Руководитель направления Иванов Олег Витальевич ст. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

Одним из перспективных методов волоконной оптики является использование мод оболочки для управления распространением излучения в волоконных световодах. Интерес к элементам, использующим оболочечные моды, связан с простотой их изготовления и возможностью их применения в различных волоконно-оптических устройствах в качестве датчиков или фильтров. В УФИРЭ им. В. А. Котельникова РАН получило значительное развитие научное направление, связанное с изучением поведения волоконных оболочечных мод при различных воздействиях на волокно, в волокнах с покрытиями, интерферометрах, тейперах и других.

В частности изучено влияние на решетки таких параметров, как натяжение, изменение температуры, скручивание, показатель преломления внешней среды. Это имеет большое значение с точки зрения возможности управления состоянием поляризации в волокне, для перестройки рабочей длины волны волоконных решеток, детектирования параметров внешней среды при создании волоконно-оптических датчиков.

Руководитель направления Веснин Владимир Леонидович ст. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

Работы в области инфракрасной спектроскопии проводятся в филиале с 1990-х годов и включают в себя как проведение спектроскопических исследований, так и разработку измерительной аппаратуры, а также методов обработки спектрофотометрических данных. Основным оборудованием лаборатории является спектрофотометрический комплекс на основе монохроматора МДР-41 с разработанными в филиале электронными блоками, фотометрической головкой и термостатированной ячейкой. В настоящее время основным направлением исследований является спектрофотометрический анализ состава спиртовых и водно-спиртовых смесей. Значительное внимание в ходе выполнения работ уделяется разработке методов обработки спектрофотометрических данных.

Руководитель направления Сухов Сергей Владимирович ст. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

Разработка алгоритмов, пригодных к применению в энергоэффективных нейроморфных системах, является одной из актуальных современных проблем машинного обучения. Прикладная значимость полученных результатов заключается в возможности применения разработанных методов в работе нейроморфных компьютеров. В рамках данного направления проводятся исследования в области машинного обучения, искусственного интеллекта и теории нейронных сетей. Одна из решаемых задач посвящена развитию методов обмена знаниями и опытом между агентами с искусственным интеллектом при обучении с подкреплением. Другая задача посвящена развитию методов обучения импульсных нейронных сетей. Особое внимание уделяется развитию генеративных методов. Проводимые исследования направлены на преодоление фундаментальных ограничений в возможностях существующих систем искусственного интеллекта за счет использования фундаментальных принципов работы естественных нейрокогнитивных систем.

Руководитель направления Моисеев Сергей Геннадьевич ст. науч. сотр., к.ф.-м.н., доцент эл. почта: [email protected]

В настоящее время проводятся активные исследования в области оптики нанокомпозитных сред и низкоразмерных структур. Интерес к исследованию подобных объектов вызван возможностью достижения необычных оптических эффектов, обусловленных композиционной структурой среды и спецификой рассеяния света наночастицами, а также появившейся в последнее время возможностью контролируемым образом создавать и использовать объекты нанометрового размера. Исследование оптических свойств наноструктурированных материалов, двумерных структур позволяет решать задачи разработки новых элементов и устройств для эффективного управления лазерным излучением.
В ходе исследований предложена модель оптического поляризационно-чувствительного фильтра видимого и ближнего ИК диапазонов спектра, образованного одномерным апериодическим фотонным кристаллом и плазмонным метаслоем. Применение апериодической структуры позволяет должным образом согласовать в частотной области и в пространстве фотонные моды диэлектрических отражателей и плазмонные моды двумерного массива наночастиц, отвечающие двум взаимно перпендикулярным поляризациям световой волны. Наряду с поляризационно-чувствительными модами, принадлежащими разным фотонным запрещенным зонам, в тех же запрещенных зонах могут быть сформированы моды, нечувствительные к поляризации световой волны. Обнаруженные свойства могут быть использованы для расширения функционала элементов фотоники и квантовой электроники, построенных с применением фотонно-кристаллических и плазмонных наноструктур.
Предложена полупроводниковая структура с графеновым слоем, в которой реализовано резонансное усиление и вывод в планарный волновод поверхностных плазмон-поляритонов ИК диапазона. Методика усиления поверхностных плазмон-поляритонов основана на принципе усиления электромагнитной составляющей плазмон-поляритонной волны, распространяющейся в полупроводниковой пленке, за счет добавочного электромагнитного поля носителей заряда в графеновом слое. Применение принципа прямой токовой накачки к плазмон-поляритонным волнам требует решения задачи согласования на субмикронном масштабе скорости поверхностной волны и скорости дрейфа носителей тока. Предложены модели генераторов и усилителей поверхностных плазмон-поляритонных волн на основе GaAs, которые не требуют наличия внешних оптических источников накачки, отличаются компактностью и могут быть интегрированы с современными электронными компонентами на кристалле.

