Уголовная ответственность за угрозу убийством. Разъясняет прокуратура г.Краснотурьинска
24.06.2020г.
Разъясняет помощник прокурора г. Краснотурьинска Е.А. Харламов.
Угроза убийством или причинением тяжкого вреда здоровью является перступлением. Данные угрозы могут быть выражены в любой форме: устно, письменно, жестами, демонстрацией оружия и т.д.
Обязательным условием наступления уголовной ответственности за угрозу убийством или причинением тяжкого вреда здоровью является ее реальность. Это означает, что потерпевший должен воспринимать угрозу как намерение виновного реализовать ее. О реальности угрозы могут свидетельствовать ее конкретная форма, характер и содержание, сопуствующая ей конкретная ситуация (место, время, обстановка), предшествующее поведение виновного и характеристика его личности.
Определением Конституционного суда Российской Федерации № 368-0-0 от 23.03.2010 «Об отказе в принятии к рассмотрению жалобы гражданина Калугина В.В. на нарушение его конституционных прав частью 1 статьи 119 УК РФ и частью 1 статьи 286 УК РФ» установлено, что ч.1 ст. 119 Уголовного кодекса Российской Федерации, позволяет признавать составообразующим только такое деяние, которое совершается с умыслом, направленным на восприятие потерпевшим реальности угрозы, когда имеются объективные основания опасаться ее осуществления. Следовательно, в каждом конкретном случае уголовного преследования необходимо доказать не только наличие самой угрозы, но и то, что она была намеренно высказана в целях устрашения потерпевшего и в форме, дающей основания опасаться ее воплощения.
Для решения вопроса о реальности угрозы необходимо исходить из того, что реальность угрозы связывается с наличием объективных оснований опасаться приведения ее в исполнение.
Данное преступление считается оконченным с момента высказывания угрозы или ее выражения в иной форме.
Согласно ч. 1 ст. 119 УК РФ угроза убийством или причинением тяжкого вреда здоровью, если имелись основания опасаться осуществления этой угрозы, наказывается обязательными работами на срок до 480 часов, либо ограничением свободы на срок до двух лет, либо принудительными работами на срок до двух лет, либо арестом на срок до шести месяцев, либо лишением свободы на срок до двух лет.
Частью 2 данной статьи предусмотрена уголовная ответственность за то же деяние, совершенное по мотивам политической, идеологической, расовой, национальной или религиозной ненависти или вражды либо по мотивам ненависти или вражды в отношении какой-либо социальной группы. В качестве наиболее строгой меры наказания за такое преступление закон предусматривает лишение свободы на срок до пяти лет с лишением права занимать определенные должности или заниматься определенной деятельностью на срок до трех лет или без такового.
Анализ уголовных дел указанной категории показывает, что преступления, предусмотренные частью 1 статьи 119 УК РФ, зачастую совершаются на бытовой почве в отношении лиц, связанных с преступниками родственными связями.
Лица, привлекаемые к ответственности, как правило, характеризуются отрицательно, имеют склонность к употреблению алкоголя и совершению насильственных действий. Уголовная ответственность за угрозу убийством или причинением тяжкого вреда здоровью имеет большое значение в предупреждении тяжких и особо тяжких преступлений против личности. Своевременное сообщение в правоохранительные органы информации о фактах угроз в Ваш адрес или в адрес иных лиц может способствовать недопущению совершения более тяжких преступлений
Наказание за избиение человека
Избиение относятся к преступлениям против личности. В связи с тем, что понятие избиение –достаточно широкое и видов избиения бывает много, в Уголовном кодексе РФ выделен сразу ряд статей, по которым человека можно наказать за избиение.
Это статьи со 111-й по 119-ю Уголовного кодекса РФ. Самой легкой является статья 116.1 УК РФ, которая влечет максимальное наказание за нанесение побоев лицом, подвергнутым административному наказанию, до 3 месяцев ареста.
Самой тяжелой статьей является статья 111 Уголовного кодекса РФ, которая за умышленное причинение тяжкого вреда здоровью влечет за собой наказание до 15 лет лишения свободы.
Сразу следует отметить, что даже самая легкая статья предусматривает наказание в виде лишения свободы. Наказание за избиение человека прямо пропорционально тяжести причиненного вреда здоровью. Грубо говоря, чем сильнее избили человека, тем жестче будет наказание. Тяжесть нанесенных повреждений определяется судебно-медицинской экспертизой.
Также к избиению можно причислить другие статьи УК РФ:
• Статья 112 УК РФ – умышленное причинение вреда здоровью, если экспертиза установила среднюю степень тяжести, максимальное наказание – до 5 лет лишения свободы.
• Статья 113 УК РФ – причинение вреда здоровью средней степени тяжести в состоянии аффекта – максимум 2 года.
• Статья 114 УК РФ – тяжкий вред здоровью при превышении пределов допустимой обороны, максимальный срок – 1 год. Читайте: «Какие пределы у допустимой обороны».
• Статья 115 УК РФ – если по результатам экспертизы установлено, что нанесен легкий вред здоровью, то максимальное наказание – лишение свободы до 2 лет.
• Статья 116 УК РФ – побои, то есть насильственные действия, не повлекшие причинение легкого вреда здоровью, но причинившие физическую боль, наказываются лишением свободы до 2 лет максимум.
• Статья 117 УК РФ – систематическое нанесение побоев или иных насильственных действий (истязание) может повлечь наказание от 3 до 7 лет лишения свободы.
• Статья 118 УК РФ – если тяжкий вред здоровью причинен по неосторожности, то максимальное наказание составит 6 месяцев ареста.
• Статья 119 УК РФ – предусматривает наказание, в том числе за угрозу причинения тяжкого вреда здоровью. Максимальное наказание – лишение свободы до 5 лет.
От чего зависит, какое дадут наказание за избиение человека
В первую очередь это зависит от показаний, данных следователю в ходе допроса, также от позиции потерпевшего, насколько он обижен на обвиняемого и готов ли его простить.
Очень важно, какую тяжесть телесных повреждений установит судебно-медицинская экспертиза, а также наличие смягчающих и отягчающих обстоятельств.
Будучи привлеченным за избиение человека, в первую очередь необходимо знать и понимать эти моменты, чтобы не получить максимальное наказание, особенно если с вашей стороны была самооборона.
Очень часто бывает, когда два человека подрались, но тот, кто являлся зачинщиком драки, в конце концов оказался потерпевшим. В целях предотвращения таких моментов еще на стадии дознания или следствия рекомендуется прибегнуть к помощи адвоката.
Что такое угроза убийством или причинением тяжкого вреда здоровью
В судебной практике встречается совершение преступления, предусмотренного ст. 119 Уголовного кодекса Российской Федерации, а именно угроза убийством или причинением тяжкого вреда здоровью. Данная статья Уголовного кодекса РФ содержит две части:
Часть 1. Угроза убийством или причинением тяжкого вреда здоровью, если имелись основания опасаться осуществления этой угрозы, предусматривающая наказание в виде обязательных работ, ограничения свободы, принудительных работ, ареста и лишения свободы.
Часть 2. То же деяние, совершенное по мотивам политической, идеологической, расовой, национальной или религиозной ненависти или вражды либо по мотивам ненависти или вражды в отношении какой-либо социальной группы, а равно в отношении лица или его близких в связи с осуществлением данным лицом служебной деятельности или выполнением общественного долга, предусматривающая наказание в виде принудительных работ с лишением права занимать определенные должности или заниматься определенной деятельностью или без такового, в виде лишения свободы с лишением права занимать определенные должности или заниматься определенной деятельностью или без такового.
За какие же действия лицо может быть привлечено к ответственности по данной статье Уголовного кодекса.
Объект данного преступления составляют общественные отношения, складывающиеся по поводу реализации естественного права каждого человека на жизнь и здоровье и обеспечивающие безопасность этих социальных благ. Потерпевшим может выступать любое лицо независимо от его возраста, состояния здоровья, способности осознавать смысл и значение угрозы и иных обстоятельств.
Состав преступления является формальным; последствия угрозы находятся за его рамками и не влияют на квалификацию. Преступление считается оконченным с момента высказывания или демонстрации угрозы независимо от того, когда она была воспринята потерпевшим.
Угроза представляет собой обнаруженное вовне и рассчитанное на запугивание потерпевшего информационное воздействие на его психику, выражающее субъективную решимость, намерение виновного причинить смерть или тяжкий вред здоровью. Способы осуществления угрозы могут быть различными: словесно, письменно, жестами, с помощью действий и т.д.; угроза может выражаться, в частности, в демонстрации оружия. Общим является передача определенной информации об общественно опасном намерении. По содержанию угроза состоит в выражении намерения лишить жизни или причинить тяжкий вред здоровью.
Обязательным признаком угрозы убийством или причинением тяжкого вреда здоровью является ее реальность. Для признания угрозы реальной необходимо, чтобы виновный совершил такие действия, которые давали потерпевшему основание опасаться ее осуществления, и что поведение виновного, его взаимоотношения с потерпевшим объективно свидетельствовали о реальности угрозы. Реальность угрозы устанавливается в каждом конкретном случае с учетом всех фактических обстоятельств дела: способ выражения, интенсивность угрозы, характер взаимоотношений виновного и потерпевшего, объективная ситуация угрозы, особенности личности виновного и т.д., так и субъективное восприятие ее потерпевшим как реальной.
Угроза может быть высказана как непосредственно самому потерпевшему, так и через третьих лиц. Важно, чтобы она была адресована конкретному человеку или нескольким лицам. Угроза может быть разовой или многократной.
Субъективная сторона рассматриваемого преступления характеризуется виной в форме умысла. Лицо, обладая свободой воли, угрожая убийством или причинением тяжкого вреда здоровью, осознает общественно опасный характер своего деяния. Мотив угрозы, за исключением указанного в ч. 2 ст. 119 УК РФ, не имеет значения. Уголовной ответственности подлежит физическое вменяемое лицо, достигшее шестнадцатилетнего возраста.
Преступление, квалифицируемое по ст.119 УК РФ, согласно статье 15 УК РФ относится к преступлениям небольшой и средней тяжести. Согласно требованиям статьи 76 УК РФ и статьи 25 УПК РФ лицо, впервые совершившее преступление небольшой или средней тяжести, может быть освобождено от уголовной ответственности, если оно примирилось с потерпевшим и загладило причиненный потерпевшему вред. В связи, с чем нередки случаи в судебной практике прекращения уголовных дел по данному основанию.
Так, постановлением мирового судьи судебного участка № 173 Орехово-Зуевского судебного района Московской области от 25 февраля 2020 года прекращено уголовное дело в отношении Сумликина И.В., обвиняемого по части 1 ст. 119 УК РФ, а именно в том, что он 03.08.2019 года, находясь у дома № 1 по улице Заводская д. Давыдово Орехово-Зуевского городского округа, испытывая неприязнь, возникшую в ходе словесного конфликта, к ранее ему знакомым гражданам, умышленно направил в их сторону двуствольное ружье ИЖ и высказал угрозу: «Земля круглая, убью». Находящиеся от него на расстоянии 10 метров потерпевшие, испугавшись действий Сумликина, начали убегать. Сумликин же в продолжение своих действий с целью вызвать у потерпевших чувство тревоги и беспокойства за свою жизнь и здоровье произвел выстрел из ружья в землю. В сложившейся обстановке у потерпевших имелись все основания опасаться осуществления высказанной в их адрес Сумликиным угрозы. В ходе судебного заседания потерпевшие подали ходатайство о прекращении уголовного дела в отношении Сумликина И.В., так как они примирились с подсудимым, и он полностью загладил причиненный им материальный и моральный вред. Судом с учетом мнения других участников судебного следствия данные ходатайства удовлетворены, уголовное дело прекращено по нереабилитирующим основаниям.
Государственный обвинитель Н.В.Волкова
Избившим пассажира метро грозит до 15 лет колонии
https://ria.ru/20211007/izbienie-1753494451.html
Избившим пассажира метро грозит до 15 лет колонии
Избившим пассажира метро грозит до 15 лет колонии — РИА Новости, 07.10.2021
Избившим пассажира метро грозит до 15 лет колонии
Максимальное наказание трем подозреваемым в избиении пассажира в московском метро может составить 15 лет заключения, если дело перейдет в СК РФ и им будет… РИА Новости, 07.10.2021
2021-10-07T13:12
2021-10-07T13:12
2021-10-07T13:12
происшествия
следственный комитет россии (ск рф)
россия
избиение пассажира в московском метро
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/09/04/1748653392_0:319:3072:2047_1920x0_80_0_0_dccadbf9a754e60da7b5fbffe9a60f74.jpg
МОСКВА, 7 окт – РИА Новости. Максимальное наказание трем подозреваемым в избиении пассажира в московском метро может составить 15 лет заключения, если дело перейдет в СК РФ и им будет инкриминирована статья о покушении на убийство.Дело пока находится в производстве столичного главка МВД, который возбудил дело о хулиганстве, совершенном группой лиц (ч. 2 ст. 213 УК РФ). СК, который обратился в прокуратуру, чтобы забрать материалы себе, сегодня завел дело о покушении на убийство (по ч. 3 ст. 30, ч. 2 ст. 105 УК РФ).Часть 2 статьи 105 УК РФ наказывается лишением свободы от 8 до 20 лет либо пожизненным сроком. Статья 30 предусматривает, что суд может назначить не более трех четвертей от максимально предусмотренного наказания – в данном случае не более 15 лет; при этом назначение пожизненного лишения свободы исключается.Если же молодых людей будут судить по ч. 2 ст. 213 УК РФ, то максимальная санкция здесь – 7 лет лишения свободы. Возможны также штраф и принудительные работы.Судить по двум уголовным делам, возбужденным и СК, и МВД, невозможно – дело должно расследовать одно ведомство.Четвертого октября на Арбатско-Покровской линии метро, трое мужчин жестоко избили пассажира, который, по словам очевидцев, заступился за девушку. Полиция возбудила уголовное дело о хулиганстве, СК РФ же сообщил о намерении забрать материалы дела себе и завел дело о покушении на убийство. Кроме того, поскольку при задержании нападавшие оказывали сопротивление полицейским, вдобавок один из них угрожал колющим предметом, а другой достал перцовый баллончик, им могут также вменить ст. 318 УК РФ (применение насилия в отношении представителя власти), отмечали в СК.Трое подозреваемых, все – уроженцы Дагестанца, арестованы. Инцидент произошел вечером 4 октября в вагоне электропоезда между станциями «Измайловская» и «Первомайская» Арбатско-Покровской линии метро. По информации источника РИА Новости в правоохранительных органах, нападавшие находились в состоянии алкогольного опьянения.
https://ria.ru/20211007/kovalev-1753491371.html
https://ria.ru/20211007/zaderzhanie-1753462238.html
россия
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2021
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/09/04/1748653392_0:0:2732:2048_1920x0_80_0_0_d8cee766e33a3e1bdcd6db2182fb51f7.jpgРИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
происшествия, следственный комитет россии (ск рф), россия, избиение пассажира в московском метро
Избившим пассажира метро грозит до 15 лет колонии
МОСКВА, 7 окт – РИА Новости. Максимальное наказание трем подозреваемым в избиении пассажира в московском метро может составить 15 лет заключения, если дело перейдет в СК РФ и им будет инкриминирована статья о покушении на убийство.Дело пока находится в производстве столичного главка МВД, который возбудил дело о хулиганстве, совершенном группой лиц (ч. 2 ст. 213 УК РФ). СК, который обратился в прокуратуру, чтобы забрать материалы себе, сегодня завел дело о покушении на убийство (по ч. 3 ст. 30, ч. 2 ст. 105 УК РФ).
7 октября, 13:01
Мужчина, которого избили в московском метро, дал интервьюЧасть 2 статьи 105 УК РФ наказывается лишением свободы от 8 до 20 лет либо пожизненным сроком. Статья 30 предусматривает, что суд может назначить не более трех четвертей от максимально предусмотренного наказания – в данном случае не более 15 лет; при этом назначение пожизненного лишения свободы исключается.
Если же молодых людей будут судить по ч. 2 ст. 213 УК РФ, то максимальная санкция здесь – 7 лет лишения свободы. Возможны также штраф и принудительные работы.
Судить по двум уголовным делам, возбужденным и СК, и МВД, невозможно – дело должно расследовать одно ведомство.
7 октября, 10:44
СК раскрыл подробности задержания участников избиения мужчины в метроЧетвертого октября на Арбатско-Покровской линии метро, трое мужчин жестоко избили пассажира, который, по словам очевидцев, заступился за девушку. Полиция возбудила уголовное дело о хулиганстве, СК РФ же сообщил о намерении забрать материалы дела себе и завел дело о покушении на убийство. Кроме того, поскольку при задержании нападавшие оказывали сопротивление полицейским, вдобавок один из них угрожал колющим предметом, а другой достал перцовый баллончик, им могут также вменить ст. 318 УК РФ (применение насилия в отношении представителя власти), отмечали в СК.
Трое подозреваемых, все – уроженцы Дагестанца, арестованы. Инцидент произошел вечером 4 октября в вагоне электропоезда между станциями «Измайловская» и «Первомайская» Арбатско-Покровской линии метро. По информации источника РИА Новости в правоохранительных органах, нападавшие находились в состоянии алкогольного опьянения.
Уголовная ответственность за вымогательство (ст.163 УК РФ)
Уголовная ответственность за вымогательство (ст.163 УК РФ)
Вымогательство – это требование передачи чужого имущества или права на имущество или совершения других действий имущественного характера под угрозой применения насилия либо уничтожения или повреждения чужого имущества, а равно под угрозой распространения сведений, позорящих потерпевшего или его близких, либо иных сведений, которые могут причинить существенный вред правам или законным интересам потерпевшего или его близких
Наказание за вымогательство предусмотрено в виде лишения свободы на срок до 4 лет; за квалифицированное вымогательство в виде лишения свободы до 15 лет.
К предмету вымогательства по смыслу ст. 163 УК ПФ относится чужое имущество, а именно, вещи¸ включая наличные денежные средства, документарные бумаги; безналичные денежные средства, бездокументарные ценные бумаги, а также имущественные права, в том числе, права требования и исключительные права.
Под правом на имущество, с передачей которого могут быть связаны требования при вымогательстве, в статье 163 УК РФ понимается удостоверенная в документах возможность осуществлять правомочия собственника или законного владельца в отношении определенного имущества.
К другим действиям имущественного характера, на совершение которых направлено требование при вымогательстве, относятся действия, не связанные непосредственно с переходом права собственности или других вещных прав (производство работ или оказание услуг, являющихся возмездными в обычных условиях гражданского оборота).
Потерпевшим от вымогательства может быть признан не только собственник или законный владелец, но и другой фактический обладатель имущества (например, лицо, осуществляющее охрану имущества либо имеющее к нему доступ в силу служебных обязанностей или личных отношений), которому причинен физический, имущественный или моральный вред.
Вымогательство, предусмотренное ч. 1 ст. 163 УК РФ, предполагает наличие угрозы применения любого насилия. Угроза должна восприниматься потерпевшим как реальная. Для оценки угрозы как реальной не имеет значения, выражено виновным намерение осуществить ее немедленно либо в будущем.
Вымогательство является оконченным преступлением с момента, когда предъявленное требование, соединенное с угрозой, доведено до сведения потерпевшего. Невыполнение потерпевшим этого требования не влияет на юридическую оценку содеянного как оконченного преступления.
При решении вопроса об отграничении грабежа и разбоя от вымогательства, соединенного с насилием, следует учитывать, что при грабеже и разбое насилие является средством завладения имуществом или его удержания, а при вымогательстве оно подкрепляет угрозу. Завладение имуществом при грабеже и разбое происходит одновременно с совершением насильственных действий либо сразу после их совершения, а при вымогательстве умысел виновного направлен на получение требуемого имущества в будущем.
Когда вымогательство сопряжено с непосредственным изъятием имущества потерпевшего, при наличии реальной совокупности преступлений эти действия в зависимости от характера примененного насилия должны дополнительно квалифицироваться как грабеж или разбой.
Если требование передачи имущества или права на имущество или совершение других действий имущественного характера является правомерным, но сопровождается угрозой, то такие действия не влекут уголовную ответственность за вымогательство. При наличии признаков состава иного преступления (например, угрозы убийством, самоуправство) содеянное следует квалифицировать по соответствующей статье Особенной части Уголовного кодекса РФ.
Когда согласно предварительной договоренности между соучастниками вымогательства в соответствии с распределением ролей каждый из них совершает отдельное действие, входящее в объективную сторону вымогательства( высказывает требование либо выражает угрозу, либо применяет насилие), все они несут уголовную ответственность за вымогательство, совершенное группой лиц по предварительному сговору.
Старший помощник прокурора
г. Челябинска Л.И. Шемякина
Внести изменения в статью 116 Уголовного кодекса Российской Федерации
Недавно побои были частично переведены в разряд административных правонарушений, но та часть, что по-прежнему осталась уголовным преступлением, составлена юридически неграмотно. Ниже приведённые примеры доказывают это:
Во-первых, отсутствует ответственность за побои, совершенные группой лиц, группой по предварительному сговору или организованной группой (избиение студентки в январе 2016 года в Ульяновске является как раз таким преступлением), а также отсутствует попунктное обозначение каждого обстоятельства или мотива совершенного преступления как, например, в части второй статьи 117 Уголовного кодекса Российской Федерации (истязание), во-вторых, имеется спорная формулировка «близкие лица», к которой у народа Российской Федерации и некоторых политиков, включая Е. Мизулину сформировалось устойчивое отрицательное отношение, и люди хотят отмены этой формулировки, в следствии чего на указанном сайте появилась инициатива 02Ф28599 (Изменить спорную формулировку статьи 116 УК РФ), а сама Е.Мизулина предложила исключить побои в отношении близких лиц из числа преступлений и перевести их в разряд административных правонарушений. Данная формулировка позволяет отправить в колонию на срок до двух лет родителя, который шлёпнул своего ребёнка, не причинив ему физического вреда, указанного в статье 115 УК РФ, что лишает подавляющее большинство родителей Российской Федерации право на воспитание своих детей и по сути является антисемейным законом, создающим повод для произвола со стороны недавно появившейся ювенальной юстиции РФ. В-третьих, наказание за побои, предусмотренные действующей редакцией статьи 116 Уголовного Кодекса Российской Федерации, является слишком завышенным — для сравнения, максимальное наказание за умышленное причинение лёгкого вреда здоровью (часть первая статьи 115 УК РФ) гораздо меньше, и составляет всего 4 месяца ареста против двух лет лишения свободы, что является ничем иным, как неправильной трактовка ценностей и оценкой тяжести и общественной опасности преступления, предоставленных законодателем. Пожалуй, это самый главный недочёт действующей редакции статьи 116 Уголовного Кодекса Российской Федерации.
