Оставьте заявку
Оставьте заявку и мы с вами свяжемся
Нажимая на кнопку вы даете согласие на обработку персональных данных. Политика конфиденциальности
Мы используем cookie файлы, как и большинство сайтов в интернете. Гарантируем сохранность ваших персональных данных.
Вернуться назад
Пленарные заседания Российского форума «Микроэлектроника 2025». Часть 3
Представляем цикл статей в журнале «ЭЛЕКТРОНИКА НТБ» генерального информационного партнёра Форума РИЦ «Техносфера». Часть 3 опубликована в журнале «ЭЛЕКТРОНИКА наука | технология | бизнес» №1/2026. Автор Ю. Ковалевский.
Данная часть статьи посвящена третьему, заключительному, пленарному заседанию Российского форума «Микроэлектроника 2025».
В рамках заседания прозвучали доклады о российских исследованиях и разработках в области фотонных квантовых технологий, а также нанофотоники. Темами докладов стали источники и детекторы одиночных фотонов – приборы, играющие ключевую роль в таких перспективных областях, как квантовые вычисления и квантовая криптография, создание эффективных детекторов ИК-диапазона и приборов на их основе, а также решения в области нанофотонной элементной базы для оптических вычислений, в том числе для задач искусственного интеллекта (ИИ).
В рамках заседания прозвучали доклады о российских исследованиях и разработках в области фотонных квантовых технологий, а также нанофотоники. Темами докладов стали источники и детекторы одиночных фотонов – приборы, играющие ключевую роль в таких перспективных областях, как квантовые вычисления и квантовая криптография, создание эффективных детекторов ИК-диапазона и приборов на их основе, а также решения в области нанофотонной элементной базы для оптических вычислений, в том числе для задач искусственного интеллекта (ИИ).
Модератором пленарного заседания выступил главный научный сотрудник лаборатории квантового дизайна молекулярных и твердотельных наноструктур ФИАН, профессор НИУ МИЭТ, академик РАН А. А. Горбацевич.
Первый доклад мероприятия, озаглавленный «Сверхпроводниковые однофотонные детекторы – российская технология на глобальном рынке», представил главный научный сотрудник Российского квантового центра, заведующий кафедрой общей и экспериментальной физики МПГУ, основатель ООО «Сконтел» Г. Н. Гольцман. В начале выступления докладчик привел общие сведения о доступных на глобальном рынке технологиях детекторов одиночных фотонов. Говоря о сверхпроводниковых однофотонных детекторах, в качестве преимуществ данной технологии он отметил, в частности, широкий диапазон длин волн, высокую чувствительность, малое «мертвое» время, возможность создания приборов практически без тем новых отсчетов, способность различать число фотонов в импульсе, а в качестве основного недостатка – необходимость в достаточно габаритных и сравнительно дорогих криогенных системах, из-за чего такой детектор оказывается дороже полупроводникового, однако если используется один холодильник на четыре и более детектора, то стоимость в пересчете на один детектор оказывается даже ниже в сравнении с полупроводниковыми приборами.
Первый доклад мероприятия, озаглавленный «Сверхпроводниковые однофотонные детекторы – российская технология на глобальном рынке», представил главный научный сотрудник Российского квантового центра, заведующий кафедрой общей и экспериментальной физики МПГУ, основатель ООО «Сконтел» Г. Н. Гольцман. В начале выступления докладчик привел общие сведения о доступных на глобальном рынке технологиях детекторов одиночных фотонов. Говоря о сверхпроводниковых однофотонных детекторах, в качестве преимуществ данной технологии он отметил, в частности, широкий диапазон длин волн, высокую чувствительность, малое «мертвое» время, возможность создания приборов практически без тем новых отсчетов, способность различать число фотонов в импульсе, а в качестве основного недостатка – необходимость в достаточно габаритных и сравнительно дорогих криогенных системах, из-за чего такой детектор оказывается дороже полупроводникового, однако если используется один холодильник на четыре и более детектора, то стоимость в пересчете на один детектор оказывается даже ниже в сравнении с полупроводниковыми приборами.
Рассказывая об истории и современном состоянии рынка сверхпроводниковых однофотонных детекторов, Г. Н. Гольцман сообщил, что компания «Сконтел» представила первые такие приборы в 2004 году и в течение первых десяти лет была монополистом на мировом рынке по данному направлению. При этом в России технология не была востребована, и до 2007 года покупателями детекторов «Сконтел» были исключительно зарубежные компании. За последнее время возникли две американские и две европейские компании, которые предлагают данные приборы, а в 2024 году появилась первая такая компания в Китае.
Переходя к техническим вопросам, докладчик отметил, что лидером на рынке в данной области остается детектор, представляющий собой длинный нанопровод толщиной около 5 нм и шириной порядка 100 нм в виде меандра, заполняющего область, достаточную для сопряжения с оптоволокном или с внешней оптикой в открытом пространстве. При этом длина провода имеет порядок 1 мм, а точность края должна составлять около 1 нм. Было сказано, что сверхпроводящий материал, из которого изготавливается нанопровод, играет ключевую роль в достижении высоких характеристик детекторов. Для формирования провода используется магнетронное распыление – менее дорогая технология, чем применяемая в полупроводниковой промышленности для создания качественных структур, а также реактивное ионное травление.
Переходя к техническим вопросам, докладчик отметил, что лидером на рынке в данной области остается детектор, представляющий собой длинный нанопровод толщиной около 5 нм и шириной порядка 100 нм в виде меандра, заполняющего область, достаточную для сопряжения с оптоволокном или с внешней оптикой в открытом пространстве. При этом длина провода имеет порядок 1 мм, а точность края должна составлять около 1 нм. Было сказано, что сверхпроводящий материал, из которого изготавливается нанопровод, играет ключевую роль в достижении высоких характеристик детекторов. Для формирования провода используется магнетронное распыление – менее дорогая технология, чем применяемая в полупроводниковой промышленности для создания качественных структур, а также реактивное ионное травление.
