Photonic integrated circuits for quantum computing, communications and metrology

2023/2024

Academic Year

RUS

Instruction in Russian

4

ECTS credits

Delivered at:

School of Electronic Engineering

Course type:

Elective course

When:

4 year, 1 module

Instructors

Elezov, Mikhail

Kovalyuk, Vadim

Программа дисциплины

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

Промежуточная аттестация

• 2023/2024 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

Рекомендуемая основная литература

• Ефремов, Ю. С.  Квантовая механика : учебное пособие для вузов / Ю. С. Ефремов. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2019. — 458 с. — (Университеты России). — ISBN 978-5-534-04975-6. — Текст : электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/438848 (дата обращения: 28.08.2023).
• Игнатов, А. Н. Оптоэлектроника и нанофотоника : учебное пособие / А. Н. Игнатов. — 4-е изд., стер. — Санкт-Петербург : Лань, 2020. — 596 с. — ISBN 978-5-8114-5149-4. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/133479 (дата обращения: 00.00.0000). — Режим доступа: для авториз. пользователей.

Рекомендуемая дополнительная литература

• Брандт, Н. Б. Квазичастицы в физике конденсированного состояния : учебное пособие / Н. Б. Брандт, В. А. Кульбачинский. — 3-е изд. — Москва : ФИЗМАТЛИТ, 2010. — 632 с. — ISBN 978-5-9221-1209-3. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/59598 (дата обращения: 00.00.0000). — Режим доступа: для авториз. пользователей.
• Гантмахер, В. Ф. Электроны в неупорядоченных средах / В. Ф. Гантмахер. — 3-е изд., испр. и доп. — Москва : ФИЗМАТЛИТ, 2013. — 288 с. — ISBN 978-5-9221-1487-5. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/91178 (дата обращения: 00.00.0000). — Режим доступа: для авториз. пользователей.