Предлагается уменьшить наказание, предусмотренное санкцией статьи 116 УК РФ, исключить понятие «близкие лица», дополнить статью пунктом обвинения, предусматривающим ответственность за групповые побои (т. е. совершенные группой лиц, группой по предварительному сговору или организованной группой) и выделить каждый признак совершения преступления (хулиганские побуждения, мотив политической, идеологической, расовой, национальной или религиозной ненависти или вражды и так далее) в отдельные пункты («а», «б», «в») как это имеется во многих частях статей Уголовного Кодекса Российской Федерации. Само название статьи 116 ввиду последних изменений, следует переименовать в «Нанесение побоев, совершенное при отягчающих обстоятельствах», поскольку основная часть данного преступления была переведена в разряд административных правонарушений, а преступлением осталось только совершение данного деяния при отягчающих обстоятельствах (на данный момент (31 августа 2016 года) в отношении близких лиц, из хулиганских побуждений, по мотивам политической, идеологической, расовой, национальной или религиозной ненависти или вражды, либо по мотивам ненависти или вражды в отношении какой-либо социальной группы), либо лицом, подвергнутым административному наказанию за деяние, предусмотренное статьей 6.1.1 Кодекса об административных правонарушениях Российской Федерации.
Практический результат
Приведение в соответствие санкций статьи 116 Уголовного кодекса Российской Федерации с реальной тяжестью совершенного преступления и его общественной опасностью.
Избежание дальнейших нарушений прав семьи, материнства, отцовства, детства, исключение гипотетического элемента ювенальной юстиции из 116 статьи Уголовного кодекса Российской Федерации.
Небольшое снижение числа заключенных в местах лишения свободы, уменьшение криминализации общества и населения Российской Федерации.
Установление уголовной ответственности за групповые побои с реальными сроками лишения свободы.
В СК усмотрели признаки покушения на убийство в избиении в метро Москвы :: Город :: РБК
Фото: Андрей Никеричев / АГН «Москва»
Председатель Следственного комитета (СК) России Александр Бастрыкин распорядился передать уголовное дело об избиении пассажира московского метро «приезжими» в территориальное подразделение СК, поскольку в нем могут быть признаки покушения на убийство, сообщила пресс-служба ведомства.
«Принимая во внимание, что в действиях мужчин могут усматриваться признаки состава преступления, предусмотренного ч. 3 ст. 30 и ч. 2 ст. 105 УК РФ (покушение на убийство из хулиганских побуждений), а также с целью всестороннего установления обстоятельств произошедшего перед надзорным ведомством инициирован вопрос о передаче уголовного дела в территориальное подразделение СК России», — сказано в сообщении.
Бастрыкин также поручил руководителю Главного следственного управления СК по Москве Андрею Стрижову доложить о планируемых следственных действиях и проверить подозреваемых на совершение аналогичных преступлений.
Троих приезжих задержали за избиение мужчины в московском метроРанее в интернете появилось видео инцидента. На нем видно, как три человека окружили лежащего на полу мужчину и как один из них несколько раз ударяет его ногами по голове.
Радиочастотный передатчик на основе гребенки лазерных частот
Значение
Полупроводниковые лазеры — это компактные источники когерентного света. При работе в режиме гребенки оптических частот они могут генерировать спектр, состоящий из дискретных частотных линий, расположенных на одинаковом расстоянии. Большинство приложений частотных гребенок, таких как спектроскопия и метрология, напрямую используют оптический выход этих лазеров. В приложениях микроволновой фотоники выходной сигнал частотной гребенки отправляется на быстрый фотодетектор и используется для получения микроволн.Здесь мы предлагаем объединить лазер, детектор и антенну в одном устройстве. Мы показываем, что, помимо генерации микроволн, правильно спроектированный лазер может излучать микроволны без проводов и модулировать их сигналом, содержащим информацию. Эта работа открывает дверь к типу гибридных электронно-фотонных устройств.
Abstract
Со времен Hertz радиопередатчики эволюционировали от элементарных схем, излучающих около 50 МГц, до современных повсеместных устройств Wi-Fi, работающих в гигагерцевых радиодиапазонах.Поскольку беспроводной трафик данных продолжает расти, существует потребность в новых технологиях связи, способных работать на высоких частотах для высокоскоростной передачи данных. Здесь мы приводим доказательство концепции компактного радиочастотного передатчика на основе частотной гребенки полупроводникового лазера. В этом лазере биение когерентных мод, колеблющихся внутри резонатора, генерирует высокочастотный ток, который передается на электроды устройства. Мы показываем, что изменение конструкции верхнего контакта лазера позволяет использовать внутренний колебательный ток для возбуждения дипольной антенны, которая излучает в свободное пространство.Кроме того, прямая модуляция лазерного тока позволяет кодировать сигнал на излучаемой несущей радиочастоты. Работая в противоположном направлении, антенна может принимать внешний радиочастотный сигнал, связывать его с активной областью и синхронизировать лазер. Эти результаты открывают путь для приложений и функциональных возможностей оптических частотных гребенок, таких как беспроводная радиосвязь и беспроводная синхронизация с эталонным источником.
Оптические поля могут использоваться для синтеза микроволн с низким фазовым шумом с помощью различных методов, таких как оптическое деление частоты (1, 2), оптоэлектронные колебания (3) и лазерный гетеродин (4).Последний может быть реализован в среде с нелинейным оптическим откликом, такой как фотомиксер (5), способный преобразовывать разность частот между оптическими модами в микроволновый тон (6⇓ – 8). Привлекательный аспект квантовых каскадных лазеров (ККЛ), работающих как гребенки оптических частот (9⇓⇓⇓⇓⇓⇓ – 16), заключается в том, что они могут действовать как источники света со спектром, состоящим из эквидистантных мод, и как фотомиксеры — при условии, что их динамика усиления достаточно быстрая, создавая микроволны высокой спектральной чистоты непосредственно внутри лазерного резонатора.Физический процесс, лежащий в основе генерации микроволн, возникает из-за биений между соседними оптическими модами полости стоячей волны, что создает пространственно-временные изменения оптической интенсивности внутри резонатора. Посредством стимулированного излучения и поглощения модулированная интенсивность создает зависящую от времени решетку инверсии населенности, которая колеблется во времени с частотой нот ударов и представляет синусоидальный пространственный узор вдоль полости. Противоположные концы этой динамической электронной решетки колеблются почти в противофазе на частоте биений (рис.1 А ). Такой механизм был использован для демонстрации схемы квадратурной модуляции, использующей переменные токи, колеблющиеся внутри лазера, и системы микроволновых зондов ближнего поля (17).
Рис. 1.( A ) Схема зависящей от времени решетки инверсии населенностей, колеблющейся внутри резонатора частотной гребенки QCL на основной частоте нот биений. В свете этого явления лазер можно рассматривать как два генератора радиочастоты, колеблющиеся в противофазе.( B ) Введение зазора в конструкцию верхнего электрода устройства позволяет использовать переменные высокочастотные токи, генерируемые внутри лазера, для питания дипольной антенны, обеспечивающей беспроводное микроволновое излучение в дополнение к обычному среднему ИК-излучению. Вставки показывают микроволны биений, излучаемые устройством ( верхняя вставка ; fB = 5,5 ГГц), и гребенчатый спектр средней ИК-частоты ( нижняя вставка ). ( C ) Настройка для характеристики диаграммы направленности в дальней зоне.LRT установлен на поворотном столике (RS), и излучение 5,5 ГГц, испускаемое под разными углами в горизонтальной плоскости, измеряется на расстоянии 0,9 м рупорной антенной, подключенной к анализатору спектра. λB обозначает длину волны в свободном пространстве излучаемой ноты биений. Поглотители микроволн используются для устранения нежелательных отражений от окружающей среды. На вставке показано увеличение LRT с поляризацией излучаемого микроволнового поля (двусторонняя стрелка), которое совпадает с поляризацией приемной рупорной антенны.( D ) Диаграммы направленности измеряются в случае, когда зазоры QCL и дипольной антенны открыты и закрыты проволочными зажимами. Направление нормали к поверхности LRT определяет угол 0 ○. Полярные графики показаны с линейной шкалой мощности. Усиление усилителя было вычтено.
В свете этого явления лазер можно рассматривать с другой точки зрения, а именно как совокупность двух генераторов радиочастоты с π-фазовым сдвигом. Обычно верхний электрод этих лазеров состоит из электрически непрерывного металлического контакта, соединяющего два генератора и тем самым предотвращающего излучение устройства.В этой работе мы демонстрируем, что адаптация геометрии верхнего контактного слоя QCL позволяет питать дипольную антенну на чипе, обеспечивая излучение радиоволн в свободное пространство. Сама частота ударов может быть настроена путем модуляции лазерного тока; таким образом, лазер приобретает функциональные возможности превращения в радиопередатчик, способный осуществлять беспроводную связь на несущей частоте 5,5 ГГц, заданной частотой повторения гребенки. Благодаря их быстрой динамике восстановления усиления (18), ККЛ могут генерировать субтерагерцовые несущие при работе в режиме гармонической гребенки с широким интермодальным интервалом (19).Будет обсуждаться расширение представленной здесь конструкции для реализации класса устройств беспроводной связи терагерцового диапазона (20⇓ – 22).
Излучение микроволнового тона в дальней зоне
Лазерный радиопередатчик (LRT) показан на рис. 1 B . Он состоит из непрерывного волновода, гребенчатого волновода, ККЛ Фабри – Перо без покрытия с резонатором длиной 8 мм, работающим как гребенка основной частоты (12) в среднем ИК-диапазоне спектра с узкой (килогерцовой) шириной линии примечанием биений на fB = 5.5 ГГц (рис.1 B ). В верхних контактных слоях устройства протравливается зазор шириной 400 мкм, в результате чего образуются две контактные секции с сопротивлением холостого хода 250 Ом. Два верхних лазерных контакта соединены проводом с полуволновой дипольной антенной с низким импедансом, предназначенной для излучения на fB, состоящей из двух золотых полосок, закрепленных на полиактидной диэлектрической подложке. Ток лазера вводится от источника постоянного тока через антенну в QCL (материалы и методы , ).
Чтобы охарактеризовать диаграмму направленности системы, мы проводим измерения микроволнового излучения ККЛ в дальней зоне. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1 C . LRT установлен на вращающейся платформе, и микроволновое излучение, излучаемое под углами от -90 ○ до 90 ○ в горизонтальной плоскости, обнаруживается направленной рупорной антенной (усиление 18,5 дБи) на расстоянии 0,9 м (16 λB). от источника, усиливается, а затем измеряется анализатором спектра ( SI Приложение ).На рис. 1 D показана измеренная диаграмма направленности устройства (рис. 1 D , сплошная линия). Центральный пик, наблюдаемый около 0 °, исходит от дипольной антенны и QCL, а боковые лепестки связаны с излучением от проводов (приложение SI, приложение ). Максимальная излучаемая мощность составляет примерно -80 дБмВт. Когда зазор между QCL и антенной закрывается с помощью проводов (рис. 1 D , пунктирная линия), максимальная мощность падает до -88 дБмВт. Хотя это не соответствует случаю неструктурированного устройства с непрерывным металлическим электродом — из-за индуктивного характера проводов, который не позволяет им быть идеальным коротким замыканием, — этот результат показывает фундаментальную роль, которую геометрия зазора играет для беспроводной связи. эмиссия.
По измеренному микроволновому излучению, с учетом направленности передающей и приемной антенны и с использованием модели эквивалентной схемы LRT, мы можем оценить доступную микроволновую мощность в источнике. Активную область QCL можно смоделировать как радиочастотный генератор с низким выходным сопротивлением. Контактные площадки по бокам волновода действуют как конденсаторы, подключенные параллельно генератору. Полная модель импеданса контактных площадок и других элементов эквивалентной схемы описана в Приложении SI .Антенна подключена к QCL с помощью проводов, индуктивное поведение которых на микроволновых частотах также учитывается в модели. Наконец, антенна представляет собой нагрузку, подключенную на другом конце цепи. Потери из-за рассогласования импеданса (в основном вызванные наличием емкостных контактных площадок) оцениваются в −22 дБ, что означает, что мощность, фактически излучаемая антенной, на 22 дБ ниже, чем доступная мощность в QCL. Используя этот факт и зная, что общая принимаемая мощность составляет -80 дБмВт, можно вычислить бюджет мощности беспроводной линии связи с помощью формулы Фрииса ( SI, приложение ).Общая излучаемая мощность составляет -58 дБм, что означает, что доступная мощность в QCL оценивается в -36 дБм. На основе численного моделирования генерации радиочастоты QCL ожидается, что доступная мощность увеличится на несколько порядков при работе лазера в режиме гармонической гребенки из-за более высокой оптической мощности на моду и меньшего количества гармоник биений, которые генерируются в это состояние ( SI Приложение ). Несоответствие импеданса источника из-за проводимости контактной площадки может быть скорректировано с использованием геометрии скрытой гетероструктуры с изолирующим слоем из легированного железом фосфида индия (23), что обещает улучшить характеристики извлечения как на микроволновых, так и на субтерагерцовых частотах, поскольку емкостная проводимость контактных площадок будет существенно уменьшено.
Беспроводная передача аудиосигнала
Далее мы представляем доказательство концепции беспроводной связи с использованием LRT. Обратите внимание, что здесь информация кодируется в ноте лазерных ударов, а не на оптическом носителе, как это было сделано в предыдущих работах по оптической беспроводной связи (24). Схема экспериментальной установки представлена на рис. 2 A . Ток лазера модулируется аналоговым аудиосигналом, который, в свою очередь, модулирует частоту ноты удара лазера, позволяя ему кодировать информацию основной полосы частот в 5.Несущая частота 5 ГГц. Радиосигнал принимается рупорной антенной на расстоянии 0,9 м, фильтруется приемным фильтром (полоса пропускания от 1,9 до 5,5 ГГц), усиливается, а затем преобразуется с понижением частоты до 1,5 ГГц путем смешивания с гетеродином (LO ; 7,0 ГГц), чтобы соответствовать полосе пропускания программно-определяемого радио (SDR), используемого для демодуляции. Физический процесс, лежащий в основе управляемой током модуляции нот биений, следующий: модуляция тока ΔI вызывает тепловое изменение активной области QCL, таким образом изменяя групповой показатель преломления ng резонатора.Это, в свою очередь, изменяет интермодальный интервал гребенки и частоту ударов. На рис. 2 B мы представляем каскадный график сигнала, демодулированного SDR, когда ток лазера модулируется при fmod = 0,1 Гц с относительной амплитудой модуляции тока ΔI / I = 0,2%. Нота ударов показывает почти постоянную мощность, а ее мгновенная частота модулируется с периодом 10 с, определяемым fmod, охватывая диапазон девиации частоты 120 кГц, определяемый ΔI. По сути, QCL ведет себя как генератор, управляемый током, который может генерировать частотно-модулированный (FM) сигнал.Эта схема используется для радиопередачи звуковой дорожки, которую можно правильно восстановить после демодуляции (рис. 2 C и звуковой файл S1). Нежелательные медленные тепловые флуктуации резонатора лазера, которые сохраняются, несмотря на использование регулятора температуры, вызывают дрожание нот биений, проявляющееся в виде медленной модуляции базовой линии принятого аудиосигнала. Эффект этих колебаний заключается в добавлении шума ниже 10 Гц ( SI, приложение ), который находится за пределами диапазона звуковых частот (20–20 000 Гц).Высокочастотный фоновый шум, который слышен на дорожке, связан с уровнем минимального шума. Отношение сигнал / шум можно улучшить, увеличив диапазон отклонения частоты модулированной ноты биений, хотя в данной работе это было ограничено полосой пропускания программного демодулятора. В то время как эта демонстрация касается низкочастотного сигнала модуляции звука, модуляция QCL в несколько десятков гигагерц была продемонстрирована с использованием микрополосковой и копланарной геометрии волновода (25–28).В этих исследованиях изучалась высокочастотная модуляция оптического поля в одномодовых ККЛ, и они могут помочь понять влияние многомодовой модуляции ККЛ на генерируемую ноту биений, хотя потребуются дополнительные исследования, чтобы оценить влияние модуляции высокой мощности на частотные гребни. В частности, на частотах модуляции гигагерца мы ожидаем, что нота биений лазера будет преимущественно амплитудно-модулированной плазменными эффектами, так как частота отсечки тепловых эффектов, ответственных за частотную модуляцию, ниже 1 МГц (29, 30).
Рис. 2.( A ) Настройка беспроводной передачи и приема аудиосигнала. Ток лазера модулируется аналоговым сигналом, вызывающим частотную модуляцию ноты биения лазера. Радиосигнал принимается рупорной антенной, фильтруется и преобразуется с понижением частоты, чтобы соответствовать полосе пропускания SDR. ПЧ, промежуточная частота; Осциллограф, осциллограф. ( B ) График водопада, показывающий мгновенную частоту демодулированного сигнала, когда ток лазера модулируется на 0.1 Гц; это показывает, что лазер ведет себя как генератор, управляемый током. ( C ) Исходный и принятый звуковой сигнал (звуковой файл S1 — это полученный звуковой файл: «Volare» Дина Мартина).
Беспроводная синхронизация с внешним источником радиочастоты
Из-за наличия антенны лазер также чувствителен к беспроводным радиочастотным сигналам. Здесь мы показываем, что лазерная нота биений может быть синхронизирована с беспроводным подключением к внешнему микроволновому эталону. Похожая схема инжекционной синхронизации использовалась в полупроводниковых лазерах с синхронизацией мод, оснащенных патч-антеннами и работающих в области телекоммуникаций для приложений радио по оптоволокну (31).Схема установки показана на рис. 3 A . Перестраиваемый по мощности и частоте гетеродин подключен к рупорной антенне, направленной на микросхему QCL. Микроволновый зонд помещается рядом с антенной QCL для отслеживания изменений в нотах биений лазера, вызванных гетеродином, мощность которого колеблется между -30 и 24 дБмВт для набора различных частот. Примеры поведения, демонстрируемого записью биений QCL при беспроводной микроволновой инжекции, показаны на рис. 3 B . В нижнем диапазоне мощностей гетеродина QCL ведет себя как автономный; его нота ударов разблокирована и показывает колебания малой частоты около f0 = 5.501 ГГц из-за тепловых колебаний. Когда мощность гетеродина преодолевает порог, зависящий от расстройки от f0, нота ударов QCL синхронизируется с внешним генератором и прекращает дрожание. Этому явлению предшествует появление более слабой боковой полосы рядом с нотой биений QCL, как это обычно наблюдается в экспериментах с проводной синхронизацией инжекции (26). Увеличение порога мощности с отстройкой от f0 следует квадратичной зависимости, как и ожидалось из теории синхронизации инжекции (32, 33). Для максимальной исследуемой мощности гетеродина (24 дБм) диапазон беспроводной синхронизации составляет около 40 кГц.Следует отметить, что усиление микроволнового излучения лазера на основе конструкции скрытой гетероструктуры, как обсуждалось выше, также улучшит ввод внешних радиосигналов в систему, тем самым снизив пороговую кривую беспроводной синхронизации. Демонстрация беспроводной инжекционной фиксации лазерной биения показывает возможность дистанционного управления частотными гребенками лазера и может открывать приложения в полевых условиях, такие как беспроводная синхронизация нескольких гребенчатых генераторов с одним опорным генератором, без необходимости интеграции сложных взаимосвязанных микроволновые архитектуры.
Рис. 3.( A ) Схема установки для фиксации ноты биений QCL и гетеродина через свободное пространство. Зонд, расположенный рядом с антенной QCL, отслеживает изменения в звуке биений лазера, вызванные гетеродином. Нота ударов измеряется с помощью анализатора спектра (SA). ( B ) Сдвиг спектра нот биений QCL при качании мощности гетеродина между -30 и 24 дБмВт. Порог мощности гетеродина, при котором происходит блокировка, отмечен стрелками. Частоты даны относительно частоты нот ударов автономного QCL (f0 = 5.501 ГГц). Показаны пять примерных случаев. ( C ) Измеренная мощность гетеродина, соответствующая порогу беспроводной привязки ноты биений QCL к гетеродину для разных частот гетеродина (кружки). Также показана аппроксимация теоретической квадратичной зависимости (сплошная линия).
Обсуждение
Эта работа является доказательством демонстрации концепции частотной гребенки QCL, используемой в качестве беспроводного радиопередатчика. Благодаря недавно обнаруженной гармонической гребенчатой работе QCL (17, 19), где интермодальный интервал гребенки составляет сотни гигагерц из-за пропуска продольных мод, частотный диапазон радиопередачи системы может быть потенциально расширен до субтерагерцовых несущих. .Более того, частота таких несущих обещает широкую настраиваемость, поскольку интермодальный интервал гребенки гармонических частот может варьироваться от нескольких 100 ГГц до более 1 ТГц в одном устройстве, как это было недавно экспериментально продемонстрировано путем оптической инжекции внешнее семя (34). В гармоническом режиме внутренняя динамическая решетка будет демонстрировать количество пространственных циклов, соответствующее количеству пропущенных продольных мод в частотной гребенке (17). Адаптация продемонстрированной здесь конструкции волновода к пространственной периодичности этой решетки более высокого порядка обеспечит извлечение значительной части доступной радиочастотной мощности, генерируемой в гармоническом состоянии.Например, конструкции антенн бегущей и стоячей волны, которые уже доказали свою эффективность в криогенно охлаждаемых системах терагерцового ККЛ (35, 36), или поверхностные решетки, используемые в терагерцовых ККЛ для генерации разностных частот (37, 38), могут быть использованы для эффективного излучения генерируемый субтерагерцовый сигнал. Помимо увеличения несущей частоты, гармоническое состояние предлагает спектр из нескольких мощных оптических мод. В принципе, это спектральное распределение оптической мощности представляет собой чистое преимущество гораздо более эффективной генерации радиочастоты для данного тона биений по сравнению с QCL, работающими в режиме основной гребенки, поскольку оно позволяет генерировать радиочастотный спектр, состоящий из меньшего количества но намного сильнее бьют ноты.Численное моделирование предполагает, что QCL в гармоническом состоянии может генерировать ноту биений в диапазоне 100 ГГц с увеличением мощности на 37 дБ по сравнению с мощностью, создаваемой на частоте 5,5 ГГц QCL, работающим как гребенка основной частоты в аналогичном токе и оптике. условия питания ( SI Приложение ). Учитывая, что доступная мощность на частоте 5,5 ГГц для QCL, изучаемого в этой работе, составляет −36 дБмВт, расчетная доступная мощность, которая может быть получена в режиме гармонической гребенки от этого устройства, составляет 1 дБмВт, что превышает уровень −20 дБмВт, который считается допустимым. — нижний предел для практических коммуникационных приложений (22).
