эффект Керра, комбинационное и Бриллюэновское рассеяния. С одной стороны, эффект Керра играет важную конструктивную роль в обеспечении синхронизации мод в импульсных волоконных лазерах. С другой стороны, нелинейность может привести к проявлениям неустойчивости, которые разрушают стабильную работу лазерных систем. Очевидно, нелинейные эффекты становятся все более и более важными из-за постоянно растущих мощностей непрерывных лазеров и пиковой мощности импульсов импульсных волоконных лазеров, и соответствующее нелинейное поведение должно быть естественной частью дизайна лазерной системы. В 2021-2023 годах мы применим методы машинного обучения, изначально разработанные нами для телекоммуникационных приложений, в лазерных системах, и совместно с индустриальным партнером ООО «СитиЭйр» разработаем новые источники света для мониторинга окружающей среды.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта будут получены следующие результаты, соответствующие мировому уровню исследований:

1. Будут предложены новые концепции и технологии передачи данных, учитывающие нелинейные свойства оптоволоконных каналов связи и использующие методы машинного обучения для цифровой обработки передаваемого и принимаемого сигнала.

2. Будут построены новые эффективные методы компенсации и подавления нелинейных искажений сигнала в когерентных оптических линиях связи со спектральным разделением каналов и перспективными форматами модуляции сигнала.

3. На основе физических законов, описывающих процесс распространения света по волоконному световоду, будут разработаны новые архитектуры глубоких нейронных сетей для обработки оптического сигнала с фокусом на минимизацию вычислительной сложности и возможность практической реализации.

4. Будут разработаны новые перспективные методы анализа и обработки сигнала с использованием нелинейного преобразования Фурье (метода обратной задачи рассеяния), а именно, математического аппарата задачи Римана-Гильберта, в высокоскоростных оптоволоконных линиях связи и лазерных приложениях.

5. Будут построены эффективные численные схемы повышенной точности для прямой задачи обобщенной системы Захарова-Шабата. Будут разработаны и продемонстрированы быстрые алгоритмы для решения обратной задачи на основе уравнения Гельфанда-Левитана-Марченко. Все разработанные алгоритмы будут реализованы в виде специализированных программных комплексов.

6. Будут разработаны новые методы упрощенного статистического описания передачи сигнала в нелинейных оптоволоконных линиях связи с помощью алгоритмов машинного обучения и найдены оптимальные схемы вероятностного кодирования входного оптического сигнала для увеличения пропускной способности нелинейных каналов.

7. Будут проведены теоретические исследования и представлены новые конфигурации волоконных лазеров, позволяющие контролировать нелинейную динамику внутри лазерного резонатора. Для эффективного нахождения и контроля оптимальных параметров лазерной системы, позволяющих получать импульсы с необходимыми заданными характеристиками, будут применены методы машинного обучения. Будут разработаны новые численные алгоритмы для управления параметрами волоконных лазеров на основе методов машинного обучения.

8. Будут предложены и экспериментально продемонстрированы новые подходы к использованию технологий машинного обучения для создания «умных» лазеров с адаптивным нахождением оптимальных режимов генерации.

9. В сотрудничестве с индустриальными партнерами будут разработаны новые конфигурации компактных параметрических генераторов света, являющихся основной компонентой оптических газоанализаторов, для различных практических применений.

Ожидаемые результаты имеют важное значение для развития будущей инфраструктуры высокоскоростных линий связи и новых поколений «умных» лазерных систем и датчиков. Обеспечение возможности быстрой передачи на далекие расстояния непрерывно возрастающих объемов данных имеет прямое влияние на развитие новых государственных услуг и цифровых сервисов, на развитие науки и многих областей промышленности, бизнеса, инноваций и практически всех аспектов нашей повседневной жизни. Интенсивная работа над решением этих проблем ведётся как в ведущих телекоммуникационных компаниях, так и во многих академических группах во всем мире, что вызвано высокой научной и общественной значимостью этих задач. Создание новых «умных» лазерных и фотонных систем тоже имеет важное значение для развития оптических технологий и их практического применения в экономике и социальной сфере. Работы в рамках Проекта-2017 в этой области вызвали большой интерес научного сообщества, а полученные результаты опубликованы в ведущих журналах и соответствуют мировому уровню исследований. Исследования Проекта-2021 также будут выполнены на высоком уровне, а ожидаемые результаты будут иметь не только теоретическую значимость, но и практического значение. В Проекте-2021, в тесном сотрудничестве с компанией ООО «СитиЭйр» и другими индустриальными партнерами, заинтересованными в практическом использовании результатов проекта, будут созданы новые инновационные технологии, в том числе для решения социальных задач в области мониторинга состояния окружающей среды.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Многие современные инженерные системы, имеющие важное значение для промышленности, бизнеса и общества, являются нелинейными и стохастическими. В частности, нелинейные физические эффекты и случайный шум играют критически важную роль в работе волоконно-оптических систем связи и современных лазерных систем. Однако несмотря на их огромное практическое значение, нелинейные системы все еще недостаточно хорошо изучены вследствие их сложности по сравнению с линейными системами. Научный проект РНФ № 17-72-30006-П «Нелинейные технологии для оптических коммуникаций и лазерных приложений» является продолжением проекта РНФ № 17-72-30006, выполнявшегося в 2017-2020 годах, и посвящен как разработке новых нелинейных технологий для высокоскоростных оптических систем связи и волоконных лазерных систем, так и применениям методов, разработанных в рамках проекта в 2017-2020 годах, к телекоммуникационным, лазерным и другим практически важным системам. Особо стоит отметить, что проект сфокусирован на исследовании нелинейных оптических систем и устройств с помощью как известных, так и оригинальных методов машинного обучения. Мы считаем, что применение алгоритмов и методов машинного обучения может играть важную роль в изучении и контроле нелинейных систем.

