Фундаментальные исследования сверхвысокочастотных явлений в магнонных и фотонных волноведущих структурах для разработки новых устройств радиофотоники и искусственных нейронных сетей

Целью проекта являются фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования сверхвысокочастотных явлений в магнонных и фотонных волноведущих структурах, и разработка на их основе новых устройств волоконной радиофотоники, интегральной радиофотоники и магноники, которые представляют интерес как сами по себе, так и для технической реализации новых типов искусственных нейронных сетей. В последнее десятилетие происходит значительное увеличение объёмов передаваемой информации в информационно-телекоммуникационных системах. Для удовлетворения растущих потребностей в генерации, обработке и передаче данных в настоящее время актуальными задачами являются обнаружение и исследование новых физических явлений, которые могут быть положены в основу работы элементов информационно-телекоммуникационных систем, улучшающих их рабочие характеристики. В частности, к таким явлениям могут относится эффекты, возникающие при распространении спиновых волн в магнонных кристаллах, при автогенерации волн в гибридных магнон-радиофотонных кольцевых генераторах и при распространении оптического излучения в интегрально-оптических микрокольцевых резонаторах. В последние годы бурное развитие новых технологий материалов и изделий на их основе позволяет создавать новые магнитные и оптические волноведущие структуры и исследовать в них линейные и нелинейные волновые процессы. Научное исследование, заявляемое в рамках настоящего проекта, охватывает теоретические и экспериментальные исследования в трех взаимосвязанных направлениях: (1) радиофотоники; (2) магноники; (3) искусственного интеллекта. Направление (1). В настоящее время волоконная радиофотоника является наиболее изученным и близким к практическому применению направлением. Яркими примерами практических разработок являются радиофотонные синтезаторы частоты, генераторы сетки частот, монохроматического и хаотического сигналов, демонстрирующие наилучшие характеристики по многим параметрам. Конструкция таких генераторов основана на активной кольцевой схеме, в которую включены как волоконно-оптические, так и спин-волновые линии задержки. Разработка последних будет вестись в рамках второго направления «магноника». Стоит отметить, что такие кольцевые схемы являются перспективными не только для конструирования малошумящих СВЧ генераторов, но и для создания физических резервуарных компьютеров, которые относятся к классу рекуррентных нейронных сетей, которым посвящено третье направление проекта «искусственный интеллект». Реализация волоконно-оптических устройств радиофотоники имеет преимущества и недостатки. К преимуществам относятся возможность изготовления оптоэлектронных СВЧ генераторов с рекордно низким уровнем фазового шума и создание сверхширокополосных оптоволоконных линий передачи как цифровых, так и аналоговых СВЧ сигналов по оптическому волокну с рекордно низкими потерями и с рекордно высокой скоростью передачи данных. Поэтому в задачи проекта включены работы по исследованию автогенерации волн в оптоэлектронных генераторах нового типа – магнон-радиофотонных генераторах. Отметим, что оптоволоконная линия передачи является составной частью оптоэлектронных СВЧ генераторов. Одним из недостатков волоконно-оптических устройств радиофотоники являются сравнительно большие габариты. Поэтому актуальной проблемой современной науки и техники является интеграция отдельных компонентов радиофотоники в фотонные интегральные схемы. Для решения этой проблемы необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований, направленных на изучение спектров электромагнитных волн в интегрально-оптических микроволноводах и разработка теоретических моделей и экспериментальных прототипов базовых элементов фотонных интегральных схем таких, как кольцевые микрорезонаторы, делители/сумматоры и др. Решение таких задач будет посвящено описанию процессов распространения СВЧ сигналов в оптических волноводах в виде модуляции оптической несущей волны, либо быстропротекающих переходных процессов в элементах ФИС, которые изменяются или повторяются с частотами, лежащими в СВЧ диапазоне. Направление (2). В основе волновых процессов в магнитных пленочных волноводах лежат принципы распространения спиновых волн, групповая скорость которых в пленках железо-иттриевого граната микронной и субмикронной толщины меньше скорости света