Радиочастотные источники QCL выигрывают от хорошего согласования импеданса с элементами извлечения, такими как антенны и волноводы, благодаря низкому импедансу их активной области. Это явное преимущество по сравнению с существующими фотомиксерами терагерцового диапазона, которые страдают от высокого импеданса порядка десятков кОм, что приводит к снижению энергоэффективности на несколько порядков. Благодаря частотной гребенчатой природе излучения света внутри полости, этот радиочастотный источник может генерировать тона с высокой спектральной чистотой, что приводит к очень узкой (килогерц или субкигерц) ширине линии.Другой привлекательной особенностью LRT является то, что несущая частота может управляться током лазера, что позволяет в принципе синхронизировать его по фазе с эталонным микроволновым источником с использованием частотного деления и, таким образом, стабилизировать его с высокой точностью. В конечном счете, представленная здесь система получит преимущества беспрецедентной компактности по сравнению с существующими композитными системами беспроводной связи терагерцового диапазона (20), объединяя в одном устройстве возможность генерирования, модуляции и излучения субтерагерцовых волн при комнатной температуре, и она может найти применение в различных областях. от телекоммуникаций и спектроскопии до радиоастрономии и квантовой оптики.
Материалы и методы
Лазеры и антенны.
ККЛ имеет слоистую структуру, состоящую из решетки GaInAs / AlInAs, согласованной с InP; он излучает на расстоянии 9,0 мкм и более подробно описан в ссылке. 39. Волновод с ККЛ шириной 12 мкм был изготовлен реактивным ионным травлением с последующей пассивацией SiN с использованием плазменного химического осаждения из газовой фазы, контактного осаждения Ti / Au с распылением с использованием подъема, утонения подложки до 150 мкм, Ti / Нанесение контакта Au и скалывание на устройство длиной 8 мм.Аппарат был напаян эпитаксиальной стороной вверх индием на медную пластину. Полуволновая дипольная антенна рассчитана на fB = 5,5 ГГц и состоит из двух полосок металла золотого цвета (каждая длиной 6,5 мм и шириной 2 мм) с зазором 1 мм, лежащих на полиактидной подложке, напечатанной на 3D-принтере (3- мм толщиной, εr = 2,7). Каждое плечо антенны соединено с одной стороны с одной из двух верхних площадок QCL с помощью проводов, а с другой стороны — с отрицательным разъемом источника тока через индуктор для минимизации утечки радиочастоты (RF) (приложение SI, приложение , Инжир.S2 C ). QCL работает в основном режиме частотной гребенки (1 свободный спектральный диапазон, интермодальный интервал) при вводимом токе ~ 1,82 A (1,26Ith), управляемом малошумящим драйвером тока (Wavelength Electronics QCL LAB 2000) и с его температурной стабилизацией. при 16 ○ C с использованием терморегулятора с низким тепловым дрейфом (Wavelength Electronics TC5). В этом рабочем состоянии дифференциальное сопротивление QCL оценивается в 1,3 Ом, а излучаемая оптическая мощность на грань составляет 40 мВт.Несвязанные режимы автономного QCL обычно генерируют широкую ноту биений с мегагерцовой шириной линии и пьедесталом с высоким фазовым шумом. Здесь лазер работает в режиме частотной гребенки с шириной биений килогерцовой линии, которая достаточно узкая для целей данной демонстрации. Если требуется для конкретного применения, ширина линий нот биений на уровне герц может быть достигнута в квантовом ключе за счет дополнительных улучшений в стабильности температуры и тока лазера, а также за счет управления его дисперсией.
Микроволновые измерения в дальней зоне.
Картирование дальнего поля было выполнено путем установки коммерческой директивной рупорной антенны (RF Elements SH-CC 5-30) на том же оптическом столе с передатчиком QCL на расстоянии ∼0,9 м (16 λB) от сборки QCL. . Антенна имеет максимальное усиление 18,5 дБи, незначительные возвратные потери на частоте 5,5 ГГц и два отдельных порта для вертикальной и горизонтальной поляризации, и она была нацелена на передатчик QCL. Последний установлен на моторизованном поворотном столике, что позволяет отображать дальнее поле в горизонтальной плоскости.Оптический стол и другие отражающие поверхности поблизости покрыты поглотителями микроволнового излучения (SFC-4 от Cuming Microwave) с коэффициентом отражения менее 30 дБ на частоте 5,5 ГГц. Выход антенны (50 Ом) подключается к малошумящему предусилителю (с усилением 19 дБ), а затем к анализатору спектра (Agilent E4448A). Этап и сбор данных контролируются компьютером.
Радиопередача.
Сигнал напряжения, генерируемый аудиоплеером, используется для модуляции лазерного тока с помощью внешнего аналогового модулирующего входа источника тока (Wavelength Electronics QCL LAB 2000; аналоговая функция передачи тока: 0.4 A / V). Громкость аудиоплеера выбирается таким образом, чтобы максимальное выходное напряжение размаха до значения (0,2 В) было таким, чтобы максимальное отклонение частоты модулированной ноты ударов QCL находилось в пределах полосы демодуляции программно-определяемого радио ( RTL-SDR: диапазон частот тюнера R820T от 25 до 1750 МГц; ширина полосы демодулятора RTL2832U 200 кГц). Используется широкополосная схема демодуляции FM. Как показано на рис. 2 A , усиление усилителя составляет 19 дБ на частоте 5,5 ГГц, а мощность гетеродина (Hittite HMC-T2240) составляет 0 дБмВт.
Беспроводная блокировка впрыска.
Главный сигнал генерируется гетеродином (Hittite HMC-T2240), питающим рупорную антенну (RF Elements SH-CC 5-30). Для отслеживания изменений нот биений ККЛ, вызванных сигналом внешнего генератора, коаксиальный радиочастотный зонд (Quater A-20338; полоса пропускания постоянного тока 18 ГГц; диаметр наконечника ∼ 100 мкм) помещается в ближнее поле дипольной антенны на ККЛ. чип (∼2 мм от края одного из двух плеч). Это устройство является неинвазивным (в том смысле, что зонд не находится в электрическом контакте с дипольной антенной) и позволяет одновременно контролировать как ноту биений QCL RF, так и основной излучаемый сигнал гетеродина.Сигнал, обнаруженный зондом, усиливается (усиление 19 дБ) и измеряется анализатором спектра (Agilent E4448A).
Благодарности
Мы благодарим Д. Казакова за обсуждения, которые мотивировали эту демонстрацию, и внимательное чтение рукописи, а также А. Амиржана за полезные обсуждения. Мы признательны за поддержку со стороны NSF Award ECCS-1614631. Работа, проводимая лабораторией Линкольна, спонсировалась помощником министра обороны США по научно-исследовательским и инженерным работам по контрактам ВВС FA8721-05-C-0002 и / или FA8702-15D-0001.Эта работа была частично выполнена в Центре наномасштабных систем, члене Национальной сети координированной инфраструктуры нанотехнологий, которая поддерживается премией NSF № 1541959. M.T. благодарит за поддержку Швейцарского национального научного фонда, грант 177836. B.S. был поддержан австрийским научным фондом Project NanoPlas P28914-N27. N.A.R. поддерживается грантом программы стипендий NSF DGE1144152. Любые мнения, выводы, заключения или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат авторам и не обязательно отражают точку зрения помощника министра обороны по исследованиям и разработкам или NSF.
Сноски
Вклад авторов: M.P., M.T., B.S., P.C., N.A.R., A.B., and F.C. спланированное исследование; M.P., M.T., B.S., P.C., N.A.R., Y.W., C.A.W., M.K.C. и D.M. проведенное исследование; M.P., M.T. и Y.W. проанализированные данные; и M.P., M.T. и F.C. написал газету.
Рецензенты: J.F., ETH Zurich; и T.W.H., Институт квантовой оптики Макса Планка.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.14116/-/DCSupplemental.
Линия MMWoF с большим радиусом действия 60 ГГц со свободными лазерными диодами
Теоретический принцип: a. фотонная ММВ несущая на частоте 60 ГГц двух взаимно некогерентных оптических несущих. б. квадратичное обнаружение огибающей мощности для данных MMW QAM-OFDM 60 ГГц
Концепция взаимно некогерентной генерации оптической несущей с двумя длинами волн и удаленного оптического гетеродина синтеза несущей MMW в системе MMWoF проиллюстрирована на рис.1. Эта архитектура состоит из ключевых методов, включая: (i) модуляцию с одной несущей с помощью CLD с синхронизацией по длине волны и (ii) квадратичное обнаружение огибающей мощности взаимно некогерентных двухволновых оптических несущих, гетеродифицированных MMW QAM-OFDM. данные. В CO в качестве ведущего оптического устройства для реализации оптической передачи в основной полосе используется свободно работающий перестраиваемый лазер (TL) (рис. 1 (a)). Для кодирования QAM-OFDM в конкретный канал DWDM в качестве оптического модулятора и модо-селективного усилителя используется ведомый CLD с прямой модуляцией (рис.{N} {P} _ {n} \, \ cos (2 \ pi n {f} _ {поднесущая} t + {\ theta} _ {n})}] \ cos [kz-2 \ pi ({f} _ {1} + \ Delta {f} _ {1}) t], = {E} _ {OFDM} (t) \ cos [kz-2 \ pi ({f} _ {1} + \ Delta {f } _ {1}) t] $$
(1)
, где P 0 обозначает среднюю мощность CLD, N общее количество поднесущих OFDM, k постоянная распространения, f 1 оптическая частота и Δ f 1 собственное колебание частоты, вызванное CLD, и P n , f поднесущая и θ n обозначают оптическую мощность, частоту и фазу n -я поднесущая OFDM соответственно.После передачи SMF взаимно некогерентные двухволновые оптические несущие получают путем комбинирования переданной в нисходящем потоке несущей CLD с другой локализованной несущей TL в оптическом сетевом блоке (ONU). Такие свободно работающие и независимые от когерентности двухволновые оптические носители демонстрируют только оптическую модуляцию с одной несущей, чтобы полностью устранить эффект замирания радиочастотной мощности, вызванный хроматической дисперсией, после обнаружения оптического гетеродина (рис. {\ rightharpoonup} (z, \, t) = {E} _ {OFDM} (t) \ cos [kz-2 \ pi ({f} _ {1} + \ Delta {f} _ {1}) t] + {E} _ {TL, local} \, \ cos [ kz-2 \ pi ({f} _ {2} + \ Delta {f} _ {2}) t], $$
(2)
, где E TL, локальный обозначает амплитуду, f 2 оптическую частоту, а Δ f 2 флуктуацию частоты локализованной TL.{2} \ frac {1 + \, \ cos \, 2 [2 \ pi ({f} _ {2} — {\ rm {\ Delta}} {f} _ {2}) t]} {2} \\ + {E} _ {OFDM} (t) {E} _ {TL, local} \, \ cos [2 \ pi ({f} _ {1} + {f} _ {2} + {\ rm {\ Delta}} {f} _ {1} — {\ rm {\ Delta}} {f} _ {2}) t] \\ + {E} _ {OFDM} (t) {E} _ {TL , local} \, \ cos [2 \ pi ({f} _ {1} — {f} _ {2} + {\ rm {\ Delta}} {f} _ {1} + {\ rm {\ Delta }} {f} _ {2}) t] \ end {array} \}, $$
(3)
, где R обозначает чувствительность PD. В уравнении. 3 четвертый член справа — это центральная несущая MMW с доставленными данными QAM-OFDM.Обычно передаваемые MMW данные на беспроводном приемном конце должны быть преобразованы с понижением частоты в основную полосу частот путем смешивания микроволнового гетеродина. Из-за несинхронизации фазы и несинхронизации частоты между взаимно некогерентными двухволновыми оптическими несущими, суммарная флуктуация частоты оптически гетеродифицированной центральной несущей MMW (Δ f = Δ f 1 + Δ f 2 ) серьезно делают нестабильность понижающего преобразования. Чтобы избежать такого колебания шума, возникающего из-за биений свободно работающих и независимых от когерентности несущих, используется квадратичный детектор огибающей мощности, который может самостоятельно преобразовывать данные QAM-OFDM из диапазона MMW в полосу модулирующих частот без использования микроволн. гетеродин и исключает влияние шума, вызванного нестабильностью понижающего преобразования.{2} [2 \ pi ({f} _ {1} — {f} _ {2} + {\ rm {\ Delta}} f) t] = {P} _ {OFDM} (t) \ {\ cos [2 \ pi (2 {f} _ {1} -2 {f} _ {2} +2 {\ rm {\ Delta}} f) t] +1 \} = {P} _ {OFDM} ( t) + {P} _ {OFDM} (t) \ cos [2 \ pi (2 {f} _ {1} -2 {f} _ {2} +2 {\ rm {\ Delta}} f) t ], $$
(4)
В уравнении. 4 первый член в правой части обозначает электрическую мощность данных OFDM, преобразованных с понижением частоты, что ясно указывает на исключение флуктуаций частоты, вызванных преобразованием с понижением частоты, в данных OFDM. С другой стороны, полученная электрическая мощность данных OFDM, преобразованных с понижением частоты, составляется путем умножения оптической мощности данных OFDM на квадрат чувствительности и оптической мощности локализованного TL.На основе такого соотношения электрическая мощность данных OFDM, преобразованных с понижением частоты, может быть эффективно увеличена за счет увеличения оптической мощности локализованного TL при фиксированной чувствительности приемника частичных разрядов. Таким образом, в предлагаемой концепции локализованный TL рассматривается как ключевой источник света, чтобы не только обеспечивать дистанционно независимую от когерентности оптическую несущую, но также усиливать мощность приема данных OFDM, преобразованных с понижением частоты.
Характеристики пропускной способности модулятора CLD с синхронизацией по длине волны и Кодирование данных OFDM 64-QAM с помощью модулятора CLD с синхронизацией по длине волны для оптической нисходящей передачи
Внешнее заполнение модулятора CLD с помощью ведущего устройства не только управляет выбранной длиной волны канала DWDM, но и увеличивает полосу модуляции за счет шума чрезвычайно низкой интенсивности во время кодирования данных QAM-OFDM.На рис. 2 (а) показан оптический спектр модулятора CLD при токе смещения 56 мА до и после внешнего ввода 3 дБмВт. Свободно работающий модулятор CLD с увеличенной длиной резонатора и уменьшенным коэффициентом отражения от передней грани может обеспечивать плотные продольные моды с интервалом между длинами волн 0,6 нм. Инжекция задающего сигнала при 3 дБм вынуждает модулятор CLD выбирать одиночную продольную моду с коэффициентом подавления боковой моды (SMSR) до 47,8 дБ (обозначено меткой «X» на рис. 2 (a)).Обратите внимание, что продольная мода с красным смещением обусловлена присущей стабильной синхронизацией CLD, расположенной на немного большей длине волны из-за эффективного снижения порога 37 . Как показано на рис. 2 (b), зависимость мощности от тока демонстрирует, что пороговый ток подчиненного модулятора CLD снижается с 19 до 9 мА после подачи внешнего ведущего устройства, что также увеличивает выходную мощность подчиненного модулятора CLD. при фиксированной точке смещения. На рисунке 2 (c) показаны частотные характеристики модуляции модулятора CLD с синхронизацией длины волны ведущим устройством и без нее.В состоянии автономной работы модулятор CLD обеспечивает полосу модуляции 6 дБ 8,4 ГГц для передачи данных QAM-OFDM, которая немного сокращается до 7,5 ГГц после синхронизации длины волны с ведущим, поскольку эффект спада снижает мощность частотно-частотная характеристика 30,31 . То есть либо большое смещение, либо сильная инжекция существенно повышают частоту релаксационных колебаний модулятора CLD, что, таким образом, жертвует низкочастотной энергией для расширения широкополосного отклика.С другой стороны, синхронизация длины волны модулятора CLD не только увеличивает его частоту релаксационных колебаний, но также подавляет его относительный шум интенсивности (RIN) 38 . Как показано на рис. 2 (d), пик RIN модулятора CLD может быть сдвинут вверх с 7,4 до> 10 ГГц после интенсивной инжекции задающего сигнала, что значительно снижает уровень RIN с -102,2 до -108,2 дБ / ГГц. Хотя синхронизация основной длины волны сужает полосу пропускания ведомого модулятора CLD на 6 дБ за счет сдвига частоты релаксационных колебаний вверх, повышенная выходная мощность и уменьшенный RIN по-прежнему обеспечивают отличные функции модуляции, способствующие кодированию данных QAM-OFDM.
Рисунок 2Выходные характеристики CLD с синхронизацией по длине волны и характеристики передачи переносимых данных OFDM 64-QAM при оптической передаче BtB. ( a ) оптические спектры, ( b ) зависимости мощности от тока, ( c ) частотные характеристики и ( d ) отклики RIN модулятора CLD с синхронизацией длины волны и без нее. ( e ) BER и графики созвездий. ( f ) Отклики SNR при разных токах смещения. ( g ) Отклики SNR с различным интервалом частот отклонены от точки постоянного тока.
Поскольку средняя мощность электрических данных 64-QAM OFDM фиксирована на уровне 1,6 дБм, соответствующая точка смещения модулятора CLD с синхронизацией по длине волны должна быть оптимизирована, чтобы предотвратить ограничение формы сигнала QAM-OFDM во временной области путем прямой модуляции ниже порогового значения. (I bias -I th OFDM ) или за пределами насыщения (I sat -I bias OFDM ). На рисунке 2 (e) показаны значения BER и соответствующие графики совокупности оптических встречно-обратных (BtB) данных OFDM 64-QAM, передаваемых в полосе частот OFDM 8 ГГц, переносимых модулятором CLD с синхронизацией по длине волны, как функция смещения. токи.Доставленные данные QAM-OFDM оптимизируют EVM до 7,1% и BER до 3,7 × 10 −3 за счет увеличения постоянного тока смещения модулятора CLD до 56 мА, что является результатом снижения RIN и подавления ограничения формы сигнала после оптимизации. Чрезмерное смещение модулятора CLD за пределы 60 мА может вызвать искажение формы сигнала в верхней части, что приведет к ухудшению EVM и BER данных QAM-OFDM до 7,5% и 4,8 × 10 -3 соответственно. Это вызвано либо ограничением насыщения, либо снижением пропускной способности модулятора CLD, что ухудшает реакцию SNR данных QAM-OFDM, переносимых поднесущими OFDM на высоких частотах.На рисунке 2 (f) показаны характеристики SNR данных QAM-OFDM, передаваемых модулятором CLD с синхронизацией по длине волны, смещенным при разных токах. При увеличении тока смещения модулятора CLD до 56 мА характеристика отношения сигнал / шум передаваемых данных QAM-OFDM может быть увеличена на> 2 дБ (с 22,1 до 23 дБ), в то время как чрезмерное смещение неизбежно ухудшает среднее отношение сигнал / шум до уровня сравнимо с случаями недостаточной предвзятости. Чтобы предотвратить ухудшение SNR данных OFDM 64-QAM на низких частотах поднесущих OFDM из-за отклика среза электрических компонентов, частота первой поднесущей OFDM увеличивается до 46.9 МГц от точки постоянного тока. Как показано на рисунке 2 (g), отклик SNR данных OFDM 64-QAM на низких частотах может быть улучшен на> 6 дБ после увеличения начального частотного разнесения для выделения поднесущих OFDM до 46,9 МГц, что оптимизирует EVM для 7%, средний SNR до 23,1 дБ и BER до 3,4 × 10 −3 .
Улучшение передаваемых данных OFDM 64-QAM с помощью технологии предыскажения
Для дальнейшего улучшения данных OFDM 64-QAM, переносимых модулятором CLD с синхронизацией по длине волны, технология предыскажения используется для сглаживания отклика SNR по всему пропускная способность кодирования полученных данных QAN-OFDM.В верхней части рисунка 3 (а) показаны характеристики отношения сигнал / шум данных QAM-OFDM, переносимых модулятором CLD с синхронизацией по длине волны с технологией предыскажения и без нее. Среднее SNR данных QAM-OFDM может быть улучшено до 23,5 дБ после реализации предыскажения, что соответствует требуемому FEC критерию SNR 21,1 дБ (обеспечивая критерий BER 3,8 × 10 −3 ). Нижняя часть рисунка 3 (а) иллюстрирует улучшение отношения сигнал / шум после использования предыскажения. На рисунке 3 (b) показаны графики совокупности полученных данных QAM-OFDM с предварительным выделением и без него, в которых EVM может быть улучшено до 6.6% после предыскажения. Путем реализации акцента также может быть увеличена допустимая ширина полосы данных OFDM 64-QAM, переносимых модулятором CLD с синхронизацией по длине волны. На рисунке 3 (c) показаны SNR-отклики оптических BtB, передаваемых данных QAM-OFDM при различных полосах частот модуляции.
Рисунок 3Производительность передачи данных OFDM 64-QAM с предварительным выделением и без него. (a ) отклики и разность SNR и (b ) графики совокупности данных OFDM 64-QAM с предварительным выделением и без него.( c ) SNR-ответы и ( d ) графики совокупности данных OFDM 64-QAM при различных полосах частот модуляции после предварительного выделения.
Увеличение полосы модуляции до 9 ГГц эффективно снижает общий отклик SNR на 1 дБ, что связано с перераспределением энергии по расширенной полосе пропускания, так что предыскажение потребляет энергию для выравнивания отклика SNR. Это ухудшает средний SNR и BER данных QAM-OFDM с 23,5 до 21,9 дБ и с 5.2 × 10 −4 до 2,7 × 10 −3 соответственно. При дальнейшем увеличении ширины полосы модуляции до 10 ГГц, отношение сигнал / шум данных QAM-OFDM серьезно снижается на> 2,5 дБ, поскольку модулятор CLD больше не доступен для обеспечения достаточной энергии для выполнения предыскажения. Это ухудшает средний SNR и BER принятых данных QAM-OFDM до 17,9 дБ и 2,8 × 10 -2 соответственно, что не соответствует критерию FEC. На рисунке 3 (d) показаны графики совокупности полученных данных QAM-OFDM с предварительным акцентом на различных полосах частот модуляции, что показывает EVM, равное 6.6%, 8% и 12,7% для ширины полосы модуляции 8, 9 и 10 ГГц соответственно. Обратите внимание, что данные широкополосного QAM-OFDM с частотой 8 и 9 ГГц могут пройти критерий FEC, тогда как широкополосный QAM-OFDM с частотой 10 ГГц не может быть успешно декодирован даже при вышеупомянутой обработке. Чтобы оценить характеристики большой досягаемости при оптической мощности приема -3 дБмВт, ответы SNR принятых данных OFDM 64-QAM в полосе модуляции 9 ГГц до и после передачи SMF на 50 км сравниваются на рисунке 4 ( а).После прохождения 50-километрового SMF замирание радиочастотной мощности, вызванное хроматической дисперсией, серьезно снижает SNR полученных данных QAM-OFDM на высоких частотах с наибольшим ухудшением> 9 дБ, что неизбежно снижает SNR с 20,7 до 14,6 дБ в в среднем. Очевидно, рис. 4 (b) иллюстрирует ответ SNR принятых данных QAM-OFDM до и после передачи SMF на 50 км. Даже с предыскажением для выравнивания ответа SNR, передаваемого BtB, отношение сигнал / шум большого радиуса действия данных QAM-OFDM по-прежнему не соответствует критерию FEC, поскольку усиление дозой предыскажения не преодолевает ухудшение мощности, вызванное замиранием при приеме мощности. .
