Algorithms for solving the inverse scattering problem for the Manakov model

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper considers algorithms for solving inverse scattering problems based on the discretization of the Gelfand–Levitan–Marchenko integral equations, associated with the system of nonlinear Schrödinger equations of the Manakov model. The numerical algorithm of the first order approximation for solving the scattering problem is reduced to the inversion of a series of nested block Toeplitz matrices using the Levinson-type bordering method. Increasing the approximation accuracy violates the Toeplitz structure of block matrices. Two algorithms are described that solve this problem for second order accuracy. One algorithm uses a block version of the Levinson bordering algorithm, which recovers the Toeplitz structure of the matrix by moving some terms of the systems of equations to the right-hand side. Another algorithm is based on the Toeplitz decomposition of an almost block-Toeplitz matrix and the Tyrtyshnikov bordering algorithm. The speed and accuracy of calculations using the presented algorithms are compared on an exact solution (the Manakov vector soliton).

Full Text

Restricted Access

About the authors

O. V. Belaiа

Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch, RAS

Author for correspondence.
Email: ovbelai@gmail.com
Russian Federation, Acad. Koptyug Ave. 1, Novosibirsk, 630090

L. L. Frumin

Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch, RAS

Email: lfrumin@iae.nsk.su
Russian Federation, Acad. Koptyug Ave. 1, Novosibirsk, 630090

A. E. Chernyavsky

Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch, RAS

Email: alexander.cher.99@gmail.com
Russian Federation, Acad. Koptyug Ave. 1, Novosibirsk, 630090

References

  1. Манаков С.В. К теории двумерной стационарной самофокусировки электромагнитных волн // Ж. эксперим. и теор. физ. 1973. Т. 65. № 2. С. 505.
  2. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика. М.: Мир, 1995. 848 с.
  3. Захаров В.Е., Шабат А.Б. Точная теория двумерной самофокусировки и одномерной автомодуляции волн в нелинейных средах // Ж. эксперим. и теор. физ. 1971. Т. 61. С. 118.
  4. Захаров В.Е., Манаков С.В. , Новиков С.П., Питаевский Л.П. Теория солитонов. Метод обратной задачи, М.: Наука, 1980. 319 c.
  5. Maimistov A.I., Basharov A.M., Elyutin S.O., Sklyarov Y.M. Present state of self-induced transparency theory // Phys. Reports. 1990. V. 191. Nо. 1. P. 1.
  6. Maimistov A.I., Basharov A.M. Nonlinear optical waves. Dordrecht, Springer Science and Business Media, 2013.
  7. Frumin L.L. Algorithms for solving scattering problems for the Manakov model of nonlinear Schrödinger equations // J. of Inv. and Ill-posed Probl. 2021. V. 29. Nо. 2. P. 369.
  8. Belai O.V., Frumin L.L., Podivilov E.V., Shapiro D.A. Efficient numerical method of the fiber Bragg grating synthesis // J. Opt. Soc. Am. B. 2007. V. 24. Nо. 7. P. 1451.
  9. Frumin L.L., Belai O.V., Podivilov E.V., Shapiro D.A. Efficient numerical method for solving the direct Zakharov-Shabat scattering problem // J. Opt. Soc. Am. B. 2015. V. 32. P. 290.
  10. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1989. 448 c.
  11. Buryak A., Bland-Hawthorn J., Steblina V. Comparison of Inverse Scattering Algorithms for Designing Ultrabroadband Fibre Bragg Gratings // Optics Express 2009. V. 17. Nо. 3. P. 1995.
  12. Belai O.V., Frumin L.L., Podivilov E.V., Shapiro D.A. Inverse scattering problem for gratings with deep modulation // Laser Physics. 2010. V. 20. N 2. P. 318.
  13. Belai O.V., Frumin L.L., Podivilov E.V., Shapiro D.A. Inverse scattering for the one-dimensional Helmholtz equation: fast numerical method // Optics Letters. 2008. V. 33. Nо. 18. P. 2101.
  14. Frumin L.L., Gelash A.A., Turitsyn S.K. New Approaches to Coding Information using Inverse Scattering Transform // Phys. Rev. Letters. 2017. V. 118. Nо. 22. P. 223901.
  15. Turitsyn S.K., Prilepsky J.E., Le S.T., Wahls S., Frumin L.L., Kamalian M., Derevyanko S.A. Nonlinear Fourier transform for optical data processing and transmission: advances and perspectives // Optica. 2017. V. 4. Nо 3. P. 307.
  16. Тыртышников Е.Е. Тёплицевы матрицы, некоторые их аналоги и приложения. М.: Изд. АН СССР, 1989. 310 с.
  17. Тыртышников Е.Е. Новые быстрые алгоритмы для систем с ганкелевой и тёплицевой матрицами // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 1989. Т. 29. № 5. С. 645.
  18. Akaike H. Block Toeplitz matrix inversion // SIAM J. Appl. Math. 1973. V. 24. Nо 2. P. 234.
  19. Белай О.В. Быстрый численный метод второго порядка точности решения обратной задачи рассеяния // Квант. Электроника. 2022. Т. 52. № 11. С. 1039.
  20. Воеводин В.В., Тыртышников Е.Е. Вычислительные процессы с тёплицевыми матрицами. М.: Наука, 1987. 320 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1.a is a graph of the dependence of the vector soliton reconstruction error; b is a graph of the dependence of the vector soliton reconstruction calculation time. The squares show the calculated values ​​for algorithm A, the circles for algorithm B.

Download (103KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».