Фотонные интегральные схемы для квантовых вычислений, коммуникаций и метрологии

Бакалавриат 2024/2025

Статус: Курс обязательный (Инфокоммуникационные технологии и системы связи)

Направление: 11.03.02. Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 4-й курс, 1 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Охват аудитории: для своего кампуса

Язык: русский

Кредиты: 4

Полная версия программы учебной дисциплины Задать вопрос

Аннотация

Современные оптические эксперименты проводятся на оптических столах с использованием приборов, занимающих много места, до нескольких квадратных метров. Из-за габаритных размеров, сложности настройки и выравнивания, а также температурной стабилизации такие устройства не подходят для применения в коммерческих приборах, поэтому оптика нуждается в миниатюризации. Одна из перспективных разработок в области фотоники — это создание оптических устройств на пластинках миллиметрового размера. С этой целью создаются волноводы микронного и субмикронного размера на поверхностях небольших пластин. По ним удобно распространять лазерное излучение и передавать его из одних точек в другие. Между волноводами можно располагать различные оптические элементы: нелинейно-оптические кристаллы, разветвители, резонаторы, фотоприемники, подбирая компоненты для актуальных приложений. Такие устройства могут работать как при комнатных (фотонные интегральные схемы), так и при гелиевых температурах (квантово-оптические интегральные микросхемы). В результате этих разработок уже сегодня компактные оптические чипы миллиметровых размеров при комнатной температуре способны повысить быстродействие и функциональность оптических устройств, в телекоммуникациях, метрологии и в области создания прототипов полностью оптических нейроморфных вычислительных систем. Работающие при гелиевых температурах устройства со сверхпроводниковыми однофотонными детекторами потенциально способны произвести прорыв на пути к созданию масштабируемого фотонного квантового компьютера. С некоторыми из таких устройств студенты будут знакомится в рамках этой дисциплины.Лабораторные работы посвящены развитию навыков численного моделирования и расчета характеристик фотонных интегральных схем, а также их экспериментальных исследований фотонных интегральных схем, включая направленный ответвитель и кольцевой микрорезонатор

Цель освоения дисциплины

Целью освоения дисциплины является развитие комплекса исследовательских умений и навыков магистрантов в области разработки, конструирования и исследования как фотонных интегральных схем, работающих при комнатной температуре, так и квантово-оптических интегральных микросхем, работающих при гелиевых температурах, применяемых в квантовых вычислениях коммуникациях, метрологии и коммуникациях.

Планируемые результаты обучения

Владеть методикой анализа, разработки и использования элементной базы устройств интегральной фотоники при конструировании сложных фотонных интегральных схем и квантово-оптических микросхем; навыками освоения большого объема информации.
Знать основные направления развития фотонных интегральных схем; преимущества и недостатки; устройство и принцип работы различных интегрально-оптических элементов, используемых для генерации, регистрации и преобразования света; теоретические волоконной и интегральной оптики.
Уметь делать правильные выводы из сопоставления результатов теории и эксперимента; использовать полученные знания для описания конкретных реализаций фотонных интегральных схем в процессе решения фундаментальных и прикладных задач; представлять полученные знания о свойствах устройств интегральной фотоники и квантовых схем, использовать навыки освоения большого объема информации в научном докладе и обсуждениях.

Содержание учебной дисциплины

Раздел 1. Мотивация создания и прогресс в области квантово-оптических интегральных схем
Раздел 2. Отдельные устройства фотонных интегральных схем
Раздел 3. • Первый уровень интеграции: волноводные сверхпроводниковые однофотонные детекторы на чипе.
Раздел 4. • Второй уровень интеграции: волноводные сверхпроводниковые однофотонные детекторы на чипе.
Раздел 5. • Третий уровень интеграции: полностью оптические интегральные микросхемы.
Раздел 6. • Направления развития квантово-оптических интегральных микросхем.

Элементы контроля

Практическая работа 3
Измерение коэффициента деления направленного ответвителя на нитрид-кремниевой платформе.
Экзамен
Практическая работа 2
Расчет и моделирование оптимальных параметров наноструктур с волноводами для телекоммуникационного диапазона длин волн с использованием программных средств "COMSOL Multiphysics"
Практическая работа 1
Расчет эффективного показателя преломления с использованием программных средств "COMSOL Multiphysics"
Практическая работа 4
Измерение спектра пропускания и определение характеристик кольцевого резонатора на нитрид-кремниевой платформе.

Промежуточная аттестация

2024/2025 1st module
0.15 * Практическая работа 1 + 0.15 * Практическая работа 2 + 0.15 * Практическая работа 3 + 0.15 * Практическая работа 4 + 0.4 * Экзамен

Список литературы

Авторы

Ковалюк Вадим Викторович

Программа дисциплины