Рисунок 4Производительность данных OFDM 64-QAM при полосе модуляции 9 ГГц до и после передачи SMF на 50 км. Отклики SNR для данных OFDM 64-QAM до и после передачи SMF на 50 км ( a ) без и ( b ) с предварительным выделением. ( c ) SNR-ответы, ( d ) BER и соответствующие графики созвездия 50-километрового SMF, передавшего данные OFDM 64-QAM с их модуляцией в диапазоне от 4 до 9 ГГц. BER в зависимости от мощности приема данных OFDM с 64-QAM при ширине полосы модуляции 9 и 4 ГГц ( e ) до и ( f ) после передачи SMF на 50 км.
Чтобы соответствовать критерию FEC, должна быть соответственно определена допустимая ширина полосы модуляции для данных QAM-OFDM, передаваемых SMF с большим радиусом действия 50 км, с предварительным выделением. Как показано на рис. 4 (c, d), уменьшение ширины полосы модуляции с 9 до 4 ГГц восстанавливает средний SNR переданных данных QAM-OFDM с 15,7 до 21,6 дБ для одновременной оптимизации BER и EVM с 5,6 × 10 — 2 до 3,8 × 10 −3 и от 16,4% до 8,3%, соответственно, для соответствия критерию FEC. Кроме того, на рис.4 (e, f) показаны соответствующие характеристики BER в зависимости от мощности оптического приема. При оптической передаче BtB самый низкий BER 1,6 × 10 −2 достигается для данных QAM-OFDM с частотой 9 ГГц при оптической мощности приема −3 дБм, которая может быть дополнительно улучшена до 2 × 10 −3 после реализации предыскажения. BER увеличивается сверх ограничения FEC после снижения оптической мощности приема до <−4 дБмВт. После передачи на большие расстояния в SMF на 50 км самый низкий BER, равный 3,4 × 10 −3 , может быть получен при мощности приема -3 дБмВт для данных QAM-OFDM 4 ГГц.По сравнению с оптической передачей BtB при ширине полосы данных 9 ГГц, BER большой дальности на основе SMF 50 км ухудшается с ухудшением мощности приема в 1 дБ из-за эффекта замирания мощности РЧ. Даже с технологией предыскажения для выравнивания ответа SNR данные QAM-OFDM по-прежнему требуют большей мощности для поддержания своего SNR во время передачи на большие расстояния. Кроме того, наклон BER в зависимости от мощности приема показывает, что характеристики BER для данных QAM-OFDM, передаваемых SMF на 50 км с предварительным выделением, становятся менее чувствительными к оптической мощности приема после передачи SMF на 50 км.
Характеристики беспроводной 16-QAM OFDM после преобразования несущей из оптической в MMW на 60 ГГц
Вначале анализируется и сравнивается флуктуация несущей частоты сигнала MMW 60 ГГц, оптически гетеродифицированного из взаимно некогерентных двухволновых оптических несущих. полученный с помощью стандартной технологии модуляции CCS-DSB. В результате на рис. 5 (a) показаны оптические спектры, а на рис. 5 (b) сравниваются электрические спектры некогерентных и когерентных двухрежимных оптических несущих и их оптически гетеродифицированных несущих MMW на частоте 60 ГГц.Частота несущей MMW с некогерентными биениями серьезно колеблется, чтобы произвольно сканировать ее центральный пик с шириной спектральной линии 16,2 МГц. Колебания частоты в основном возникают из-за относительного изменения длины волны между двумя независимыми лазерными диодами. Поскольку механизм блокировки инжекции вынуждает подчиненный бесцветный лазерный диод одновременно синхронизировать свои длины волн с двумя независимыми лазерными диодами, относительные колебания частоты между двумя главными лазерными диодами все еще существуют, так что оптически гетеродифицированная несущая MMW демонстрирует соответствующее изменение частоты.В свою очередь, когерентно сгенерированные оптические несущие с двумя длинами волн могут превзойти очень стабилизированную несущую MMW с шириной спектральной линии, расширяющейся только до 81,4 кГц, из-за характеристики высокой когерентности полностью когерентной пары несущих CCS-DSB. Даже несмотря на то, что некогерентные двухрежимные оптические несущие превосходят широкополосную колеблющуюся и сканированную несущую MMW, наша работа продемонстрирует, что передаваемые данные QAM-OFDM MMW 60 ГГц могут быть стабильно преобразованы с понижением в базовую полосу с высокой устойчивостью к нестабильности несущей частоты. с помощью детектора мощности с квадратичным детектированием огибающей мощности.Для подавления дополнительных шумов в предлагаемом канале MMWoF используется полосовой микроволновый фильтр с шириной полосы пропускания 10 ГГц на центральной частоте 60 ГГц для уменьшения шумов усилителя перед преобразованием с понижением частоты, что в некоторой степени ограничивает допустимую полосу модуляции в пределах 5 ГГц для MMW переносил данные OFDM 32-QAM.
Рис. 5Колебания несущей частоты 60-ГГц MMW-сигнала, оптически гетеродированного от взаимно некогерентных и когерентных двухволновых оптических несущих.( a ) Оптические спектры и ( b ) электрические спектры биений некогерентных и когерентных двухволновых лазерных источников для оптического гетеродина центральных носителей MMW. DWOC: оптические носители с двумя длинами волн.
После оптически гетеродифицированного преобразования несущей из оптической в MMW-область исследуются SNR-ответы данных 32-QAM OFDM, охватывающих различные полосы пропускания через оптические BtB и 3-метровые передачи MMW, как показано на рисунке 6 (a). Среднее SNR полученных данных QAM-OFDM ухудшается с 18.От 6 до 18,2 дБ за счет увеличения полосы модуляции с 3 до 3,3 ГГц. Дальнейшее увеличение ширины полосы модуляции до 3,4 ГГц серьезно ухудшает отношение сигнал / шум на> 5,8 дБ на высоких частотах, поскольку более высокие поднесущие OFDM около края полосы пропускания полосового фильтра испытывают больший фазовый шум, что приводит к снижению среднего отношения сигнал / шум до 17,5 дБ. На рисунке 6 (b) показана соответствующая производительность BER, чтобы заявить о его ухудшении с 5,8 × 10 −3 до 1,1 × 10 −2 с расширением полосы частот модуляции данных с 3 до 3.4 ГГц.
Рисунок 6Производительность оптических BtB и 3-метровых данных OFDM 32-QAM, передаваемых в свободном пространстве, с предварительным выделением и без него. Характеристики ( a ) SNR и ( b ) BER данных OFDM 32-QAM при различных полосах частот модуляции данных. ( c ) Графики созвездий и ( d ) SNR-ответы данных OFDM 32-QAM в полосе частот 3,3 ГГц с предварительным выделением и без него.
Из-за неравномерной частотной характеристики используемых микроволновых компонентов, несколько нежелательных частотных провалов возникают в ответе SNR, чтобы ухудшить BER принятых данных 32-QAM OFDM, охватывающих 3–3.Полоса модуляции 4 ГГц. Прежде всего, фиг. 6 (c) изображает графики совокупности принятых данных QAM-OFDM с предварительным выделением. Соответствующий EVM немного снижается с 12,3% до 11% после применения предыскажения. На рисунке 6 (d) сравниваются характеристики SNR в полосе данных модуляции 3,3 ГГц с предварительным выделением и без него, при этом наблюдается не только улучшение SNR> 2 дБ, но также уменьшение SNR на частотах 2,1 и 2,3 ГГц, что оптимизирует средний SNR. с 18,2 до 19,1 дБ для снижения BER с 7.1 × 10 −3 до 1,9 × 10 −3 . После 50-километровой передачи на основе SMF с большой дальностью действия верхняя часть рисунка 7 (a) показывает ответы SNR для данных 32-QAM OFDM, передаваемых в свободном пространстве MMW с шириной 3 метра. В отличие от случая оптического BtB с одновременной модуляцией двух длин волн при передаче потока данных, модуляция и передача с одной несущей позволяют избежать замирания мощности, вызванного хроматической дисперсией, на оптоэлектрически генерируемых данных QAM-OFDM на 60 ГГц после обнаружения гетеродина. Следовательно, ухудшение отношения сигнал / шум из-за потерь распространения SMF и шума усилителя на волокне, легированном эрбием (EDFA), компенсируется увеличением коэффициента усиления EDFA.При оптической мощности приема 2 дБмВт после SMF на 50 км и беспроводной передачи на 3 м, SNR и BER могут быть соответственно улучшены с 17,6 до 18,4 дБ и с 1 × 10 −2 до 3,7 × 10 −3 после реализует предварительное выделение, и максимальная разница SNR, показанная в нижней части рисунка 7 (a), также уменьшается с 7,5 до 4,7 дБ соответственно. Путем ослабления мощности приема в нисходящем потоке, но оставления локальной мощности TL на уровне 12 дБмВт, анализируется чувствительность мощности приема. Из диаграмм созвездия 3-метровых переданных данных QAM-OFDM в свободном пространстве с предыскажением до и после передачи SMF на 50 км, EVM принятых данных QAM-OFDM ухудшается только на 0.1% (от 12% до 12,1%), как показано на рис. 7 (б). Это важный вклад в объединение канала MMWoF с PON большой досягаемости, поскольку влияние замирания РЧ мощности, вызванного передачей SMF, может быть уменьшено с помощью оптической модуляции с одной несущей и предварительного выделения.
Рисунок 7Производительность передачи данных 32-QAM OFDM в свободном пространстве 3 м до и после передачи SMF на 50 км с предварительным выделением и без него. ( a ) Отклики SNR (вверху) и разность (внизу) данных OFDM 32-QAM в 3.3 ГГц до и после передачи SMF на 50 км. ( b ) Графики созвездий и ( c ) чувствительность BER для данных OFDM с 32-QAM до и после передачи SMF на 50 км.
При оптической передаче BtB, 3-метровая беспроводная передача данных 32-QAM OFDM с MMW обеспечивает самый низкий BER, снижающийся с 7,1 × 10 −3 до 1,9 × 10 −3 при оптической мощности приема 6 дБмВт с предварительным -усиление, которое не проходит FEC при ослаблении оптической мощности приема до <2 дБмВт, как показано на рис.7 (в). При увеличении расстояния оптической проводки до 50 км в SMF, самый низкий BER 1 × 10 −2 , полученный при мощности приема 2 дБмВт, может быть оптимизирован до 3,8 × 10 −3 с помощью предварительного выделения. В частности, предлагаемый MMWoF выявляет аналогичный BER до и после передачи SMF на 50 км. Пока канал MMWoF резервирует достаточную оптическую мощность приема для данных QAM-OFDM, предварительное выделение может эффективно сгладить его SNR и оптимизировать его BER до того же уровня.
Чтобы приблизиться к многоканальным приложениям DWDM, исследуется допустимое количество каналов взаимно некогерентных двухрежимных оптических несущих.На рисунке 8 (а) показаны оптические спектры автономного модулятора CLD и EDFA, используемых для усиления с большой досягаемостью. Свободно работающий модулятор CLD имеет центральную длину волны 1571,7 нм и широкий спектр усиления в диапазоне от 1547 до 1586 нм, что может поддерживать многочисленные каналы DWDM для MMWoF с помощью главного управления длиной волны. Чтобы применить предложенный MMWoF для передачи SMF на большие расстояния, выходная мощность модулятора CLD с синхронизацией по длине волны должна быть достаточно увеличена, чтобы преодолеть затухание и шум.Это ограничивает допустимое количество каналов, поскольку используемый EDFA имеет конечный и несогласованный диапазон спектра усиления (на текущем этапе используется 1530–1560 нм). Чтобы заявить о таких недостатках, на рис. 8 (а) также показано наложение двух спектров усиления для подтверждения допустимых каналов после оптической модуляции и усиления; однако реальная ситуация с модулированной CLD оптической несущей после усиления не может быть оценена из перекрывающихся спектров усиления, поскольку конкуренция усиления и истощение EDFA в одномодовом случае неясны.Следовательно, только 13 каналов MMWoF выбраны для доставки оптических несущих с двумя длинами волн для оценки их характеристик передачи, как показано на рисунке 8 (b). Характеристики BER для оптических 50-километровых SMF-длин и MMW-3-метровых беспроводных передаваемых данных 32-QAM OFDM, переносимых разными наборами взаимно некогерентных двухдиапазонных оптических несущих, сравниваются на рисунке 8 (c), который ясно показывает что каждый доступный канал DWDM может успешно выполнять соединение MMWoF со скоростью передачи данных 16,5 Гбит / с индивидуально.Обратите внимание, что BER, полученный в каналах 1 st и 13 th , ухудшается, поскольку зафиксированная длина волны модулятора CLD уже приблизилась к спектральному краю усиления CLD и EDFA, так что недостаточная мощность не может поддерживать передачу MMWoF.
Рисунок 8Допустимое количество каналов для 50-км SMF и 3-метровых беспроводных передаваемых данных 32-QAM OFDM, переносимых взаимно некогерентными двухволновыми оптическими несущими. ( a ) Оптические спектры автономного модулятора CLD и усиленного EDFA с большой досягаемостью, ( b ) оптические спектры выбираемых двухволновых каналов DWDM для предлагаемого MMWoF и ( c ) характеристики BER 32- Данные QAM OFDM передаются по разным каналам взаимно некогерентных двухволновых оптических несущих.
Во время экспериментов различные форматы модуляции кодировались в оптической основной полосе частот и полосе пропускания MMW на разных этапах из-за ограничений, установленных для разных несущих. При прямой передаче отсутствует эффект дисперсии и шум ASE от оптического усилителя. Следовательно, доступная полоса модуляции является самой большой среди всех случаев, которая может поддерживать OFDM 64-QAM шириной до 9 ГГц со скоростью 54 Гбит / с. После передачи SMF на 50 км замирание мощности, вызванное хроматической дисперсией, и шум ASE, вызванный оптическим усилителем, ухудшают SNR доставленных данных QAM-OFDM.Доступная полоса модуляции снижена до 6 ГГц со скоростью передачи данных 24 Гбит / с. Для беспроводной передачи MMW длиной 3 м SNR доставленных данных QAM-OFDM серьезно ухудшается беспроводными устройствами, чтобы дополнительно ограничить частотную характеристику. Следовательно, уровень QAM снижается с 64 до 32, а доступная полоса модуляции также сокращается с 6 до 3,3 ГГц для поддержки только 16,5 Гбит / с при беспроводной передаче.
Сравнение различных методов для системы MMWoF на частоте 60 ГГц
Для демонстрации системы MMWoF на частоте 60 ГГц в таблице 1 сведены различные методы и соответствующая динамика вывода.Среди них микширование данных основной полосы частот с помощью гетеродина для преобразования частоты с повышением частоты перед модуляцией на LD в CO является самым простым способом, который позволяет получать несущую MMW удаленно после оптического приема в BS 39 . Для подтверждения Кури и др. . внешне модулированный лазерный диод с распределенной обратной связью (DFBLD) с преобразованными с повышением частоты данными дифференциальной фазовой манипуляции (DPSK) для демонстрации системы MMWoF с частотой 60 ГГц 40 . Кроме того, реализована оптическая модуляция с одной несущей для увеличения дальности передачи SMF до 85 км.Чтобы избежать использования высокочастотного смесителя на центральной станции, предлагается оптическая генерация несущей MMW 60 ГГц, которая удаленно превосходит двухрежимную оптическую несущую с оптическим гетеродинным обнаружением 17 . Как правило, двухрежимная оптическая несущая может быть сгенерирована с использованием оптической несущей CCS-DSB, которая одновременно переносит данные основной полосы частот, используя либо внешний, либо прямой модулятор. Для метода с внешней модуляцией Weiß et al . использовал оптический носитель CCS-DSB для переноса 7.Данные NRZ-OOK со скоростью 5 Гбит / с на 50 км SMF и 36 м свободного пространства в системе MMWoF 60 ГГц 23 . Однако модуляция с двумя несущими вызывает серьезный эффект замирания мощности РЧ, вызванный хроматической дисперсией, чтобы ограничить расстояние передачи SMF. В 1999 г. Сотобаяши и др. . использовала полупроводниковый оптический усилитель на основе оптического фазовращателя для уменьшения индуцированной хроматической дисперсией разности фаз в данных, модулированных DSB 41 , что увеличивает дальность передачи SMF до 100 км.Чтобы обеспечить многодиапазонное приложение MMW, Hsueh et al . использовала четырехрежимную оптическую несущую для одновременной демонстрации систем MMWoF на 20 и 60 ГГц 42 , в которых только одна оптическая несущая передает данные со скоростью 2,5 Гбит / с для достижения модуляции с одной несущей для устранения замирания мощности РЧ.
Таблица 1 Архитектуры оптической передачи и приема для реализации канала MMWOF на частоте 60 ГГц.Чтобы уменьшить требуемую частоту гетеродина в 2,5 раза, Лин и др. .использовали два двойных параллельных модуля MZM для реализации оптического умножения частоты для реализации канала MMWoF 60 ГГц с оптической модуляцией с одной несущей 28 . Чтобы еще больше увеличить пропускную способность, Лин и др. . использовала технологию 2 × 2 со многими входами и выходами (MIMO) и технологию битовой загрузки, чтобы продемонстрировать передачу данных OFDM со скоростью 61,5 Гбит / с через SMF 25 км и 3 м свободного пространства 43 . Хотя метод с внешней модуляцией может обеспечить высококачественную двухрежимную оптическую несущую для демонстрации высокоскоростной системы MMWoF, его нельзя рассматривать как экономичное и простое решение, поскольку неизбежно требуется дополнительный кодировщик данных.
Чтобы избежать использования внешней модуляции, Choi et al . смешал выходной сигнал LD, закодированный в основной полосе частот, с гетеродином на оптическом приемном конце, чтобы продемонстрировать систему MMWoF 60 ГГц за счет неизбежного увеличения сложности и стоимости конструкции 44 . Чтобы решить эти проблемы, Ogusu et al . использовал оптический мастер CCS-DSB для синхронизации длины волны модулятора FPLD для кодирования данных 45 ; однако эффективность впрыска ограничена сильным эффектом резонатора FPLD.Поэтому модулятор CLD с более слабым отражением от передней грани и большей длиной резонатора используется для обеспечения более высокой эффективности инжекции для построения многоканальной системы MMWoF 14 . Чтобы полностью избежать использования мастера CCS-DSB для рентабельности, Chen et al . использовали два модулятора CLD для достижения двухрежимной синхронизации длины волны «ведущий-ведомый» 46 . Однако наложение шумов интенсивности для CLD с синхронизацией длины волны между ведущим и ведомым неизбежно ухудшает качество передаваемых данных.С другой стороны, Аль-Даббаг и др. . внешне модулированный лазер CW с прямым кодированием данных для генерации высококогерентной двухрежимной оптической несущей 47 ; однако одновременное использование прямого и внешнего модуляторов увеличивает сложность системы и стоимость конструкции. Чтобы приблизиться к оптической модуляции с одной несущей, Чжан и др. . использовал двухрежимный оптический мастер для синхронизации по длине волны одномодового DFBLD, что увеличивает дальность передачи SMF до 56 км 32 .Чтобы еще больше увеличить дальность передачи в свободном пространстве, Цай и др. . использовали метод подавления центральной несущей MMW с деструктивно мешающими биениями ортогонально поляризованной двухмодовой несущей, что гарантирует, что MMW-сигнал будет конкурировать с большим усилением от электрического усилителя 48 . Благодаря вкладу оптической модуляции с одной несущей и подавления центральной несущей MMW такая архитектура значительно увеличивает дальность передачи SMF и свободного пространства до 50 км и 3 м соответственно.
Для сравнения, в нашей текущей работе используется взаимно некогерентная двухволновая оптическая несущая для реализации системы MMWoF с большим радиусом действия без гетеродина в диапазоне 60 ГГц MMW. Данные QAM-OFDM напрямую кодируются на одномодовой оптической несущей на основе модулятора CLD с синхронизацией по длине волны, которая может полностью получить оптическое усиление во время усиления EDFA для увеличения дальности передачи по сравнению с тем, что переносится двухрежимным оптический носитель. Кроме того, достигается оптическая одномодовая модуляция для устранения замирания мощности РЧ.В удаленном узле одномодовый оптический носитель с данными соединяется с локализованным TL, чтобы сформировать взаимно некогерентные двухволновые оптические носители. Кроме того, квадратичное обнаружение огибающей мощности используется, чтобы исключить нестабильность преобразования с понижением частоты, вызванную колебанием несущей частоты MMW, и одновременно избежать необходимости в гетеродине. Путем дальнейшего использования метода предварительного выделения отношения сигнал / шум поднесущей принятых данных QAM-OFDM могут быть сглажены, чтобы соответствовать критерию FEC.Это позволяет данным OFDM 32-QAM со скоростью передачи данных 16,5 Гбит / с успешно передавать более 50 км в SMF и 3 м в свободном пространстве. Кроме того, предлагаемый CLD с синхронизацией по длине волны может одновременно поддерживать 11 каналов DWDM для увеличения пропускной способности. Эти результаты подтверждают, что предлагаемая архитектура с новыми и простыми функциями является очень многообещающей в ближайшем будущем для высокоскоростного оптоволоконного беспроводного соединения MMW. — ‘5P7 6 мм; D89 烵 3W> Mhg ޮ P2otB1i конечный поток эндобдж 15 0 объект > поток iText 4.2.0 от 1T3XT1.42021-10-14T16: 14: 02-07: 00Apache FOP Version 1.02021-10-14T16: 14: 02-07: 002021-10-14T16: 14: 02-07: 00 конечный поток эндобдж 16 0 объект > поток x +
Границы | Бинауральный ритм: неспособность увеличить мощность ЭЭГ и эмоциональное возбуждение
Введение
Когда две синусоиды чистого тона с немного разными частотами (например.g., 300 и 305 Гц) подаются одновременно в одно и то же ухо, периодический двухтональный комплекс с частотой, соответствующей разнице частот между двумя тонами (например, 5 Гц), может восприниматься как «биение». В таком явлении, известном как «акустический ритм», две входные частоты физически смешиваются в сигнале, прежде чем они достигнут слуховой системы. Напротив, когда одни и те же два тона с немного разными частотами воспроизводятся бинаурально, по одному для каждого уха, воспринимается один и тот же ритм, хотя физическая комбинация этих тонов не происходит за пределами слуховой системы, что указывает на центральное нервное происхождение.Этот последний эффект известен как «бинауральное биение», и его можно почувствовать, если несущая частота ниже 1000 Гц, а две частоты отличаются друг от друга примерно менее чем на 35 Гц (Licklider et al., 1950).