на 4-7 порядков. Это позволяет создавать компактные устройства обработки СВЧ сигналов, такие как фазовращатели, фильтры и линии задержки. В сочетании с богатой нелинейной динамикой, разнообразием дисперсионных свойств спиновых волн в магнитных волноводах и возможностью электронного управления их свойствами, устройства магноники находят различные применения в качестве составных частей в приборах СВЧ техники и приборах радиофотоники. Недавно было показано, что кольцевые резонансные системы, построенные на основе магнонных волноводов, перспективны не только с точки зрения генерации сложных волновых форм, исследуемых в рамках первого направления «радиофотоника», но и для создания резервуарных компьютеров, разработке которых посвящено третье направление «искусственный интеллект». Особый интерес в последние годы вызывает исследование спиновых волн в магнонных кристаллах, представляющих собой пространственно-периодические пленочные магнитные волноводы. В настоящей работе впервые будут исследованы нелинейные спин-волновые процессы в магнонных кристаллах, у которых период будет плавно изменяться. Такие структуры в проекте будут называться градиентными магнонными кристаллами. Направление (3). Современные нейроморфные вычисления обычно используют программные модели и средства, в которых заложен определенный алгоритм последовательных вычислений в двоичной системе. При использовании обычных компьютеров такие вычисления зачастую требуют больших вычислительных мощностей. Альтернативой этому подходу являются резервуарные вычисления, реализующиеся с использованием физических резервуаров, которые с технической точки зрения представляют собой активные кольцевые резонансные системы, изготовленные по различным технологиям. В частности, недавно было показано (в том числе авторами заявляемого проекта), что резервуарные компьютеры перспективно реализовать с использованием технологии магноники. В настоящей работе впервые будет исследован резервуарный компьютер на основе градиентного магнонного кристалла. Таким образом, заявленные в рамках проекта исследования являются актуальными, новыми и перспективными. Предполагаемые (ожидаемые) результаты и их возможная практическая значимость (применимость): Проект носит комплексный фундаментально-прикладной характер. В результате выполнения проекта будут получены новые научные знания, разработаны новые теории, модели, макеты и компьютерные программы в направлениях разработки радиофотонных генераторов, а также физических резервуарных компьютеров и искусственного интеллекта, имеющих высокую значимость для развития науки, промышленности и системы образования Российской Федерации. Говоря более конкретно, будут получены новые физические результаты, описывающие спектр мод, передаточные характеристики, а также переходные процессы в нелинейных интегрально-оптических микрокольцевых резонаторах. Такие резонаторы являются ключевым элементом фотонных интегральных схем. В конечном итоге будет сконструирован опытный образец схемы и исследованы ее рабочие характеристики. Кроме того, будут рассмотрены физические принципы формирования запрещенных зон и наведенного нелинейного сдвига фазы спиновых волн в градиентных магнонных кристаллах. Полученные результаты будут использованы для разработки магнон-радиофотонных генераторов, с помощью которых будут получены новые знания о режимах стационарной и хаотической автогенерации волн, а также разработан прототип резервуарного компьютера и исследованы его характеристики. Планируемые результаты проекта являются новыми и определяют мировой уровень достижений в своей области. Они имеют важное прикладное значение. В целом, выполненное исследование существенно обогатит знания в области радиофизики, теории колебаний и волн, магноники и радиофотоники, а также послужит толчком для развития резервуарных компьютеров на физических принципах. Результаты проведенных исследований будут иметь высокую научную и общественную значимость. Они могут быть внедрены на промышленных предприятиях России при разработке и создании новых сверхвысокочастотных приборов и систем для цифровых и интеллектуальных производственных технологий, машинного обучения и искусственного интеллекта, в частности, радиофотонных генераторов и резервуарных вычислительных устройств, основанных на принципах магноники. Общественная и социальная значимость проекта определяется тем, что будут созданы рабочие места, воспитаны новые молодые научные и инженерные кадры для промышленности, вузов и институтов РАН.