Получены решения для взаимодействующих встречных мод в волоконной брэгговской решетке, деформированной фронтом акустической ударной волны. Показано, что для решеток с однородным профилем спектр отражения расщепляется на два отдельных пика в случае, когда крутизна акустического фронта, проходящего через решетку, сравнима с длиной решетки L.

Публикации:

• Ivanov, O.V. Simulation of reflection from Bragg gratings deformed by acoustic shock front / Ivanov O. V. // Optics Communications. – 2020. – V. 481. – 126537, pp. 1–7

Предложен волоконный интерферометр нового типа на основе коротких вставок из волокон с тонкой сердцевиной, с двойной оболочкой, бессердцевинного волокна. Вставки возбуждают моды оболочки и обеспечивают обмен энергией между различными модами волокна. Рассмотрен способ управления возбуждением оболочечных мод на волоконных вставках из специальных волокон и бессердцевинного волокна их тейперированием. Разработан датчик изгиба, на основе эффекта смещения резонансов в структурах со вставками.

Публикации:

• Bakurov, D.D., Ivanov O.V. Control of excitation of cladding modes by tapering an insertion of special fiber / D.D. Bakurov, O.V. Ivanov // Sensors. – 2021. – V.21(7), p. 2498.

Исследована эволюция дисперсионных кривых длиннопериодных волоконных решеток от комнатной температуры до 0 К. Компьютерное моделирование проводилось на основе ранее опубликованных экспериментальных данных. Обнаружено, что дисперсионные кривые, относящиеся к модам оболочки низшего порядка, больше всего подвержены влиянию температурных изменений, но эти изменения незначительны при рассмотрении мод оболочки с точками обращения дисперсии в телекоммуникационных окнах. Температурная чувствительность выше для решеток в волокнах, легированных бором, и оптимальный период решетки может быть выбран при комнатной температуре. Температурная чувствительность до –850 пм/К может быть получена в диапазоне температур 100–200 К, а значение –170 пм/К достигается при 20 К.

Публикации:

• Ivanov O.V., Caldas P., Rego G. High sensitivity cryogenic temperature sensors based on arc-induced long-period fiber gratings // Sensors. 2022 V. 22(19) p.7119

Разработан метод количественного определения состава смесей воды, метанола, этанола и изопропанола по спектрам поглощения их паров в диапазоне 1,3…1,5 мкм. Метод позволяет с помощью относительно недорогой и доступной спектроскопической аппаратуры определять наличие малых (менее 1%) количеств метанола на фоне больших количеств этанола и воды. Проанализированы возможности реализации данного метода в портативном приборе для контроля безопасности алкогольной продукции и предложены возможные варианты создания такого прибора. Предложен метод оптимизации набора длин волн для множественной линейной регрессии по минимуму среднеквадратической ошибки определения концентрации компонентов смеси.

Публикации:

• Vesnin V. L. Analysis of the Composition of Water–Alcohol Mixtures Using the Infrared Absorption Spectra of their Vapor // Journal of Applied Spectroscopy, Vol. 88, No. 6, P. 1202-1209, January, 2022 (Russian Original Vol. 88, No. 6, November–December, 2021)

Разработан метод определения изомерного состава пропилового спирта по спектрам поглощения их паров в диапазоне 1,3…1,5 мкм, а также метод корреляционной очистки спектров поглощения исследуемых веществ от влияния спектров поглощения мешающих веществ. В данном случае этот метод был применён для компенсации мешающего воздействия атмосферного водяного пара, полосы поглощения которого также находятся в области 1,3…1,5 мкм. Данный метод корреляционной очистки может представлять интерес не только при анализе состава спиртовых смесей, но и в других случаях, когда мешающие вещества невозможно удалить из оптического канала.