Впервые описанный Давом (1841) и далее охарактеризованный Томпсоном (1877), феномен бинауральных биений отражает конвергенцию нейронной активности слуховых нервов в бинаурально чувствительных сетях (Moore, 1997). Существует соглашение об участии слуховой коры и ствола мозга в нейронных механизмах восприятия бинауральных биений.В исследованиях на животных одиночные записи выявили самые ранние ответы, вызванные стимуляцией бинауральных биений в нейронах верхнего оливарного комплекса ствола мозга (Wernick and Starr, 1968; Spitzer and Semple, 1998), первого ядра восходящего слухового прохода. путь получения двустороннего ввода. Более того, эти исследования выявили ответы в нижних бугорках среднего мозга, которые синхронизированы по фазе с частотой бинауральных биений (Kuwada et al., 1979; McAlpine et al., 1996).
Магнитоэнцефалографические (МЭГ) исследования на людях зарегистрировали устойчивые слуховые ответы на бинауральные биения из различных источников в теменной, лобной и височной областях коры головного мозга, включая слуховую кору (Karino et al., 2006). Более того, подобные исследования подтвердили участие медиальной верхней оливы и нижнего бугорка в механизме их генерации (Draganova et al., 2008). В отличие от бинауральных биений нейронные корреляты акустических биений, физически присутствующие в акустическом сигнале, были обнаружены в ядрах улитки, самом раннем реле слухового пути (Драганова и др., 2008). Интересно, что на корковом уровне результаты электроэнцефалографических (ЭЭГ) исследований с потенциалом, связанным с событием, показали аналогичное участие коры головного мозга в обработке как акустических, так и бинауральных биений (Pratt et al., 2010). В целом, эти исследования предполагают, что восприятие бинауральных биений является результатом интеграции слуховых сигналов от каждого уха в верхний оливарный комплекс и нижний бугорок, в результате чего возникает нейроэлектрический разряд, который проходит по стволу мозга до слуховой коры.
Спорным аспектом исследований бинауральных биений является заявленное ими преимущество в усилении специфической колебательной активности мозговых волн. Такая область исследований приобретает особую актуальность, поскольку традиционные частотные диапазоны ЭЭГ, такие как тета (4–7 Гц), альфа (8–12 Гц), бета (13–30 Гц) и гамма (30–100 + Гц), были связаны между собой. со специфическими когнитивными функциями, такими как избирательное внимание и память (обзор см. в Herrmann et al., 2016), а модуляция или увлечение нервной осцилляторной активности может составлять эффективный подход к их усилению (Huang and Charyton, 2008). Поскольку диапазон человеческого слуха исключает частоты ниже 20 Гц, которые попадают в диапазон некоторых соответствующих диапазонов ЭЭГ для улучшения когнитивных функций, стимуляция бинауральными ритмами была предложена как потенциально полезный инструмент для изменения ритмики мозговых волн неинвазивным способом ( обзор см. в Vernon, 2009).
Некоторые эмпирические исследования обращались к интригующему вопросу, могут ли бинауральные ритмы действительно модулировать определенные мозговые ритмы, приводящие к усилению когнитивных функций, но с противоречивыми результатами.Из исследований, изучающих влияние бинауральных ритмов на когнитивные функции, стимуляция бинауральных биений с частотами в пределах тета-диапазона ЭЭГ не привела к влиянию на выполнение задачи бдительности (Goodin et al., 2012), тогда как стимуляция бинауральных биений с «бета-частотами» было показано, что он повышает производительность при выполнении задач, связанных с речевым диапазоном, рабочей памятью, исполнительными функциями (Kennerly, 1996) и бдительностью (Lane et al., 1998). Более того, стимуляция бинауральными ритмами с частотами в диапазоне гамма-диапазона ЭЭГ влияет на дивергентное мышление (Reedijk et al., 2013) и контроль внимания (Reedijk et al., 2015).
В исследованиях, посвященных влиянию стимуляции бинауральных биений на нейроэлектрическую активность мозга, сообщалось об индуцированной осцилляторной активности в тета-диапазоне ЭЭГ после стимуляции бинауральными ритмами в пределах того же самого диапазона (Brady and Stevens, 2000), хотя последующие эксперименты не смогли воспроизвести эти эффекты. (Stevens et al., 2003; Wahbeh et al., 2007; Gao et al., 2014). Кроме того, в других исследованиях не удалось выявить увлечение колебательной активности ЭЭГ бинауральными альфа-ритмами (Gao et al., 2014; Vernon et al., 2014), а также бинауральным бета-ритмам (Goodin et al., 2012; Gao et al., 2014; Vernon et al., 2014). Кроме того, при использовании биений с частотами в пределах гамма-диапазона ЭЭГ некоторые исследования выявили индуцированную колебательную активность в гамма-диапазоне ЭЭГ как бинауральной (Lavallee et al., 2011; Ross et al., 2014), так и акустической (Ross et al., 2014) стимуляция ритма. Об эффектах вовлечения также сообщалось в гамма-диапазоне ЭЭГ с акустическими биениями в пределах гамма-частот во внутричерепных записях (Becher et al., 2015). Помимо индуцированной активности в диапазонах ЭЭГ, в нескольких исследованиях изучались эффекты бинауральных биений на вызванную активность ЭЭГ. Иоанну и др. (2015) регистрировали слуховые устойчивые реакции на бинауральные альфа-биения, но не на бинауральные гамма-биения, тогда как уже цитируемое исследование MEG Draganova et al. (2008) сообщили о слуховых устойчивых ответах на бинауральные гамма-биения.
Помимо увлечения ЭЭГ и когнитивного улучшения, стимуляция бинауральных биений также связана с другими клинически значимыми параметрами, такими как парасимпатическая активация и релаксация, о которой сообщают сами (McConnell et al., 2014), вариабельности сердечного ритма (Palaniappan et al., 2015) и острой предоперационной тревоге (Padmanabhan et al., 2005) для стимуляции тета-, альфа- и дельта-сокращениями соответственно. С другой стороны, в недавнем всеобъемлющем обзоре делается вывод об уменьшении влияния стимуляции бинауральных биений на уровень тревожности (Chaieb et al., 2015). В целом, стимуляция бинауральными ритмами может быть инструментом не только для вовлечения мозговых ритмов, но и для индукции изменений вегетативных функций, что может быть полезно для клинических групп населения, например, страдающих гипертонией, нарушениями сна или тревожными расстройствами.
Из рассмотренных выше исследований относительно влияния бинауральных ритмов на электрофизиологические, когнитивные и аффективные показатели нельзя сделать никаких выводов. Различные экспериментальные протоколы в этих исследованиях, включая продолжительность стимула, конкретные частоты ударов, используемые в одном и том же диапазоне, внимание участника к стимулам (Schwarz and Taylor, 2005), а также индивидуальные различия (Reedijk et al., 2015) могут объясняют наблюдаемые противоречивые результаты. Кроме того, в некоторых исследованиях отсутствие надлежащих условий контроля, отсутствие подробностей об экспериментальных протоколах, а также тот факт, что эффекты бинауральных биений на когнитивные процессы оценивались без мониторинга осцилляторной активности мозга, приводят к методологическим ограничениям. которые оставляют вопрос спорным.Фактически, электрофизиологические исследования, сравнивающие эффекты стимуляции биений в различных условиях, все еще редки (Chaieb et al., 2015). С другой стороны, из обзорной литературы также обсуждается роль стимуляции бинауральных сокращений в модуляции вегетативных функций. Выявление такой роли может помочь доказать потенциальную клиническую эффективность бинауральных ритмов.
Таким образом, целью настоящего исследования было выяснить, будет ли стимуляция бинауральных биений на разных частотах биений влиять на колебательную активность ЭЭГ на определенной частоте стимуляции биений, чтобы проверить потенциальную полезность бинауральных ритмов в качестве инструмента захвата мозговых волн.В частности, мы рассмотрели этот вопрос, используя парадигму, которая позволила нам отделить конкретный и дифференцированный вклад бинауральных биений над вкладом акустических ритмов. Несмотря на исследовательский характер настоящего исследования и неубедительные доказательства по этой теме, наше теоретическое предсказание заключалось в том, что стимуляция бинауральных биений вызовет увеличение мощности ЭЭГ на определенной частоте сердечных сокращений. Вторичной целью было изучить влияние бинауральных биений на разных частотах на психофизиологические измерения, традиционно связанные с эмоциональным возбуждением, такие как частота сердечных сокращений и проводимость кожи, чтобы проверить их предполагаемое потенциальное влияние на вегетативную функцию (McConnell et al., 2014) и, таким образом, лучше понять их потенциальную клиническую полезность.
Материалы и методы
Участники
Четырнадцать участников (пять мужчин) в возрасте от 20 до 31 года (среднее значение = 23,3; стандартное отклонение = 3,3) были набраны из числа студентов Университета Барселоны и получили денежную компенсацию (8 евро в час). Критериями исключения для отбора участников были неврологические или психические заболевания в анамнезе, а также нарушения слуха. Перед началом эксперимента каждому участнику была проведена аудиометрия чистого тона (частотный диапазон: 250–4000 Гц) с использованием аудиометрических наушников Beyerdynamic DT48-A (Хайльбронн, Германия), что обеспечило средний порог слышимости ниже 20 дБ NHL на каждое ухо.Протокол эксперимента был одобрен Комитетом по биоэтике Барселонского университета и соответствовал Хельсинкской декларации этических принципов медицинских исследований с участием людей. Перед экспериментальными сеансами письменное информированное согласие было получено от каждого участника после того, как им были разъяснены все детали исследования (кроме гипотез), включая характеристики метода ЭЭГ и возможность выхода из эксперимента по их желанию.
Стимулы
Стимулы представляли собой чистые тона с уровнем звукового давления 75 дБ. Акустические и бинауральные биения генерировались путем представления двух чистых тонов с немного разными частотами, либо одновременно для обоих ушей (акустический ритм), либо отдельно по одному тону для каждого уха (бинауральное биение; рисунки 1A, B). Частота одного из чистых тонов во всех условиях была установлена на 373 Гц, а биения были созданы путем добавления второй синусоиды, отличающейся от первой на 4,53 Гц (тета-биения), 8,97 Гц (альфа-биения), 17.93 Гц (бета-биения), 34,49 Гц (гамма-биения) или 57,3 Гц (верхние гамма-биения; превышение предела частоты, выше которого восприятие бинауральных биений было предположительно невозможно; Licklider et al., 1950). Мы выбрали эти значения частот как промежуточные точки в пределах типичных частотных диапазонов ЭЭГ. В частности, мы установили для гамма-биений ниже 35 Гц из-за уже упомянутого ограничения на восприятие бинауральных биений (Licklider et al., 1950). Кроме того, мы включили импульс «верхней гаммы», чтобы преодолеть этот предел, чтобы проверить влияние на ЭЭГ импульса, который не может быть воспринят.Все стимулы были созданы и представлены с использованием программного обеспечения MATLAB (The Mathworks, Inc., Натик, Массачусетс, США) и расширений Psychophysics Toolbox (Brainard, 1997; Pelli, 1997; Kleiner et al., 2007).
Рис. 1. (A) Иллюстрация состояния акустических биений с частотой биений в электроэнцефалографическом (ЭЭГ) гамма-диапазоне. Два чистых тона с немного разными частотами (373 Гц и 407,49 Гц) были представлены одновременно двум ушам. Следовательно, генерируется биение, частота которого соответствует разности частот между ними (34.49 Гц). (B) Иллюстрация состояния бинауральных сокращений с частотой сокращений в пределах гамма-диапазона ЭЭГ. Один чистый тон (373 Гц) подается в одно ухо, а другой (407,49 Гц) — в другое ухо. Таким образом, в слуховом пути генерируется биение, частота которого соответствует разнице частот между ними (34,49 Гц). (C) Протокол эксперимента и временные окна для анализа. Экспериментальные блоки состояли из 90 секунд розового шума, за которыми следовали 180 секунд акустических или бинауральных биений на соответствующей частоте, а затем, в свою очередь, 90 секунд розового шума.Красным цветом обозначены временные окна, используемые для анализа мощности диапазона ЭЭГ (ЭЭГ: вверху) и психофизиологических показателей (электрокардиограмма, ЭКГ и реакция проводимости кожи, SCR: внизу). (D) Электроды для скальпа, использованные при записи ЭЭГ (отмечены зеленым цветом).
Методика и экспериментальный план
Эксперименты по ЭЭГ проводились на одном 3-часовом сеансе, включая подготовку и запись испытуемых. Во время экспериментальных сессий участники удобно сидели в электрически экранированной и звукопоглощающей камере, пассивно слушая звуковые стимулы, подаваемые через вставные наушники ER-3A ABR (Etymotic Research, Inc., Элк Гроув Виллидж, Иллинойс, США). Участникам было предложено посмотреть немой фильм с субтитрами.
Было два условия: бинауральных биений , в которых были представлены бинауральные биения на одной из пяти частот, и акустических биений , в которых вместо них были представлены акустические биения тех же пяти частот. Стимулы были представлены в 10 блоках продолжительностью 6 минут каждый (рис. 1C): один акустический и один бинауральный блок для каждой из пяти частот биений в исследовании.Каждый блок начинался с 90 секунд постоянного фонового розового шума (65 дБ УЗД), за которым следовали 180 секунд акустической или бинауральной стимуляции биений, подаваемой на +10 дБ по сравнению с розовым шумом (т. Е. 75 дБ УЗД), а затем следовали 90 дополнительных секунд розового шума (65 дБ SPL). Бинауральные или акустические ритмы представлялись непрерывно. Между блоками было от 45 до 75 секунд тишины. Порядок блоков был рандомизирован среди участников с единственным ограничением: два блока с одинаковой частотой не могли быть представлены в строке (например,g., бинауральный тета-ритм, которому предшествует акустический тета-ритм).
Сбор данных
Непрерывные записи ЭЭГ выполнялись с 36 электродов на скальпе (Fp1, Fpz, Fp2, F7, F3, Fz, F4, F8, FT7, FC3, FCz, FC4, FT8, T7, C3, Cz, C4, T8, TP7, CP3, CPz, CP4, TP8, P7, P3, Pz, P4, P8, PO5, POz, PO6, O1, Oz, O2, CB1 и CB2; Рисунок 1D) и два дополнительных электрода, размещенные на левом и правом сосцевидном отростке (M1 и М2). Электрод на кончике носа служил онлайн-справкой. Чтобы контролировать движения глаз, электроокулограмма (EOG) также отслеживалась с помощью двух биполярных электродов, размещенных над и под левым глазом (VEOG), и двух биполярных электродов, размещенных на внешнем уголке глаза (HEOG).Электроды скальпа закрепляли на эластичном нейлоновом колпачке (Quickcap, Neuroscan, Compumedics, Charlotte, NC, USA) в соответствии с расширенной системой 10–20. Сигналы ЭЭГ были усилены с помощью усилителя SynAmps RT (NeuroScan, Compumedics, Charlotte, NC, USA), оцифрованы с частотой дискретизации 1000 Гц и отфильтрованы нижними частотами в режиме онлайн до 200 Гц с использованием программного обеспечения Neuroscan 4.4 (NeuroScan, Compumedics, Charlotte, Северная Каролина, США). Во время регистрации полное сопротивление всех электродов поддерживалось ниже 10 кОм.
Электрокардиограмма и данные реакции проводимости кожи (SCR) были получены с использованием AcqKnowledge 4.2 и систему сбора данных Biopac MP150 (Biopac Systems Inc., Голета, Калифорния, США) с частотой дискретизации 1000 Гц. Данные электрокардиограммы собирали с помощью усилителя Biopac ECG100C-MRI (Biopac Systems Inc., Голета, Калифорния, США) с одноразовыми электродами Ag – AgCl, выровненными в стандартной конфигурации (правая и левая стороны тела, под ребром и правой грудиной. , чуть ниже ключицы). СКР получали с использованием усилителя Biopac EDA100C-MRI (Biopac Systems Inc., Голета, Калифорния, США) с электродами, размещенными на верхней фаланге среднего и указательного пальцев левой руки.
Анализ данных
Данные с 25 электродов для кожи головы (F7, F3, Fz, F4, F8, FT7, FC3, FCz, FC4, FT8, T7, C3, Cz, C4, T8, TP7, CP3, CPz, CP4, TP8, P7, P3 , Pz, P4, P8), а также из каналов HEOG и VEOG были проанализированы с использованием EEGLAB (Delorme and Makeig, 2004) и наборов инструментов Fieldtrip (Oostenveld et al., 2011), работающих на MATLAB. Ответы ЭЭГ были повторно привязаны к среднему значению для всех электродов кожи головы и отфильтрованы от 0,1 Гц до 200 Гц. Моргания, большие саккады и другие мышечные артефакты были удалены из данных с помощью независимого компонентного анализа (ICA) методом слепой идентификации второго порядка (SOBI) (Delorme and Makeig, 2004; Delorme et al., 2007). Поскольку нас интересовала, в частности, индуцированная активность в гамма-диапазоне ЭЭГ, мы следовали рекомендациям Keren et al. (2010) при выполнении отклонения артефактов ICA, чтобы избежать вклада мышечной активности микросаккад в гамма-активность на уровне кожи головы (Yuval-Greenberg and Deouell, 2011).
Четыре периода по 60 секунд были определены для анализа данных ЭЭГ после игнорирования начальных 30 и 60 секунд шума и биений соответственно (рис. 1C), чтобы сигнал стабилизировался.Получившаяся первая эпоха каждого блока считалась «базовой», две последующие эпохи с бинауральной или акустической стимуляцией биений назывались «Beat1» и «Beat2», а последняя эпоха в серии считалась постобработкой. и, следовательно, называется «Пост». Для данных электрокардиограммы и SCR эпохи длились 50 с, причем эпохи шума (базовая линия и пост) начинались через 5 с после стимуляции розовым шумом и заканчивались за 5 с до стимуляции розовым шумом, а с двумя эпохами биений, организованными как Beat1, которые начинались через 10 с после начало биения и окончание такта 2 за 10 с до смещения ударов (рис. 1C).
Для каждой из эпох ЭЭГ, базовой линии, доли 1, доли 2 и поста, данные анализировались в спектральной области отдельно для каждого блока и электрода с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ; оконный анализ Слепана). Отдельные спектры ЭЭГ были рассчитаны для двух эпох биений, Beat1 и Beat2, обеспечивая одинаковое разрешение по частоте в FFT для эпох шума и биений. Тем не менее, результаты этих двух эпох биений были усреднены вместе в одну эпоху (ритм). В каждом из трех результирующих спектров ЭЭГ, базовых, ударов и постов, для каждого блока значения мощности были получены из окна 3.5 Гц с центром в интересующих частотах, соответствующих частотам стимуляции биений в каждом блоке: 4,53 Гц (тета-ритм), 8,97 Гц (альфа-ритм), 17,93 Гц (бета-ритм), 34,49 Гц (гамма-ритм). биений) или 57,3 Гц (верхняя гамма-биения). Значения мощности в этих частотных диапазонах были нормированы по следующей формуле:
, где Pi — значение мощности интересующей частоты в соответствующем блоке, а Pa — средняя мощность интересующей частоты в оставшихся блоках для той же эпохи (базовая линия, ритм или пост) и условия (бинауральные биения). или акустический ритм).Например, мощность ЭЭГ в заданном альфа-окне в течение первой шумовой эпохи (базовой линии) бинаурального блока альфа-биений была разделена на среднее значение мощности в альфа-окне в первой шумовой эпохе бинауральных тета-, бета-, гамма- и блоки с верхним гамма-ритмом. Затем полученное значение преобразовали в дБ. Посредством этого преобразования мы получили нормированное значение мощности для каждой эпохи (базовая линия, ритм, пост) и для каждого состояния (бинауральное, акустическое) на каждой интересующей частоте.
Распределение спектральной мощности скальпа в пределах каждого исследованного частотного окна ЭЭГ (тета, альфа, бета, гамма и верхняя гамма) были получены в иллюстративных целях и проанализированы путем взятия усредненных значений мощности в двух передних (один слева, один справа) и два задние скопления по три электрода в каждом (F3, FC3, C3; F4, FC4, C4; CP3, P3, O1; CP4, P4, O2).Данные спектральной топографии ЭЭГ нормализовали путем деления амплитуды на каждом электроде на сумму квадратов напряжений на всех анализируемых электродах для каждого участника и для каждого состояния (McCarthy and Wood, 1985). С помощью этого анализа мы стремились выяснить, могут ли бинауральные биения на каждой частоте вызывать изменения в распределении волосистой части головы в диапазонах ЭЭГ.
Что касается психофизиологических показателей, частота сердечных сокращений была рассчитана на основе данных электрокардиограммы как средняя мгновенная частота сердечных сокращений, усредненная в 50-секундных временных окнах без перекрытия, в результате чего были получены два значения в периоды шума (базовый уровень и после) и два значения во время сердечного ритма. эпохи (Beat1 и Beat2), усредненные вместе (Beat).Точно так же мы вычислили среднюю амплитуду SCR, измеренную в микросименсах, в 50-секундных временных окнах без перекрытия, что дало два значения в периоды шума (базовый уровень и пост) и два значения в периоды биений (Beat1 и Beat2). , усредненные вместе (Beat).