Одно из универсальных свойств, связывающих такие, на первый взгляд, разные инженерные системы, как оптические линии связи и лазеры, является ключевая роль нелинейных эффектов. Задачи, решаемые в рамках проекта, можно условно разбить на три направления: «Методы машинного обучения и нелинейные технологии в оптических линиях связи», «Методы машинного обучения в лазерах и нелинейных фотонных системах» и «Нелинейные методы и технологии в лазерной науке и практических приложениях».

«Методы машинного обучения в лазерах и нелинейных фотонных системах»

Широкий спектр лазерных приложений, для которых часто требуется излучение с определенными характеристиками, и относительная гибкость конфигураций лазеров открывают перспективу разработки лазерных систем с заранее заданными параметрами излучения. Обратная задача проектирования лазера состоит в том, чтобы найти архитектуру системы, которая обеспечивает получение желаемой выходного лазерного излучения. Однако, как правило, такие обратные задачи для нелинейных систем чувствительны к вычислению градиентов целевой функции (приспособленности), что затрудняет подход с прямым обратным распространением. В рамках направления «Методы машинного обучения в лазерах и нелинейных фотонных системах» для решения сформулированной задачи мы применили алгоритм оптимизации роя частиц, который не полагается на градиенты функции приспособленности, к конструкции 8-фигурного волоконного лазерного резонатора. Этот метод позволил определить архитектуру лазерного резонатора, адаптированную для генерации импульсов с длительностью в диапазоне 1,5-105 пс и спектральной шириной в диапазоне 0,1-20,5 нм. Предложенный алгоритм оптимизации лазерной архитектуры может быть применен к множеству лазерных приложений и, в более общем плане, к ряду инженерных систем с гибкими настраиваемыми конфигурациями и выходами по запросу. Возрастающая сложность современных лазерных систем, в основном вызванная нелинейной динамикой излучения, делает управление их работой все более и более сложным процессом, требуя новых подходов в лазерной технике. Методы машинного обучения, обеспечивающие проверенные инструменты для идентификации, управления и анализа данных различных сложных систем, недавно были применены к волоконным лазерам с синхронизацией мод с особым вниманием к трем основным областям: самозапуск геренации, оптимизация системы и определение характеристик. Однако разработка алгоритмов машинного обучения для конкретной лазерной системы — сложная задача, требующая больших усилий и настройки большого количества гиперпараметров в лабораторных условиях. Не очевидно, что это обучение можно беспрепятственно перенести в системы, которые отличаются от конкретного лазера, используемого для разработки алгоритма, конструкцией или изменением параметров окружающей среды. Мы демонстрируем, что подход глубокого обучения с подкреплением (DRL), основанный на пробах и ошибках и последовательных решениях, может быть успешно использован для управления генерацией диссипативных солитонов в волоконной лазерной системе с синхронизацией мод. Продемонстрирована способность алгоритма глубокого Q-обучения обобщать знания о лазерной системе с целью поиска условий для стабильной генерации импульсов. Область стабильной генерации трансформировалась за счет изменения мощности накачки резонатора лазера, а в качестве инструмента управления использовался перестраиваемый спектральный фильтр. Алгоритм глубокого Q-обучения способен запоминать траекторию настройки параметров спектрального фильтра на стабильный импульсный режим в зависимости от состояния выходного излучения. Полученные результаты подтверждают потенциал алгоритма глубокого обучения с подкреплением для управления нелинейной лазерной системой с обратной связью. Также мы демонстрируем, что волоконно-оптические лазерные системы с синхронизацией мод, генерирующие данные с высокой частотой, представляют собой эффективные фотонные испытательные стенды для различных концепций машинного обучения.

«Нелинейные методы и технологии в лазерной науке и практических приложениях»

Осциллятор Мамышева является новым и перспективным для практических применений типом волоконных лазеров, поэтому исследование его возможностей и ограничивающих факторов является актуальной задачей с потенциалом практического применения. По направлению «Нелинейные методы и технологии в лазерной науке и практических приложениях» построена численная модель осциллятора Мамышева, включающая эффект динамического изменения спектра усиления при распространении мощного импульса и эффект вынужденного комбинационного рассеяния. На основе разработанной модели выполнено исследование осциллятора Мамышева с кольцевым резонатором длиной 10 метров. Построены области стабильной генерации одноимпульсного и многоимпульсного излучения в пространстве параметров резонатора, а также зависимости основных характеристик выходного сигнала от параметров резонатора. Показано, что после достижения энергии выходного импульса порогового значения дальнейшее увеличение энергии ограничено влиянием вынужденного комбинационного рассеяния. Таким образом, продемонстрировано, что эффект ВКР является фундаментальным ограничением на энергию сигнала в осцилляторе Мамышева.

Подробнее о проекте https://rscf.ru/project/21-72-25001/