Публикации:

• Веснин, В.Л. Применение корреляционного метода для компенсации спектров мешающих веществ на примере анализа изомерного состава пропилового спирта. // Журнал прикладной спектроскопии, 2023, т.90, №1, с.80-89.

Разработаны и протестированы методы предотвращения катастрофической интерференции в искусственных нейронных сетях. Основной упор сделан на разработку методов, вдохновленных генеративными свойствами мозга. Методы, основанные на наборах данных сгенерированных на основе прежнего опыта нейронных сетей, показали преимущество в точности классификации изображений по сравнению с другими методами предотвращения катастрофической интерференции. Основываясь на генеративных подходах, был продемонстрирован биологически правдоподобный механизм активного забывания и модификации памяти искусственных нейронных сетей (совместно с Ульяновским государственным техническим университетом; проект РФФИ №18-47-732006).

Публикации:

• Sukhov, S. Prevention of catastrophic interference and imposing active forgetting with generative methods / S. Sukhov, M. Leontev, A. Miheev, K. Sviatov // Neurocomputing. – 2020. - V. 400. – pp. 73-85.

Импульсные нейронные сети являются следующим поколением искусственных нейронных сетей со многими характеристиками, заимствованными из биологических нейросетей. Нами разработаны и протестированы методы для предотвращения катастрофического забывания в импульсных нейронных сетях. Импульсные сети обучались биологически правдоподобными локальными методами, что препятствовало использованию методов предотвращения забывания, используемых в обычных аналоговых нейронных сетях. Разработанные методы совмещают теорию нейронных сетей и стохастическую физику (динамику Ланжевена). (совместно с Ульяновским государственным техническим университетом; проект РФФИ №20-07-00974)

Публикации:

• Antonov, D.I. Continuous learning of spiking networks trained with local rules / D.I. Antonov, K.V. Sviatov, S. Sukhov // Neural Networks. – V. 155. – 2022. – pp. 512-522.

Предложен дизайн дихроичных фильтров для видимой и ближней ИК области спектра, выполненных на основе фотонно-кристаллических структур с апериодическим чередованием слоев. Поляризационная и спектральная избирательность фильтров достигается за счет применения двумерного массива металлических наночастиц анизотропной формы. Использование детерминированного апериодического фотонного кристалла позволяет реализовать спектральное и пространственное совмещение дефектных мод фотонной структуры с плазмонными модами массива наночастиц. Поляризационно-селективные фильтры могут найти применение в чувствительных к поляризации однофотонных детекторах и наносенсорах.

Публикации:

• Glukhov, I. A. Deterministic aperiodic photonic crystal with a 2D array of metallic nanoparticles as polarization-sensitive dichroic filter / I. A. Glukhov, Yu. S. Dadoenkova, F. F. L. Bentivegna, S.G. Moiseev // Journal of Applied Physics. – V.128(5). –2020. – pp. 053101

Проведено теоретическое исследование условий резонансного усиления поверхностных плазмон-поляритонных (ППП) волн дальнего ИК диапазона в планарной структуре на основе полупроводниковой пленки GaAs. ППП усиливаются за счет энергии носителей постоянного тока в графене при выполнении условия фазовой синхронизации плазмонной и токовой волн. Усиливаемые ППП выводятся в полупроводниковую пленку, примыкающую к микрорезонатору со стороны поверхностного дефекта (канавки на поверхности пленки). Предложенная концепция резонансного усилителя ППП может использоваться для разработки планарных плазмонных генераторов (спазеров) с токовой накачкой.

Публикации:

• Moiseev, S.G. Generation of slow surface plasmon polaritons in a complex waveguide structure with electric current pump/S.G. Moiseev, Y.S. Dadoenkova, A.S. Kadochkin, A A. Fotiadi, V. V. Svetukhin, I.O. Zolotovskii // Ann. Phys. (Berlin). – V. 530(11). – 2018. – pp. 1800197