Статистический анализ
Статистические сравнения нормализованной спектральной мощности ЭЭГ были выполнены отдельно для каждого из исследуемых частотных диапазонов с помощью трехфакторного дисперсионного анализа с повторными измерениями (ANOVA) с тремя факторами, являющимися сеансом (три уровня: базовый уровень, биение, Пост), Лечение (два уровня: бинауральный, акустический) и Электрод (15 уровней: 15 электродов).Точно так же статистические сравнения средней частоты сердечных сокращений и SCR были выполнены с помощью двухстороннего повторного измерения ANOVA, с двумя факторами, являющимися сеансом (три уровня: базовый уровень, ритм, пост) и лечение (два уровня: бинауральный, акустический). Мы изучили эффекты сеанса со значительным взаимодействием между факторами сеанса и лечения.
Анализ распределения спектральной мощности ЭЭГ в скальпе проводился отдельно для каждого из исследуемых частотных диапазонов с помощью дисперсионного анализа с повторными измерениями с четырьмя факторами: сеанс (три уровня: исходный, ритм, пост), лечение (два уровня: бинауральный , акустический), фронтальность (два уровня: передние или задние кластеры) и латеральность (два фактора: левый и правый кластеры).
Что касается спектральной мощности ЭЭГ, мы стремились сравнить мощность в интересующем частотном диапазоне в эпохах шума с таковой в эпохах стимуляции биений, отдельно для условий акустических и бинауральных биений. Для каждой интересующей частоты и для каждого типа биений (бинауральных или акустических) увеличенная мощность ЭЭГ в определенном частотном диапазоне в периоды стимуляции биений по сравнению с эпохами шума будет указывать на усиление эффекта стимуляции. Взаимодействие с лечебным фактором может указывать на то, связан ли этот эффект с бинауральным ритмом.То же самое объяснение применимо к изменениям частоты сердечных сокращений и SCR.
Для каждого из сравнений всякий раз, когда нарушалось предположение о сферичности, степени свободы корректировались с использованием оценок Гринхауса-Гейссера. Альфа-уровень был установлен на 0,05. Размер эффекта и наблюдаемые значения мощности рассчитывались для каждого статистического теста. Для всех статистических анализов были выполнены поправки Бонферрони для множественных сравнений, чтобы скорректировать значения p .
Результаты
Частотный анализ ЭЭГ
Если бы произошло увлечение мозговой волны на определенной частоте бинауральных биений, мы бы наблюдали усиление мощности на этой конкретной частоте в спектре ЭЭГ, когда были представлены бинауральные ритмы.Однако такого увеличения мощности не наблюдалось ни для одной из протестированных частот биений, а также не наблюдалось различий между спектрами ЭЭГ, полученными для бинауральных и акустических условий биений в эпохи слуховой стимуляции. В иллюстративных целях на рисунке 2 мы включаем спектр ЭЭГ, полученный для каждой эпохи блока (базовая линия, ритм, пост), и каждой из пяти используемых частот биений (тета, альфа, бета, гамма и верхняя гамма).
Рисунок 2 .Спектры ЭЭГ для каждой эпохи блока (три столбца слева направо: базовая линия, ритм, пост) и каждой из пяти частот биений стимуляции (пять строк сверху вниз: тета, альфа, бета, гамма и верхний гамма) до нормализации. Красные линии соответствуют спектрам ЭЭГ, полученным в блоках бинауральных биений, а синие линии — в блоках акустических биений. Пунктирные линии в каждом спектре показывают частотное окно, из которого значения мощности были получены и нормализованы для статистического анализа.
После нормализации, как показано в Таблице 1, не было обнаружено каких-либо значительных эффектов в спектральной мощности ЭЭГ в анализируемых диапазонах тета, альфа, бета или гамма.В частности, анализ ANOVA не дал никакого эффекта для фактора сеанса, указывая на отсутствие различий в нормированных значениях спектральной мощности в анализируемых диапазонах ЭЭГ между эпохами шума и биений блока. Не было обнаружено значительных эффектов и для фактора лечения, что указывает на отсутствие общих различий между бинауральной и акустической стимуляцией. Кроме того, не было обнаружено взаимодействия между факторами сеанса и лечением. Согласно этим результатам, никакое усиление спектральной мощности ЭЭГ не может быть вызвано ни бинауральными, ни акустическими биениями указанных частот.При бинауральных биениях в верхней гамма-частоте, которая не может быть воспринята (Licklider et al., 1950), спектральная мощность ЭЭГ в верхнем проанализированном диапазоне гамма-частот не показала значительного увеличения по сравнению с акустическими биениями.
Таблица 1 . Результаты дисперсионного анализа (ANOVA) нормированных значений электроэнцефалографической (ЭЭГ) мощности в пределах тета (2,78–6,28 Гц), альфа (7,22–10,72 Гц), бета (16,18–19,68 Гц), гамма (32,74–36,24 Гц) и верхние гамма-диапазоны (55,55–59,05 Гц).
Помимо изменений в спектрах ЭЭГ, мы также исследовали различия в спектральных топографиях ЭЭГ между состояниями. На рисунках 3–7 мы показываем распределение спектральной мощности ЭЭГ на скальпе в исследуемых тета-, альфа-, бета-, гамма- и верхнем гамма-диапазонах, соответственно, для базовых, биологических и пост-эпох блоков. Для этого анализа мы использовали два передних и два задних кластера электродов, чтобы изучить взаимодействия между факторами сеанса или лечения с различными регионами кожи головы (изученными с помощью факторов фронтальности и латеральности).Если бы бинауральные биения повлияли на распределение спектральной мощности ЭЭГ по коже головы, мы бы наблюдали взаимодействие между факторами сеанса и лечения, а также факторами фронтальности и / или латеральности. То есть изменения спектральной мощности будут разными для разных уровней фронтальности или латеральности, таким образом обнаруживая различные топографические распределения спектральной мощности ЭЭГ. Однако никаких значительных взаимодействий между сеансом или лечением и факторами фронтальности или латеральности не было обнаружено ни в одном из тестируемых диапазонов ЭЭГ.В топографиях в пределах альфа-диапазона только два тройных взаимодействия между сеансом, лечением и фронтальностью ( F (2,24) = 3,829, p = 0,036) и между сеансом, фронтальностью и латеральностью ( F ( 2,24) = 4,055, p = 0,030) дало p значений ниже 0,05, которые, однако, не выдержали поправки Бонферрони для множественных сравнений. То же самое произошло с топографиями в верхнем гамма-диапазоне, где взаимодействие между сеансом и латеральностью ( F (2,24) = 4.891, p = 0,017) исчезли после коррекции Бонферрони.
Рисунок 3 . Распределение спектральной мощности ЭЭГ на коже черепа во время блоков со стимуляцией тета-биений. Слева направо карты скальпа соответствуют эпохам базовой линии, ударов и постов блоков соответственно. Сверху карты кожи головы блоками с бинауральной стимуляцией. Внизу карты кожи головы в блоках с акустической стимуляцией. Спектральная мощность ЭЭГ соответствует частотному окну 3,5 Гц вокруг частоты стимуляции (4.53 Гц). Черные точки соответствуют положениям электродов.
Рисунок 4 . Распределение спектральной мощности ЭЭГ на коже черепа во время блоков со стимуляцией альфа-ритмом. Слева направо карты скальпа соответствуют эпохам базовой линии, ударов и постов блоков соответственно. Сверху карты кожи головы блоками с бинауральной стимуляцией. Внизу карты кожи головы в блоках с акустической стимуляцией. Спектральная мощность ЭЭГ соответствует частотному окну 3,5 Гц вокруг частоты стимуляции (8.97 Гц). Черные точки соответствуют положениям электродов.
Рисунок 5 . Распределение спектральной мощности ЭЭГ на коже черепа во время блоков со стимуляцией бета-биений. Слева направо карты скальпа соответствуют эпохам базовой линии, ударов и постов блоков соответственно. Сверху карты кожи головы блоками с бинауральной стимуляцией. Внизу карты кожи головы в блоках с акустической стимуляцией. Спектральная мощность ЭЭГ соответствует частотному окну 3,5 Гц вокруг частоты стимуляции (17.93 Гц). Черные точки соответствуют положениям электродов.
Рисунок 6 . Распределение спектральной мощности ЭЭГ на коже черепа во время блоков с гамма-стимуляцией. Слева направо карты скальпа соответствуют эпохам базовой линии, ударов и постов блоков соответственно. Сверху карты кожи головы блоками с бинауральной стимуляцией. Внизу карты кожи головы в блоках с акустической стимуляцией. Спектральная мощность ЭЭГ соответствует частотному окну 3,5 Гц вокруг частоты стимуляции (34.49 Гц). Черные точки соответствуют положениям электродов.
Рисунок 7 . Распределение спектральной мощности ЭЭГ на коже головы во время блоков со стимуляцией верхних гамма-биений. Слева направо карты скальпа соответствуют эпохам базовой линии, ударов и постов блоков соответственно. Сверху карты кожи головы блоками с бинауральной стимуляцией. Внизу карты кожи головы в блоках с акустической стимуляцией. Спектральная мощность ЭЭГ соответствует частотному окну 3,5 Гц вокруг частоты стимуляции (57.3 Гц). Черные точки соответствуют положениям электродов.
Меры психофизиологические
Как показано в Таблице 2, анализ двух изученных психофизиологических показателей дал отрицательные результаты для стимуляции бета- и гамма-биениями, а также для состояния верхнего гамма-излучения. ANOVA не выявил влияния факторов сеанса или лечения, а также взаимодействия между ними ни в отношении частоты сердечных сокращений, ни в отношении показателей проводимости кожи. Что касается SCR для тета- и альфа-ритмов, ANOVA дал p значений ниже 0.05 для фактора сеанса (таблица 2), который, тем не менее, исчез после поправки Бонферрони для множественных сравнений.
Таблица 2 . Результаты ANOVA по значениям ЧСС и реакции проводимости кожи (SCR; микросименс) в блоках тета (4,53 Гц), альфа (8,97 Гц), бета (17,93 Гц), гамма (34,49 Гц) и верхней гаммы (57,3 Гц) стимуляция.
Эти результаты показывают, что не произошло никаких изменений в этих психофизиологических параметрах между эпохами шума и биений в блоке, ни с бинауральными, ни с акустическими тета-, альфа-, бета-, гамма- или верхними гамма-ритмами, а также не было. общие различия между эффектами двух типов ударов.
Несмотря на то, что это не является статистически значимым, интересно отметить, что в случае стимуляции альфа-биением, проводимость кожи увеличивалась вдоль блока, в отличие от того, что можно было бы ожидать, если бы мы рассматривали увеличение SCR как связанное со стрессом (см. Рисунок 8A). . Напротив, наблюдалось снижение проводимости кожи вдоль блока при стимуляции тета-биений, что свидетельствует о расслабляющем эффекте с сердечными сокращениями в этом диапазоне, независимо от типа биений (см. Рис. 8B). Такие тенденции в течение сеанса возникают только с двумя изучаемыми здесь самыми медленными частотами биений, тета и альфа, типичными частотами биений, о которых сообщалось в предыдущих исследованиях, как связанных с клинически значимыми психофизиологическими параметрами (Padmanabhan et al., 2005; McConnell et al., 2014; Palaniappan et al., 2015).
Рис. 8. (A) SCR (microSiemens) во время блоков с бинауральными ритмами (BB; красный) или акустическими биениями (AB; синий) тета-частоты (4,53 Гц). (B) SCR (microSiemens) во время блоков с BB (красный) или AB (синий) альфа-частоты (8,97 Гц). Планки погрешностей показывают стандартную ошибку среднего.
Обсуждение
Сводка результатов
Основная цель настоящего исследования состояла в том, чтобы выделить конкретный вклад стимуляции бинауральных биений на разных частотах биений в определенных частотных диапазонах ЭЭГ.В частности, мы стремились изучить влияние бинауральных биений на мощность ЭЭГ. Результаты не показали влияния бинауральных биений на тета-, альфа-, бета-, гамма- и верхние гамма-биения на усиление спектральной мощности ЭЭГ на соответствующих им частотах; аналогичные отрицательные результаты были получены и с акустическими биениями. Кроме того, не было обнаружено никаких эффектов от бинауральных или акустических биений в спектральной топографии ЭЭГ. В качестве дополнительной цели мы стремились изучить, может ли стимуляция бинауральных сокращений вызывать изменения двух психофизиологических параметров, частоты сердечных сокращений и проводимости кожи.И бинауральные, и акустические биения не оказали никакого влияния на эти измерения, хотя тета- и альфа-биения, независимо от того, были ли они акустическими или бинауральными, вызвали изменения в проводимости кожи, но исчезли после коррекции множественного сравнения.
Влияние бинауральных ритмов на ритмы мозга
Предыдущие попытки изучить бинауральные ритмы предполагали, что колебательная активность мозга, регистрируемая с помощью ЭЭГ, может модулироваться бинауральными ритмами определенных частот. В частности, мы сосредоточились на исследованиях, в которых бинауральные биения могут вызывать изменения мощности ЭЭГ.Модуляция ритмов ЭЭГ будет действительно генерироваться бинауральным ритмом и будет отличаться от модуляции, производимой акустическим ритмом, поскольку бинауральные биения генерируются в центральной слуховой системе. Наши результаты для всех протестированных частот биений не подтверждают эту гипотезу и предполагают, что бинауральные биения не вызывают увеличения спектральной мощности ЭЭГ в классических диапазонах ЭЭГ. При использовании биений в диапазоне тета-частот с частотами от 5 Гц до 8,5 Гц аналогичные отрицательные результаты были получены Stevens et al.(2003), Wahbeh et al. (2007) и, совсем недавно, Gao et al. (2014), которым не удалось выявить увеличения тета-диапазона ЭЭГ. Во всех этих исследованиях стимуляция бинауральных биений имела более длительную продолжительность, чем в настоящем исследовании, до 4 часов, но они дали аналогичные отрицательные результаты на тета-диапазоне ЭЭГ. Для сокращений с частотами в альфа-диапазоне ЭЭГ наши результаты согласуются с результатами Gao et al. (2014) и Вернон и др. (2014) не обнаружили увеличения альфа-диапазона ЭЭГ при стимуляции бинауральных биений. Аналогичным образом, для бинауральных бета-ритмов, хотя результаты повышения производительности в задачах, требующих когнитивных функций, предполагают многообещающие результаты, мы не наблюдали увеличения мощности анализируемого бета-диапазона ЭЭГ, в соответствии с результатами предыдущих исследований (Goodin et al., 2012; Gao et al., 2014; Вернон и др., 2014).
Что касается бинауральных гамма-биений, наши результаты в гамма-диапазоне контрастируют с данными Lavallee et al. (2011), которые предложили усиление гамма-диапазона ЭЭГ относительно исходного уровня с использованием бинауральных ритмов. Однако частоты бинауральных биений, использованные для достижения таких результатов, находились в бета-диапазоне (15 Гц). Кроме того, Becher et al. (2015) сообщили об увеличении спектральной мощности ЭЭГ с акустическими ритмами 40 Гц, что контрастирует с нашими отрицательными результатами с гамма-биениями с аналогичными частотами.Наши результаты также контрастируют с другими, оценивающими влияние бинауральных ритмов на когнитивные функции, связанные с гамма-диапазоном, такие как избирательное внимание (Gruber et al., 1999; Sokolov et al., 2004). В связи с этим Reedijk et al. (2015) сообщили об улучшении избирательного внимания с помощью стимуляции бинауральных биений на гамма-частоте, но настоящие результаты предполагают, что механизм, с помощью которого были получены такие улучшения, не включает усиление гамма-диапазона ЭЭГ. Наконец, бинауральные биения в верхнем гамма-диапазоне (например,g., 57,3 Гц), превышающие предел частоты для восприятия бинауральных биений (Licklider et al., 1950), по-видимому, неспособны вызвать изменения в соответствующей спектральной мощности ЭЭГ.
Одним из ограничений, которое следует принять во внимание из-за отсутствия положительных результатов в настоящем исследовании, является размер выборки (14 участников), который может быть слишком мал, чтобы дать статистически значимый результат в том случае, если может существовать реальный эффект бинауральных ритмов. Как указано в таблицах результатов, наблюдаемая мощность наших тестов ANOVA в целом мала.Следовательно, следует проявлять осторожность при интерпретации настоящих отрицательных результатов, поскольку размер выборки может учитывать сообщенные нулевые эффекты.
Предыдущие исследования связанной с событием потенциальной модуляции и устойчивых слуховых реакций предполагают, что эффекты увлечения возникают в течение нескольких секунд после стимуляции бинауральных биений (Karino et al., 2006; Kasprzak, 2011). Кроме того, как уже упоминалось, в предыдущих исследованиях, проверяющих ту же гипотезу, бинауральные ритмы были представлены в течение более длительного периода с получением аналогичных отрицательных результатов (Wahbeh et al., 2007; Гудин и др., 2012; Гао и др., 2014). Поэтому мы считаем маловероятным, что отсутствие повышенной спектральной мощности ЭЭГ в определенных диапазонах в настоящем исследовании связано с небольшой продолжительностью 3 мин, используемой здесь для стимуляции биений. В связи с этим, как предполагают некоторые авторы (Becher et al., 2015), еще одним важным фактором, который следует учитывать при попытке вызвать изменения осцилляторной активности ЭЭГ на определенной частоте, является использование непрерывных тонов или коротких повторяющихся импульсов стимуляции.В исследованиях, регистрирующих вызванные реакции на бинауральные ритмы, обычно использовались короткие импульсы стимуляции бинауральных биений. Например, Шварц и Тейлор (2005) вызвали стационарный слуховой отклик бинауральных биений 40 Гц с бинауральными биениями, представленными короткими импульсами по 1200 мс с интервалами 1200 мс; Драганова и др. (2008) аналогичным образом обнаружили устойчивый слуховой ответ 40 Гц с использованием чистых тонов длительностью 1000 мс и асинхронности начала стимула 2000 мс, а Pratt et al. (2010) выявили связанные с событием потенциальные компоненты, за которыми следуют колебания, соответствующие бинауральным биениям 3 и 6 Гц, с использованием всплесков продолжительностью 2000 мс с интервалами между стимулами от 950 до 1050 мс.С другой стороны, некоторые другие исследования, изучающие индуцированную осцилляторную активность ЭЭГ с бинауральными ритмами (Wahbeh et al., 2007; Goodin et al., 2012; Gao et al., 2014; Vernon et al., 2014), использовали, как и мы , непрерывная стимуляция и ожидаемое усиление силы на протяжении всего сеанса. Таким образом, в контексте предыдущих исследований использование непрерывного представления вместо коротких импульсов для стимуляции кажется уместным и, вероятно, не связано с отсутствием эффектов, наблюдаемых здесь для исследуемых диапазонов ЭЭГ.
Помимо результатов в спектрах ЭЭГ, на спектральные топографии ЭЭГ в пределах тета, альфа, бета, гамма и верхних гамма частот, по-видимому, не влияли бинауральные биения на соответствующих им частотах. Это говорит о том, что бинауральные ритмы также не влияют на распределение спектральной мощности ЭЭГ в скальпе.
Меры психофизиологические
Наши результаты по частоте сердечных сокращений и проводимости кожи не подтверждают предположение о влиянии бинауральных ритмов на показатели, связанные с эмоциональным возбуждением.В отличие от предыдущих данных о вариабельности сердечного ритма (Palaniappan et al., 2015), парасимпатической активации (McConnell et al., 2014) или тревоге (Padmanabhan et al., 2005), мы не обнаружили специфического влияния бинаурального ритма на частота сердечных сокращений и проводимость кожи для любой из протестированных здесь частот сердечных сокращений. С другой стороны, наши результаты согласуются с выводами Chaieb et al. (2015) относительно уменьшения влияния стимуляции бинауральных ритмов на уровень тревожности. Таким образом, наши результаты не предполагают влияния бинауральных или акустических биений на вегетативные реакции.Ограничением, которое следует учитывать при интерпретации такого отсутствия эффектов, как в случае анализа ЭЭГ, является небольшая наблюдаемая мощность наших статистических тестов, учитывая небольшой размер нашей выборки. Другим возможным ограничением является короткая продолжительность стимуляции, используемая в настоящем исследовании (3 минуты), которая сильно контрастирует с продолжительностью стимуляции, использованной в предыдущих исследованиях (например, 20 и 30 минут в Padmanabhan et al., 2005; McConnell et al. ., 2014 соответственно). В то время как продолжительность стимуляции, используемая в настоящем исследовании, может быть подходящей для изучения воздействия на ЭЭГ, ее может быть недостаточно, чтобы вызвать изменения психофизиологических параметров, таких как частота сердечных сокращений и проводимость кожи.
Заключение
Это исследование предоставило тщательное исследование потенциальных эффектов стимуляции бинауральных биений на усиление активности ЭЭГ в определенных частотных диапазонах. Наша цель состояла в том, чтобы проверить теоретическое предположение о влиянии бинауральных биений как на ритмы ЭЭГ, так и на психофизиологические реакции. Литература в этой области была неубедительной: мы рассмотрели исследования по влиянию бинауральных ритмов на колебательную активность ЭЭГ, а также по влиянию бинауральных ритмов на показатели, связанные с вегетативными ответами.Мы выполнили экспериментальный план, используя строгий методологический контроль, с сессиями исходного уровня лечения-вымывания и лечения по сравнению с условием «плацебо» (ритм с той же частотой, но генерируемый акустически).
Никаких эффектов стимуляции бинауральных биений на спектральную мощность ЭЭГ не наблюдалось с частотами биений, принадлежащими тета-, альфа-, бета- или гамма-диапазонам ЭЭГ, а также с частотами, принадлежащими к верхнему гамма-диапазону. С другой стороны, наши измерения частоты сердечных сокращений и проводимости кожи не подтвердили влияние бинауральных ритмов на эмоциональное возбуждение.Таким образом, наши результаты в целом не поддерживают бинауральные ритмы как потенциальный инструмент увлечения мозговых волн и не предполагают какого-либо положительного воздействия на клинически значимые параметры.
Авторские взносы
FL-C и CE разработали исследование, разработали и провели анализ данных и написали рукопись. Сбор данных под контролем FL-C.
Заявление о конфликте интересов
Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Благодарности
Эта работа была поддержана Министерством экономики и знаний Испании (PSI2015-63664-P), правительством Каталонии (SGR2017-974) и почетным профессором академического сообщества ICREA, присужденным CE. Особая благодарность Андреа Кантурри, Колдо Гонсалесу и Пабло Регилону за их помощь в сборе и анализе данных.
