SimLaD: новая программа для моделирования динамики лазеров

Специалисты университета МИСИС и российской компании QRate создали программу, которая может помочь в импортозамещении телекоммуникационных устройств. Программа SimLaD (SIMulating LAser Dynamics) моделирует новые способы передачи данных, не повторяя существующие. Она позволяет воспроизводить сложное поведение полупроводниковых лазеров в устройствах квантового распределения ключей, а также в классических телекоммуникационных приложениях. Об этом CNews сообщили представители QRate.

«Насколько нам известно, в открытом доступе до сих пор не существовало удобного оконного приложения для моделирования лазерной динамики. Нашей целью было создать программу, которая бы по нажатию одной-двух кнопок могла бы в графическом виде представить результаты численного интегрирования скоростных уравнений лазерной динамики. Мы надеемся, что наша программа будет очень полезна инженерам и исследователям, которые занимаются низкоуровневым проектированием телекоммуникационных систем, в частности, квантовых систем связи, и поможет им находить новые способы модуляции и передачи данных», — сказал соавтор разработки Игорь Кудряшов, научный сотрудник компании QRate.

В программе можно воссоздавать спектры лазеров, их передаточные функции, оптическую инжекцию, фазовую диффузию, прямую модуляцию импульсами произвольной формы, температурные эффекты и другие явления в полупроводниковых лазерах.

Для анализа динамики полупроводниковых лазеров, в том числе их стохастических то есть непрогнозируемых, свойств, SimLaD использует метод скоростных лазерных уравнений. Данный подход является мощным инструментом для изучения одномодовых полупроводниковых лазеров, которые являются «рабочими лошадками» в области телекоммуникаций, а также в относительно новой области квантовой связи, где часто требуется использовать лазеры в режимах работы, которые никогда не применяются в стандартных телекоммуникационных системах. Например, для создания квантовых состояний в квантовом распределении ключей (КРК) все чаще используется прямая фазовая модуляция с помощью оптической инжекции. Хотя лазерные системы с оптической инжекцией уже давно применяются в телекоммуникациях, используемые в КРК методы прямой фазовой модуляции были разработаны совсем недавно, а теоретический анализ этого подхода был опубликован только в 2021 г. научными сотрудниками QRate.

«На самом деле, для обычных телекоммуникационных лазеров можно придумать довольно много нестандартных применений. Поэтому моделирование и анализ влияния различных параметров на работу лазера по-прежнему является чрезвычайно важным при проектировании телекоммуникационных систем. Однако далеко не все инженеры и даже учёные имеют достаточно времени, чтобы подробно разбираться со скоростными лазерными уравнениями, особенно со стохастическими дифференциальными уравнениями, и со всем набором параметров, входящих в них. Мы надеемся, что наша программа поможет исследователям и разработчикам в этой задаче. Код программы выложен в открытом доступе. Наша цель — предоставить пользователю простой оконный интерфейс для быстрой визуализации лазерного излучения, спектра, передаточной функции и т. д. и упростить им работу», — сказал руководитель работы Роман Шаховой, заведующий лабораторией элементной базы квантовых коммуникаций НИТУ МИСИС.

***

Компания QRate (резидент «Сколково») — разрабатывает комплексные аппаратно-программные решения для обеспечения информационной безопасности с помощью квантовых технологий, является стратегическим партнером НИТУ МИСИС с 2018 г.

Университет науки и технологий МИСИС — вуз в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов. В научно-исследовательской деятельности университет МИСИС концентрируется на таких приоритетных направлениях, как металлургия, горное дело, материаловедение, квантовые технологии, биоматериалы и биоинженерия, альтернативная энергетика, аддитивные и информационные технологии. В вузе действует порядка 45 научно-исследовательских лабораторий и инжиниринговых центров мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные ученые. В состав университета входит 7 институтов и 6 филиалов — четыре в России и два за рубежом. В вузе более 23 тыс. обучающихся, 25% студентов — граждане 86 стран. Университет МИСИС сотрудничает более чем с 1,6 тыс. крупнейшими компаниями России и мира.