Список литературы
Бехер, А.К., Хёне, М., Аксмахер, Н., Чайеб, Л., Элгер, К.Э., и Фелл, Дж. (2015). Мощность интракраниальной электроэнцефалографии и фазовая синхронизация меняются при монофонической и бинауральной стимуляции биений. Eur. J. Neurosci. 41, 254–263. DOI: 10.1111 / ejn.12760
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Чайеб, Л., Вильперт, Э. К., Ребер, Т. П., и Фелл, Дж. (2015). Звуковая стимуляция биений и ее влияние на познание и состояние настроения. Фронт. Психиатрия 6:70. DOI: 10.3389 / fpsyt.2015.00070
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Делорм, А., Макейг, С. (2004). EEGLAB: набор инструментов с открытым исходным кодом для анализа динамики ЭЭГ в одном исследовании, включая независимый компонентный анализ. J. Neurosci. Методы 134, 9–21. DOI: 10.1016 / j.jneumeth.2003.10.009
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Делорм А., Сейновски Т. и Макейг С. (2007). Улучшенное обнаружение артефактов в данных ЭЭГ с использованием статистики более высокого порядка и независимого компонентного анализа. Neuroimage 34, 1443–1449. DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2006.11.004
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Голубь, Х. В.(1841 г.). über die сочетание der eindrücke beider ohren und beider augen zu einem eindruck. Monat. Бер. Акад. 41, 251–252.
Драганова, Р., Росс, Б., Воллбринк, А., и Пантев, К. (2008). Корковые устойчивые ответы на центральные и периферические слуховые сокращения. Cereb. Cortex 18, 1193–1200. DOI: 10.1093 / cercor / bhm153
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Гао, X., Cao, H., Ming, D., Qi, H., Wang, X., Wang, X., et al.(2014). Анализ активности ЭЭГ в ответ на бинауральные биения с разной частотой. Внутр. J. Psychophysiol. 94, 399–406. DOI: 10.1016 / j.ijpsycho.2014.10.010
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Гудин П., Чорчиари Дж., Бейкер К., Керри А. М., Харпер М. и Кауфман Дж. (2012). Исследование ЭЭГ с высокой плотностью при стимуляции стационарного бинаурального ритма. PLoS One 7: e34789. DOI: 10.1371 / journal.pone.0034789
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Грубер, Т., Мюллер М. М., Кейл А. и Эльберт Т. (1999). Избирательное визуально-пространственное внимание изменяет индуцированные ответы гамма-диапазона в ЭЭГ человека. Clin. Neurophysiol. 110, 2074–2085. DOI: 10.1016 / s1388-2457 (99) 00176-5
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Херрманн, К. С., Струбер, Д., Хельфрих, Р. Ф., и Энгель, А. К. (2016). Колебания ЭЭГ: от корреляции к причинности. Внутр. J. Psychophysiol. 103, 12–21. DOI: 10.1016 / j.ijpsycho.2015.02.003
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Хуанг, Т. Л., и Чаритон, К. (2008). Всесторонний обзор психологических эффектов увлечения мозговых волн. Альтерн. Ther. Health Med. 14, 38–50.
PubMed Аннотация | Google Scholar
Иоанну, К. И., Переда, Э., Линдсен, Дж. П., и Бхаттачарья, Дж. (2015). Электрические реакции мозга на слуховую иллюзию и влияние музыкального опыта. PLoS One 10: e0129486.DOI: 10.1371 / journal.pone.0129486
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Карино С., Юмото М., Ито К., Уно А., Ямакава К., Секимото С. и др. (2006). Нейромагнитные реакции на бинауральные биения в коре головного мозга человека. J. Neurophysiol. 96, 1927–1938. DOI: 10.1152 / jn.00859.2005
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Каспрзак, К. (2011). Влияние бинауральных биений на сигнал ЭЭГ. Acta Phys.Pol. А 119, 986–990. DOI: 10.12693 / aphyspola.119.986
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кеннерли Р. (1996). Эмпирическое исследование влияния звуковых сигналов бинауральных биений бета-частоты на четыре показателя человеческой памяти. Hemi-Synch J. 14, 1–4.
Google Scholar
Керен, А. С., Юваль-Гринберг, С., Деуэлл, Л. Ю. (2010). Саккадические спайковые потенциалы в гамма-диапазоне ЭЭГ: характеристика, обнаружение и подавление. Neuroimage 49, 2248–2263. DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2009.10.057
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кляйнер М., Брейнард Д. Х., Пелли Д. и Бруссард К. (2007). Что нового в psytoolbox-3? Восприятие 36, 1–16. DOI: 10.1068 / v070821
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кувада, С., Инь, Т. К., и Викесберг, Р. Э. (1979). Ответ нейронов нижнего холмика кошки на стимулы бинауральных биений: возможные механизмы локализации звука. Наука 206, 586–588. DOI: 10.1126 / science.493964
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Лейн, Дж. Д., Касиан, С. Дж., Оуэнс, Дж. Э. и Марш, Г. Р. (1998). Бинауральные слуховые биения влияют на бдительность и настроение. Physiol. Behav. 63, 249–252. DOI: 10.1016 / s0031-9384 (97) 00436-8
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Лавалли, К. Ф., Корен, С. А., и Персингер, М. А. (2011). Количественное электроэнцефалографическое исследование медитации и увлечения бинауральных ритмов. J. Altern. Дополнение. Med. 17, 351–355. DOI: 10.1089 / acm.2009.0691
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Макэлпайн Д., Цзян Д. и Палмер А. Р. (1996). Чувствительность к интерауральной задержке и классификация низкочастотных бинауральных ответов в нижних бугорках морской свинки. Слушай. Res. 97, 136–152. DOI: 10.1016 / 0378-5955 (96) 00068-8
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Маккарти, Г., и Вуд, К. С. (1985). Распределение на скальпе потенциалов, связанных с событиями: неоднозначность, связанная с анализом моделей дисперсии. Электроэнцефалогр. Clin. Neurophysiol. 62, 203–208. DOI: 10.1016 / 0168-5597 (85) -2
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
МакКоннелл, П. А., Фроелигер, Б., Гарланд, Э. Л., Айвз, Дж. К., и Сфорцо, Г. А. (2014). Слуховое управление вегетативной нервной системой: прослушивание бинауральных ритмов с тета-частотой после тренировки увеличивает парасимпатическую активацию и симпатическую абстиненцию. Фронт. Psychol. 5: 1248. DOI: 10.3389 / fpsyg.2014.01248
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Мур, Б. С. Дж. (1997). Введение в психологию слуха. Сан-Диего, Калифорния: Academic Press.
Google Scholar
Остенвельд Р., Фрис П., Марис Э. и Шоффелен Дж. М. (2011). FieldTrip: программное обеспечение с открытым исходным кодом для расширенного анализа данных МЭГ, ЭЭГ и инвазивных электрофизиологических данных. Comput.Intell. Neurosci. 2011: 156869. DOI: 10.1155 / 2011/156869
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст
Падманабхан Р., Хилдрет А. Дж. И Лоус Д. (2005). Проспективное рандомизированное контролируемое исследование, посвященное изучению звука бинаурального ритма и предоперационной тревожности у пациентов, перенесших общую анестезию при хирургическом вмешательстве в дневном стационаре. Анестезия 60, 874–877. DOI: 10.1111 / j.1365-2044.2005.04287.x
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Паланиаппан, Р., Фон-Амнуайсук, С., Эсваран, К. (2015). О бинауральном захвате мозга, указывающем на более низкую вариабельность сердечного ритма. Внутр. J. Cardiol. 190, 262–263. DOI: 10.1016 / j.ijcard.2015.04.175
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Пратт, Х., Старр, А., Михалевски, Х. Дж., Димитриевич, А., Блайх, Н., Миттельман, Н. (2010). Сравнение слуховых вызванных потенциалов с акустическими и бинауральными ритмами. Слушай. Res. 262, 34–44.DOI: 10.1016 / j.heares.2010.01.013
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ридейк, С. А., Болдерс, А., Кользато, Л. С., и Хоммель, Б. (2015). Устранение моргания внимания с помощью бинауральных ритмов: случай индивидуального улучшения когнитивных функций. Фронт. Психиатрия 6:82. DOI: 10.3389 / fpsyt.2015.00082
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Росс, Б., Миядзаки, Т., Томпсон, Дж., Джамали, С., и Фудзиока, Т.(2014). Корковые реакции человека на медленные и быстрые бинауральные биения выявляют множественные механизмы бинаурального слуха. J. Neurophysiol. 112, 1871–1884. DOI: 10.1152 / jn.00224.2014
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Соколов А., Павлова М., Люценбергер В. и Бирбаумер Н. (2004). Взаимная модуляция нейромагнитно-индуцированной гамма-активности вниманием в зрительной и слуховой коре человека. Neuroimage 22, 521–529. DOI: 10.1016 / j.neuroimage.2004.01.045
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Спитцер, М. В., Семпл, М. Н. (1998). Трансформация свойств бинаурального ответа в восходящем слуховом пути: влияние изменяющегося во времени межурального фазового несоответствия. J. Neurophysiol. 80, 3062–3076.
PubMed Аннотация | Google Scholar
Стивенс, Л., Хага, З., Куин, Б., Брэди, Б., Адамс, Д., Гилберт, Дж., И др. (2003). Бинауральные биения индуцировали тета-активность ЭЭГ и восприимчивость к гипнозу: противоречивые результаты и технические соображения. Am. J. Clin. Hypn. 45, 295–309. DOI: 10.1080 / 00029157.2003.10403543
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Томпсон, С. П. (1877). XXXVI. О бинауральном прослушивании. Lond. Edinb. Дубл. Филос. Mag. J. Sci. 4, 274–276. DOI: 10.1080 / 14786447708639338
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Вернон Д. (2009). Человеческий потенциал: изучение методов, используемых для повышения производительности человека. Лондон: Рутледж.
Google Scholar
Вернон, Д., Периер, Г., Луш, Дж., И Шоу, М. (2014). Отслеживание изменений ЭЭГ в ответ на альфа- и бета-бинауральные ритмы. Внутр. J. Psychophysiol. 93, 134–139. DOI: 10.1016 / j.ijpsycho.2012.10.008
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Wahbeh, H., Calabrese, C., and Zwickey, H. (2007). Технология бинауральных ритмов у людей: пилотное исследование для оценки психологических и физиологических эффектов. J. Altern.Дополнение. Med. 13, 25–32. DOI: 10.1089 / acm.2006.6196
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Верник Дж. С. и Старр А. (1968). Бинауральное взаимодействие в верхнем оливковом комплексе кошки: анализ потенциалов поля, вызванных стимулами бинауральных биений. J. Neurophysiol. 31, 428–441.
PubMed Аннотация | Google Scholar
Юваль-Гринберг, С., Деуэлл, Л. Ю. (2011). Регистрируемые на коже головы индуцированные ответы гамма-полосы на слуховую стимуляцию и ее корреляцию с активностью саккадических мышц. Brain Topogr. 24, 30–39. DOI: 10.1007 / s10548-010-0157-7
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Фотоакустическая оценка в реальном времени образования очага радиочастотной абляции в левом предсердии
https://doi.org/10.1016/j.pacs.2019.100150Получить права и содержаниеОсновные моменты
- •
Фотоакустический (PA) мониторинг сердечная радиочастотная (RF) абляция была продемонстрирована ex vivo на клинически переводимой установке.
- •
Прогрессирование и непрерывность поражения оценивали в реальном времени на бьющемся сердце свиньи с циркулирующей кровью и / или физиологическим раствором.
- •
Катетер с активированной PA передает РЧ-энергию для абляции и импульсный лазерный свет для фотоакустической визуализации с внутрисердечной эхографией.
- •
Продемонстрированная технология может обеспечить обратную связь в режиме реального времени с интервенционными электрофизиологами во время процедур абляции предсердий.
Реферат
В интервенционной электрофизиологии процедуры катетерной радиочастотной (РЧ) абляции восстанавливают сердечный ритм путем прерывания аберрантных проводящих путей. Обратная связь в режиме реального времени об образовании поражения и оценке поражения после лечения может помочь преодолеть процедурные проблемы, связанные с удалением нижележащих структур и разрывов в поражении. Это исследование направлено на оценку визуализации в реальном времени прогрессирования и непрерывности поражения во время внутрипредсердной абляции с помощью фотоакустической (PA) визуализации с использованием клинически применяемой технологии.Катетер для абляции RF с PA использовался для абляции и освещения левого предсердия свиньи, как вырезанного, так и неповрежденного в пассивном бьющемся сердце ex-vivo, для генерации фотоакустического сигнала. Сигналы PA были получены с помощью катетера для внутрисердечной эхографии. Используя соотношение изображений PA, полученных с длинами волн возбуждения 790 нм и 930 нм, очаги абляции были успешно визуализированы с помощью циркулирующего физиологического раствора и / или крови, а промежутки в очагах поражения были идентифицированы в режиме реального времени. Оценка поражений при радиочастотной абляции на основе ПА была успешной в реалистичной доклинической модели вмешательства на предсердиях.
Ключевые слова
Фотоакустическая визуализация
РЧ абляционный катетер с фотоакустической функцией
Мониторинг поражений
Фибрилляция предсердий
РЧ абляция
Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)
Софизкинская степень в области электроники Искандер-Искандер Софизинец, степень в Американский университет в Каире в 2011 году, а затем присоединился к Делфтскому технологическому университету, чтобы получить степень магистра в области биомедицинской инженерии. Затем в 2014 году она присоединилась к отделу биомедицинской инженерии в Erasmus MC, университетском медицинском центре в Роттердаме, чтобы получить докторскую степень по биомедицинской визуализации.Тема ее исследований — фотоакустическая визуализация сердечно-сосудистой системы. Ее интересы простираются от робототехники, носимых устройств до медицинской визуализации.
Питер Круизинга начал свою карьеру в области фотоакустической визуализации в лаборатории профессора Станислава Емельянова, Техасский университет в Остине, США, и продолжил эту работу над докторской диссертацией в Erasmus MC, Нидерланды с доктором Гийсом ван Состом и Проф. Тон ван дер Стин. Его постдокторское исследование сместило акцент на ультразвуковую визуализацию, где он разработал методы компьютерного ультразвука и функциональной ультразвуковой визуализации.С помощью крупного многомиллионного инвестиционного гранта он недавно стал соучредителем CUBE — Центра ультразвуковой визуализации мозга в Erasmus MC. Этот новый центр призван объединить визуализацию, нейробиологию и нейрохирургию, чтобы лучше понять мозг и заболевания головного мозга. Питер Круизинга в настоящее время является доцентом кафедры нейробиологии в Erasmus MC.
Роберт Бёрскенс (1972), получил степень бакалавра наук. в 1997 году получил степень бакалавра электротехники в Fontys Hogeschool Venlo (Нидерланды).Затем он начал работать в Hauzer Techno Coating в Венло (Нидерланды) в качестве инженера-электрика, работающего на оборудовании для физического осаждения из паровой фазы (PVD) в промышленных масштабах. В 1999 году он начал работать в Prins Maurits Laboratorium в Рейсвейке (Нидерланды), филиале голландской организации прикладной физики TNO. Его основным интересом было проектирование, строительство и эксплуатация высоковольтных импульсных систем питания для всех видов гражданского и оборонного применения, начиная от стерилизации пищевых продуктов, атмосферной плазмы и заканчивая электрической реактивной защитой и противодействием.С 2007 года он работает в отделе биомедицинской инженерии ErasmusMC в Роттердаме (Нидерланды) в качестве разработчика электроники и техника по приборам. Основные интересы здесь — аналоговая и высокочастотная электроника для ультразвуковых приложений.
Герт Спрингелинг получил степень бакалавра в области машиностроения в Hogeschool Utrecht в 2010 году. С 2005 года он работает в отделе EMI, Erasmus MC, Роттердам. Он работал над созданием внутрисосудистого ультразвукового исследования, внутрисосудистой фотоакустики и катетера ОКТ.Его интересы — точное машиностроение, микромеханика и (волоконная) оптика.
Фриц Мастик получил степень бакалавра в области вычислительной математики Голландского математического общества в 1979 году. С 1986 года он работает в отделе биомедицинской инженерии Центра грудной клетки, Erasmus MC, Роттердам. Он работал над ультразвуковой характеристикой тканей, внутрисосудистым ультразвуком и недавно над визуализацией с высокой частотой кадров. В области внутрисосудистого ультразвукового исследования он работал с потоком ВСУЗИ и пальпографией ВСУЗИ.Его работа варьируется от приборов до разработки программного обеспечения для обработки и клинических исследований. Его интересы — методы обработки и визуализации сигналов.
Наташа М.С. де Гроот — кардиолог-электрофизиолог в Медицинском центре Эразмус в Роттердаме. Название ее диссертации: «Картирование и устранение предсердных тахиаритмий; от сигнала к субстрату ». В настоящее время она является директором отделения трансляционной электрофизиологии и главным исследователем Лаборатории медицинской дельта-сердечной аритмии, созданной в сотрудничестве между Техническим университетом Делфта и Erasmus MC.Она специализируется на картировании сердца, патофизиологии фибрилляции предсердий и аритмий у пациентов с врожденными пороками сердца.
Пол Кнопс (1975) изучал прикладную физику в Роттердамском университете. После стажировки в онкологическом центре Даниэля ден Хоэда ( Картирование дозы излучения электромагнитного поля во время гипертермического лечения поверхностных опухолей ) он получил степень бакалавра наук на основе диссертации «Разработка измерителя ударных волн высокого давления для измерений в Винсинити». точки взрыва » в лаборатории TNO — Prins Maurits.Он начал работать в отделении клинической электрофизиологии Erasmus MC и специализировался на сердечных аритмиях (IBHRE, EHRA). Он присоединился к исследовательской группе трансляционной электрофизиологии, которая занимается изучением механизмов, лежащих в основе фибрилляции предсердий. Сегодня он участвует в клинической и экспериментальной программе интраоперационного картирования сердца с высоким разрешением и в разработке специальных матриц картирующих электродов.
Тон ван дер Стин (1964) — руководитель отдела биомедицинской инженерии центра торакса, Erasmus MC.Он является соучредителем Medical Delta. Он является профессором биомедицинской инженерии в Erasmus MC и профессором прикладной физики в Делфтском техническом университете. Он также является профессором Medical Delta и почетным приглашенным профессором Китайской академии наук. Его главный научный интерес заключается в создании методов визуализации сердечно-сосудистой системы. Его главный политический интерес — создание технических решений для устойчивого здравоохранения. Он является ПИОНЕРОМ НВО 2000 года и Мастером Саймона Стевина 2007 года. Он является членом Нидерландской академии технологий и инноваций и Королевской академии искусств и наук.Он является членом IEEE и Европейского общества кардиологов. С 2018 года он является председателем Medical Delta.
Гийс ван Суст — доцент Центра торакса Erasmus MC в Роттердаме, Нидерланды. Он возглавляет исследовательскую группу по инвазивной визуализации, которая фокусируется на новых технологиях визуализации при сердечно-сосудистых и других вмешательствах. По образованию физик-экспериментатор (доктор философии Амстердамского университета в 2001 г., магистр наук в 1997 г. в Университете Гронингена), специализирующийся в области оптики и рассеяния волн, он является экспертом в области визуализации и спектроскопии сердечно-сосудистой патологии и терапии.Он использует фотоакустическую визуализацию, оптическую когерентную томографию и ультразвуковую визуализацию для изучения этих явлений.
© 2019 Автор (ы). Опубликовано Elsevier GmbH.
Прикладные науки | Бесплатный полнотекстовый | Прямое наблюдение за генерацией терагерцовых частотных гребенок в квантово-каскадных лазерах с разностной частотой
1. Введение
В области частотной метрологии парадигматический сдвиг произошел с изобретением оптических частотных гребенок [1,2,3] (оптических частотных гребенок) , излучение которого представляет собой суперпозицию серии квазимонохроматических электромагнитных волн (FC-моды), которыми можно полностью управлять с помощью двух параметров, т.е.е., частота повторения и частота смещения. Для этой цели необходимым и нетривиальным требованием является наличие фиксированного (т. Е. Постоянного во времени) фазового соотношения между всеми модами, определяющего общую когерентность источника. Таким образом, режимы таких лазеров могут использоваться в качестве точной линейки в видимой и ближней инфракрасной (ИК) областях, обеспечивая прямую связь между оптическими и микроволновыми / радиочастотными частотами [4]. Благодаря этим выдающимся характеристикам FC сегодня являются ключевыми инструментами во многих областях фундаментальных и прикладных исследований [5].Более того, в последние годы возможности применения FC были перенесены в менее распространенные спектральные области (средний и дальний ИК, ультрафиолет), в то время как были предприняты энергичные усилия, пытаясь уменьшить эти источники, достигая наиболее интересных результатов в основном с тремя различными Технологии: микрорезонаторы [6,7], межзонные каскадные лазеры [8] и частотные гребенки квантовых каскадных лазеров (QCL-FC) [9]. Однако среди них только QCL-FC могут получить доступ к ТГц части электромагнитного спектра [10,11].Это окно ТГц (или дальнего инфракрасного диапазона) в диапазоне от 0,1 до 10 ТГц представляет собой в значительной степени малоиспользуемую часть электромагнитного спектра, и его исторически называли «ТГц промежутком». Однако в последние годы высокоточная молекулярная спектроскопия в этой области привлекла большое внимание научного сообщества, поскольку многие интересные молекулы имеют характерные вращательные и вращательно-колебательные ТГц переходы, которые, как следствие, создают новый отпечаток пальца. регион [12]. По этой причине, чтобы быть подходящими для ТГц спектроскопических приложений метрологического уровня, был начат поиск высокопроизводительных лазерных источников [13].Эти лазерные источники должны быть идеально спектрально чистыми, широкополосными или широко настраиваемыми, отслеживаемыми по первичному стандарту частоты, излучать высокую мощность и, что не менее важно, компактными и простыми в эксплуатации для работы на месте или в полевых условиях. одночастотные ТГц ККЛ могут быть идеальными кандидатами. Фактически, эти полупроводниковые лазеры, управляемые током, основаны на межподзонных переходах в квантовых ямах, и поэтому их частота излучения может быть квантовой инженерией. Кроме того, они показывают относительно высокую оптическую мощность [14,15,16,17,18,19] и очень высокую спектральную чистоту [20,21,22].Эти особенности были использованы для высокоточной ТГц молекулярной спектроскопии [23,24] путем фазовой привязки ККЛ к ТГц ФЭ [25,26]. К сожалению, этот подход по-прежнему имеет два основных ограничения: во-первых, ограниченный диапазон перестройки одного устройства без скачков мод (несколько сотен МГц) не подходит для широкополосной спектроскопии; во-вторых, потребность в криогенном охлаждении серьезно затруднила широкое использование ККЛ. Фактически, несмотря на крайнюю миниатюризацию источников, потребность в криостате с жидким гелием, соответствующем жидком гелиевом дьюаре или (альтернативно) в дорогих холодильниках с импульсными трубками с низким уровнем механического шума, делает экспериментальную установку громоздкой и неудобной в эксплуатации. , и непригоден для развертывания в полевых условиях, даже если первые попытки были предприняты недавно [17,27,28].Первую проблему можно эффективно решить, заменив одночастотные устройства QCL на QCL-FC на основе широкополосных устройств Фабри – Перо (FP) с малой дисперсией групповой скорости [9,10]. Фактически, благодаря вырожденным и невырожденным нелинейным процессам четырехволнового смешения внутри активной области устройства продольные моды резонатора могут быть синхронизированы с инжекцией, что приводит к когерентному излучению FC. В ТГц диапазоне были приняты два разных метода, чтобы продемонстрировать высокий уровень когерентности, достигаемый источниками QCL-FC: спектроскопия с преобразованием Фурье смещенной интерференции волн (SWIFTS) [29] и, совсем недавно, анализ Фурье гребенчатого излучения (FACE). [30,31].Благодаря этим свойствам, QCL-FC могут использоваться в спектроскопических установках, таких как установки для спектроскопии с двумя гребенками (DCS), как было предложено в 2016 году с эталонным сигналом [32] (т.е. имитирующим реальное молекулярное поглощение), со спектрами газообразного аммиака [33] и водяного пара [34,35], и даже с использованием частотной привязки в гибридном DCS-спектрометре [36]. Вторым огромным ограничением ТГц ККЛ является необходимость криогенного охлаждения, что в конечном итоге препятствует миниатюризации ККЛ. основанные на установках, которые теперь могут быть преодолены с помощью альтернативного подхода, основанного на генерации разностной частоты (DFG) в ККЛ среднего инфракрасного диапазона [37], называемых THz DFG-QCLs [38,39,40].ККЛ среднего инфракрасного диапазона разработаны для обеспечения усиления в среднем инфракрасном диапазоне для насосов и обладают гигантской нелинейностью второго порядка χ (2) для ТГц DFG в активной области ККЛ [38,39,40,41]. Поскольку нелинейные процессы, такие как DFG, не требуют инверсии населенностей, THz DFG-QCL могут работать при комнатной температуре, как и другие QCL среднего инфракрасного диапазона. Как следствие, в настоящее время это единственные монолитные полупроводниковые источники ТГц диапазона с электрической накачкой, работающие при комнатной температуре в диапазоне 0.Диапазон частот от 6 до 6 ТГц [42,43]. Этот ключевой режим работы в последние годы сильно мотивировал дальнейшие исследования QCL-лазеров на основе DFG, хотя достижимая излучаемая мощность ниже, чем у лазеров с прямым терагерцовым излучением. Приняв подход к проектированию активной области с сильной связью верхнего состояния (двойное верхнее состояние: DAU) [41,44], который не требует двух составных лазерных активных областей для двух длин волн среднего ИК-диапазона, непрерывный (CW) производительность ТГц DFG-QCL значительно улучшилась за последние несколько лет [45,46].При первоначальных исследованиях и разработках ТГц DFG-QCL широко разрабатывались узкополосные и широко настраиваемые устройства. Также исследовалась возможность использования одномодовых устройств в качестве эталона метрологического уровня для обнаружения гетеродинов [47]. Эта технология была недавно перенесена на устройства DFG QCL, работающие в многомодовом режиме, в котором широкополосное ТГц излучение генерируется за счет нелинейного смешения между одной частотой накачки в среднем ИК диапазоне, выбранной решеткой с сильно отстроенной распределенной обратной связью (DFB), и режимами FP генератора вторая накачка в среднем ИК диапазоне, выбираемая резонатором лазера [48].Возможная работа терагерцовых гребенок была оценена для многомодовых ТГц DFG-QCL устройств, сначала при 78 К [40], а затем при комнатной температуре [49]. Однако они оценивались по спектральной когерентности эмиссионных спектров в среднем ИК-диапазоне и путем извлечения единой и узкой интермодальной биения (IBN). Однако это условие является необходимым, но не достаточным, чтобы доказать работу гребенки, поскольку разница между многомодовой работой и излучением гребенки в конечном итоге зависит от равного интервала между модами и фазового соотношения (связывающего моды друг с другом), постоянного в течение время.В этой работе мы демонстрируем обнаружение мод, излучаемых DFG QCL-FC с помощью многогетеродинной техники, которая в конечном итоге дает разрешение намного выше, чем у спектрометров на основе преобразования Фурье (порядка нескольких ГГц). Это позволяет напрямую сравнивать межмодовый интервал с электрической детектируемой частотой IBN, что приводит к очень хорошему согласованию. К сожалению, отношение сигнал / шум, обеспечиваемое экспериментальной установкой, ограниченное мощностью ТГц на режим, излучаемой устройством DFG QCL, не позволяет охарактеризовать фазовое соотношение устройства, которое будет предпринято в следующем поколении. устройств.
2. Конструкция и характеристики THz DFG-QCL
Структура активной области DAU используется для настоящего DFG-QCL, в котором межподполосные переходы для лазерного воздействия происходят от двух верхних поддиапазонов, препятствующих пересечению, в более низкая мини-зона, и такое большое количество переходов приводит к широкому спектру усиления. В конструкциях активной области почти одинаковые дипольные матричные элементы предназначены для межподзонных переходов из двух верхних состояний в нижние лазерные состояния, чтобы получить широкий спектр излучения электролюминесценции с плоским верхом.В активной области DAU несколько наборов состояний дают вклад в резонансный χ (2) для DFG. Эти энергетические состояния, относящиеся к оптическому резонансу, были разработаны для достижения оптической нелинейности второго порядка в активной области DAU. Для активной области устройства THz-DFG, излучающего около 3 ТГц, расчетный модуль нелинейной восприимчивости составляет | χ (2) | = 7,8 нм / В.
Сердцевина волновода в наших приборах непрерывного действия состоит из 40-ступенчатых активных областей (плотность легирования листа на каждой ступени активной области: 1.0 × 10 11 см −2 ). Рост всех структур полупроводникового слоя проводился методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений на нелегированной подложке InP [50,51]. Структура волновода была разработана для достижения ограничения оптических мод для среднего инфракрасного диапазона и ТГц DFG-излучения с черенковским углом фазового синхронизма ~ 20 градусов в подложку устройства из нелегированного InP. Схема устройства показана на рисунке 1а. Рост начинается с In 0 толщиной 200 нм.53 Ga 0,47 As слой инжекции тока (Si, 1,0 × 10 18 см −3 ), а затем слой n-InP толщиной 5 мкм (Si, 1,5 × 10 16 см −3 ) формируется как нижний облицовочный слой. Слои активной области InGaAs / InAlAs с компенсированной деформацией расположены между направляющими слоями n-In 0,53 Ga 0,47 As (Si, 1,5 × 10 16 см −3 ), толщина которых составляет 250 нм и 450 нм. используется для нижнего и верхнего слоев. Скрытая решетка DFB (однопериодная) была определена литографией наноимпринта для одномодового лазерного излучения и протравлена в верхнем n-In 0.53 Ga 0,47 В качестве направляющих слоев. Период решетки первого порядка составлял Λ = 1.04 мкм для одномодового излучения РОС. Коэффициент связи κ составил ~ 7 см −1 . Пластина была преобразована в гребневые структуры шириной 12 мкм и залита полуизолирующим слоем InP, легированным Fe. Затем был выращен верхний слой оболочки n-InP толщиной 5 мкм (Si, 1,5 × 10 16 см −3 ), а затем нанесен слой n + — InP (Si, ~ 10 19 см −3 ) контактный слой крышки.Наконец, верхние контакты (Ti / Au) были испарены, а затем нанесен гальванический слой Au толщиной 5 мкм поверх лазерной структуры. Лазерные стержни были оснащены эпитаксиальной установкой стороной вверх на медный блок, а затем охлаждались. в криостатах с жидким азотом без обратной связи для первоначального определения характеристик устройства, которое проводилось в лабораториях Hamamatsu в Японии. На рис.1b, c показаны результаты измерений излучения ТГц DFG-QCL с волноводом со скрытой гетероструктурой длиной 3 мм и шириной 12 мкм, работающего в непрерывном режиме при 78 К.На рисунке 1b показаны спектры излучения в средней инфракрасной области, в которых измерения с помощью быстрого сканирования (спектральное разрешение 0,2 см -1 ) были выполнены для двух насосов среднего инфракрасного диапазона, а также генерированное ТГц излучение от DFG-QCL. . В этом устройстве мы использовали накачку DFB / FP для генерации широкополосного ТГц излучения посредством нелинейного смешения частот между одной модой из-за решетки DFB и широкополосными многомодовыми модами из-за резонатора FP, как показано на рисунке 1b. Положение излучения РОС было значительно отстроено (~ 90 см -1 ) от пикового усиления; важно не подавлять широкополосное излучение резонатора FP.Следовательно, ожидается, что широкая полоса пропускания режимов FP и высокая выходная мощность в среднем инфракрасном диапазоне будут генерировать широкополосную частоту ТГц. После работы DFB-лазера на λ DFB = 6.5 мкм генерация FP происходит на λ FP ~ 6.9 мкм. Широкие спектры ФП подтверждены при токе накачки более 500 мА, что может быть связано с широкополосным спектром усиления в структуре DAU. На рис. 1в в линейном масштабе показаны спектры ТГц излучения устройства РОС при различных токах; сверхширокополосное ТГц излучение со многими продольными модами находится в диапазоне от 1 до 1.От 8 ТГц до 3,3 ТГц при 78 К, что является следствием преобразования с понижением частоты многомодовых спектров излучения в среднем инфракрасном диапазоне из-за резонатора FP. Вольт-амперные и светотоковые характеристики как для среднего инфракрасного диапазона, так и для ТГц мощности. Выходы показаны на Рисунке 2. DFG-QCL демонстрирует мощность непрерывного излучения в среднем инфракрасном диапазоне 1,1 Вт, а также мощность ТГц непрерывного излучения более 8 мкВт при 78 К, демонстрируя широкополосное излучение ТГц диапазона (Рисунок 1c). На рис. 2 также показаны температурные зависимости кривых тока света в непрерывном режиме ТГц излучения при различных температурах 78–170 К.Можно заметить выходную мощность в ТГц диапазоне примерно 0,5 мкВт при 170 К. Максимальная рабочая температура настоящего устройства значительно ниже, чем в наших предыдущих статьях [40,45], в которых работа в непрерывном режиме при комнатной температуре была достигнута с использованием конфигурации эпитаксиального монтажа стороной вверх [45]. Это указывает на то, что терморегулирование активной области DFG-QCL очень сложно для эпитаксиальных ТГц DFG-QCL, установленных стороной вверх, и метод эпитаксиального монтажа стороной вниз [39,46,49] является обязательным для стабильной работы CW в помещении. температура.3. ТГц мультигетеродинное детектирование
Более точная характеристика спектрального излучения DFG-QCL была проведена в лабораториях CNR-INO в Италии, путем установки его на холодном пальце криостата с жидким гелием. Чтобы выполнить измерения при той же рабочей температуре устройства, что и в предыдущем абзаце, мы измерили сопротивление устройства DFG-QCL, которое зависит от температуры. Фактически, из-за различных конфигураций криостата расстояние между датчиками температуры от устройства может сильно отличаться, что приводит к несогласованным измерениям температуры.В экспериментах устройство QCL приводилось в действие с помощью драйвера тока со сверхмалым шумом (ppqSense, QubeCL-P05) на 580 мА. Как видно из вольт-амперной характеристики устройства QCL на Рисунке 2, это соответствует при 78 К сопротивлению около 23,3 Ом. Поэтому мы изменили рабочую температуру устройства, чтобы получить при I = 580 мА приложенное напряжение 13,5 В и, следовательно, такое же сопротивление QCL, равное 23,3 Ом. На креплении QCL установлен тройник смещения (Marki Microwave, BT -0024SMG) подключается так, чтобы извлекать радиочастотные (RF) биения среди различных излучаемых мод, называемых в дальнейшем интермодальными импульсами (IBN).Эти радиочастотные IBN регистрируются анализатором спектра (Rohde-Schwarz, FSW 26,5 ГГц). Работа частотной гребенки устройства QCL среднего инфракрасного диапазона FP требует наличия одной частоты IBN (f IBN ). Для выбранного управляющего тока (I QCL = 580 мА) и сопротивления устройства (R QCL = 23,3 Ом) мы замечаем наличие одного IBN, как показано на рисунке 3 (f IBN = 15,18 ГГц). с различными полосами обзора и разрешениями. Тем не менее, информации, полученной с помощью интермодальной биения, недостаточно для подтверждения гребенчатого излучения FP-лазера среднего инфракрасного диапазона QCL и, как следствие, того, излучает ли устройство DFG частотную гребенку в ТГц диапазоне.Для этих целей мы реализовали установку многогетеродинного детектирования, детектирующую ТГц биения QCL-гребенки с хорошо известной опорной частотной гребенкой, излучающей в ТГц диапазоне. ТГц спектральное излучение гребенки DFG-QCL характеризуется непрерывным -волновой (CW) режим в соответствии со стандартной процедурой детектирования нескольких гетеродинов, описанной в [30,31], с экспериментальной установкой, схематически изображенной на рисунке 4. Эталонная гребенка получается путем оптического выпрямления (OR) усиленного модуля с синхронизацией мод. Волоконный fs-лазер, легированный эрбием (Menlo Systems, модель FC1500), синхронизированный с первичным стандартом частоты, излучение которого фокусируется в одномодовом волноводе из ниобата лития.Результирующая частотная гребенка ТГц, далее именуемая OR-гребенкой, имеет несколько преимуществ: она очень стабильна (стабильность 6 Гц), не имеет смещений и имеет частоту повторения f rep , непрерывно настраиваемую от 248 до 252. МГц. Это излучение OR-гребенки смешивается с излучением QCL на болометре с горячими электронами (HEB-Scontel RS0.3-3T1), реализуя многогетеродинное обнаружение и извлекая преобразованный с понижением частоты RF-сигнал биений между OR- и QCL. -гребни, состоящие из биений каждой оптической моды, эффективно излучаемой QCL с каждым режимом OR-гребенки.Эти гетеродинные биения (HBN) особенно полезны, когда соотношение между интервалами между модами двух родительских гребней близко к целочисленному значению, как показано на рисунке 5. HBN регистрируются на анализаторе спектра (Tektronix, RSA5106A), а два Образцы спектров представлены на рисунке 2. В частности, на рисунке 6a показано получение с f rep , выбранным как точное подмножество f IBN . В этой конфигурации, предполагая, что DFG-QCL ведет себя как гребенка, разности частот между каждым режимом гребенки QCL и его ближайшим соседним режимом гребенки ИЛИ точно такие же.Как следствие, в радиочастотном спектре, преобразованном с понижением частоты, все HBN должны сжиматься на одной и той же частоте, что в точности соответствует рисунку 6а, подтверждая гребенчатую природу устройства DFG. На рисунке 6b f rep немного расстроен, и мы можем визуализировать пять HBN, соответствующих пяти режимам ТГц, равномерно разнесенных в частотной области, с полосой обзора 40 МГц и полосой разрешения 10 Гц (RBW). Эти HBN соответствуют наиболее интенсивным ТГц режимам, излучаемым устройством QCL около 2.4 ТГц, как показано на рисунке 1b. Уровни сигнала HBN находятся в диапазоне от 5 до 10 дБмВт, и эти отношения сигнал / шум не позволяют охарактеризовать уровень когерентности излучаемой гребенки, то есть применить метод анализа Фурье излучения гребенки (FACE). Тем не менее, реализованная экспериментальная установка и восстановление HBN позволяют измерять частоты всех мод ККЛ с очень высокой точностью. Фактически, если мы примем во внимание частоту наиболее интенсивной моды QCL N (f N ), соответствующую наиболее интенсивной HBN, показанной на рисунке 6, мы можем записать уравнение (1) где f HBN — частота сигнала HBN между N-м режимом QCL и M-м режимом OR-гребенки.При фиксировании постоянных значений для I QCL и R QCL частота режима QCL f M остается постоянной. Затем, изменив частоту повторения OR-гребенки f rep и отслеживая частоту f HBN , из простой линейной регрессии мы можем экстраполировать порядок M режима OR-гребенки, как показано на рисунке 7. Линейная регрессия этого набора данных (зеленая линия) дает точную оценку порядка M. Фактически, поскольку полученное значение составляет 9705,01 с 0.33 стандартного отклонения, и поскольку M является целым числом, мы можем округлить до 9705 как номер режима M OR-гребенки. Следовательно, точный M-порядок используется для определения частоты режима f N QCL. Действительно, в уравнении (1), где вычисляется частота режима QCL, единственные оставшиеся источники неопределенностей связаны со значениями f rep и f HBN . Последний, с шириной линии 1,0 МГц, наблюдаемой на рисунке 6b, является преобладающим. Как следствие, частота QCL определяется как 2416068.1 (1.0) МГц. Затем мы можем использовать значение IBN и порядок различных режимов (как показано на рисунке 6) для одновременного измерения частот всех излучаемых мод, подтверждая, что эти режимы соответствуют наиболее интенсивным режимам, показанным на рисунке 1b, полученным с помощью FTIR. спектрометр. Что касается этих измерений, многогетеродинный метод позволяет повысить точность восстановления частот мод более чем на 3 порядка и, что более важно, позволяет проводить одновременные измерения для всех обнаруженных мод гребенчатой ККЛ.Фактически, можно заметить, что, выполняя более быстрые захваты в меньшем частотном окне, точность на частоте одного HBN может быть дополнительно улучшена до уровня кГц, но это поставит под угрозу одновременный захват всех излучаемые моды.4. Выводы
В заключение, мы представили первое прямое наблюдение терагерцовых мод, излучаемых частотной гребенкой DFG-QCL, с помощью многогетеродинного детектирования с оптически выпрямленной ТГц гребенкой, привязанной к первичному стандарту частоты, то есть 10- Кварцевый генератор МГц, управляемый часами Rb-GPS (Global Positioning System) (стабильность 6 × 10 −13 в 1 с и абсолютная точность 2 × 10 −12 ).Благодаря нашей установке, частоты гребенчатых мод ТГц ККЛ могут быть одновременно получены с точностью до 1 МГц, подтверждая, что они фактически равномерно разнесены по частоте на этом уровне точности. Более того, настраивая соотношение между интервалами между модами двух гребенок на целочисленное значение, мы наблюдаем коллапс HBN, как и ожидалось от частотной гребенки.
К сожалению, из-за низкой излучаемой мощности на мод только 7% всех мод можно было преобразовать с понижением частоты, а современные методы, такие как FACE, не могли быть применены к излучению ТГц.Это могло бы подтвердить существование фиксированного фазового соотношения между модами, что в конечном итоге является истинной характеристикой частотной гребенки. Однако дальнейшее улучшение выходной мощности может быть достигнуто за счет принятия оптимизированной структуры устройства с длинноволновой нелинейной активной областью [42] и ТГц волноводом на основе кремния [52]. Как только проблемы с питанием будут преодолены, метод FACE сможет не только подтвердить фазовую когерентность в излучаемых режимах ТГц излучения, но и полностью раскрыть свой многообещающий потенциал для высокоточной широкополосной спектроскопии в ТГц диапазоне даже без криогенных систем охлаждения.Последний проложит путь к миниатюрной точной метрологической диагностике в ТГц диапазоне.Суд Марий Эл оставил обвинительный приговор бывшему сотруднику УФПС без изменения
1 марта 2013 года Йошкар-Олинский городской суд Республики Марий Эл огласил решение по апелляционной жалобе бывшего сотрудника УФПС Сергея Бакулина на приговор о признании его виновным в совершении преступления, предусмотренного частью 1 статьи 116 УК РФ. (избиение или другие компульсивные действия, вызвавшие физическую боль) в отношении несовершеннолетнего Саши Кузнецова.Суд решил оставить приговор без изменения.
(На фото Йошкар-Олинский городской суд, источник Лента.ру)
Напомним, 20 июля 2012 года мать Саши Кузнецова обратилась за правовой помощью в офис МРПО «Комитет против пыток» в Республике Марий Эл. Сотрудник УФСИН по Республике Марий Эл незаконно применил силу против ее 10-летнего сына Александра Кузнецова.
Работники Комитета провели общественное расследование по заявлению Кузнецовой; его результаты подтвердили событие, описанное заявителем.
Суды заявили, что, когда Саша Кузнецов пришел в школу 12 марта 2012 года, он увидел отца своего одноклассника в форме возле раздевалки. В зале никого не было, урок уже начался. Саша понял, что пришел «разобраться» из-за конфликта с одноклассником, произошедшего несколько дней назад. В разговоре офицер оскорбил мальчика матом. Потом он перешел от слов к делу — выкрутил подростку ухо, а потом трижды ударил его затылком об стену.На этом «грохот» закончился.
Вечером Саша дома рассказал родителям о том, что с ним случилось, отец сразу отвез его в медпункт Йошкар-Олы. Там врач осмотрел пострадавшего и зафиксировал у него телесные повреждения. Как следует из акта судебно-медицинской экспертизы, у Саши Кузнецова: травматический отек мягких тканей затылочной области и синяки на левом ухе. В настоящее время лечится у психолога. Когда они вернулись домой, им позвонили из полиции; Саша с родителями пошли в отделение и дали объяснения сотрудникам правоохранительных органов.
6 апреля 2012 года в отношении неустановленного лица возбуждено уголовное дело по факту избиения школьника по признакам преступления, предусмотренного ч. 1 ст. 116 УК РФ.
6 ноября 2012 года мировым судьей магистратуры №7 г. Йошкар-Олы по уголовному делу вынесен обвинительный приговор в отношении бывшего сотрудника УФПС России по Республике Марий Эл Сергея Бакулина за совершение преступления, предусмотренного частью 1 ст. 116 УК РФ (избиение или иные принудительные действия, причинившие физическую боль) и наложил штраф в размере 20 000 рублей.
«Поскольку Йошкар-Олинский городской суд оставил без изменений решение мирового судьи от 6 ноября 2012 года, оно вступит в силу через 10 дней после его вынесения, если стороны не подадут кассационные жалобы в Верховный суд, — адвокат Комитета против пыток Комментарий Дмитрия Яликова. — При рассмотрении жалобы помощник прокурора Йошкар-Олы просил суд оставить приговор без изменения, а осужденный, хотя в суде раскаялся в совершенном преступлении, признал свою вину лишь частично и попросил уменьшить размер штрафа.Когда приговор вступит в силу, мы подадим в суд иск о возмещении морального вреда ».
.
Поиск по сайту