Отдельной сложной задачей является корпусирование детектора, поскольку необходимо совместить оптическое волокно с сердцевиной 10 мкм с детектором такого же размера с точностью до 1 мкм, при этом не должно возникать рассовмещения при 100-кратном термоциклировании от комнатной температуры до 2 К.
Затем Г. Н. Гольцман рассказал о ряде работ на основе сверхпроводниковых однофотонных детекторов, разработанных в МПГУ и «Сконтел». Так, первая разработка, выполнявшаяся по заказу компании IBM более 25 лет назад, позволила детектировать фотоны, излучаемые при кратковременном нагреве каналов транзисторов БИС, вызванном их переключением. Тестер БИС на основе данных детекторов был построен компанией под названием NPTest, специально созданной в США под эту задачу.
Еще одна решенная задача – определение количества фотонов в импульсе, что было выполнено путём разделения площадки детектора на множество частей с соответствующими резисторами. По словам докладчика, данная технология очень важна для ряда применений, в частности для квантовых компьютеров.
Также была приведена работа, реализованная в 2012 году совместно с группой из Йельского университета, в которой впервые счёт фотонов выполнялся непосредственно на чипе.
Рассказав о других достижениях в области сверхпроводниковых однофотонных детекторов, а также в создании других элементов фотоники для построения ФИС, докладчик отметил важность перехода от однопиксельного детектора к устройствам получения изображений. Он сообщил, что самые чувствительные видеокамеры в мире требуют 100–200 фотонов для достижения приемлемого соотношения сигнал-шум. При финансовой поддержке Минпромторга России в РФ была выполнена работа по созданию охлаждаемой однофотонной видеокамеры для диапазона 400–1 600 нм. Сейчас этот проект на стадии организации производства и коммерциализации.
Матрица детектирует отдельные фотоны, но с некоторыми потерями: эффективность составляет порядка 60%. Однако, по словам докладчика, эта работа прорывная и на данный момент не имеет аналогов в мире.
Далее в докладе прозвучала информация о проектах по передаче квантового ключа, в которых использовались детекторы «Сконтел». Г. Н. Гольцман отметил, что данный сегмент рынка является самым большим для компании. В сети квантового распределения ключей (КРК) в Бостоне, финансировавшейся DARPA с 2002 по 2007 год и имевшей протяженность 29 км, применялись исключительно детекторы «Сконтел». На технологии, переданной компанией Евросоюзу в 2005–2009 годах, была построена, в частности, линия в Швейцарии. Затем, в 2011 году, с применением детекторов «Сконтел» была реализована линия в Японии, на которой была организована первая в мире квантово-защищенная конференция на расстоянии 45 км. В 2012 году была построена система КРК в Китае длиной 260 км, и с этого времени китайский рынок стал преобладающим для детекторов компании. А годом позже компания «Сконтел» совместно с группой из ИТМО осуществила передачу квантового ключа в лаборатории на расстояние 300 км. На линии Тольятти – Самара длиной 204 км, реализованной МИЭМ НИУ ВШЭ в 2022 году, была показана возможность создания в России реальных систем передачи квантовых ключей на большие расстояния, а в работе, выполненной компанией совместно
с китайскими коллегами в 2022 году, была достигнута рекордная на тот момент дальность передачи квантового ключа – 830 км.
Докладчик рассказал и о других проектах с участием компании «Сконтел» и отметил, что в настоящее время одним из основных ее рынков является индийский, причём на таких рынках, как Индия, Бразилия, Чили, важными составляющими являются не только производство и продажа детекторов, но и сервис, обслуживание и обучение пользователей.
В завершающей части доклада Г. Н. Гольцман рассказал о ряде других областей применения сверхпроводниковых однофотонных детекторов. В частности, он сообщил, что с помощью этой технологии возможен счёт фотонов с длиной волны до 29 мкм, что позволяет применять их в метеоустойчивой связи. Также были упомянуты такие сферы применения, как лидары для обнаружения слабоотражающих объектов на больших расстояниях, спутниковая лазерная дальнометрия, определение точных границ злокачественных опухолей путём дозиметрии синглетного кислорода, образуемого раковыми клетками, и др.
Затем Г. Н. Гольцман рассказал о ряде работ на основе сверхпроводниковых однофотонных детекторов, разработанных в МПГУ и «Сконтел». Так, первая разработка, выполнявшаяся по заказу компании IBM более 25 лет назад, позволила детектировать фотоны, излучаемые при кратковременном нагреве каналов транзисторов БИС, вызванном их переключением. Тестер БИС на основе данных детекторов был построен компанией под названием NPTest, специально созданной в США под эту задачу.
Еще одна решенная задача – определение количества фотонов в импульсе, что было выполнено путём разделения площадки детектора на множество частей с соответствующими резисторами. По словам докладчика, данная технология очень важна для ряда применений, в частности для квантовых компьютеров.
Также была приведена работа, реализованная в 2012 году совместно с группой из Йельского университета, в которой впервые счёт фотонов выполнялся непосредственно на чипе.
Рассказав о других достижениях в области сверхпроводниковых однофотонных детекторов, а также в создании других элементов фотоники для построения ФИС, докладчик отметил важность перехода от однопиксельного детектора к устройствам получения изображений. Он сообщил, что самые чувствительные видеокамеры в мире требуют 100–200 фотонов для достижения приемлемого соотношения сигнал-шум. При финансовой поддержке Минпромторга России в РФ была выполнена работа по созданию охлаждаемой однофотонной видеокамеры для диапазона 400–1 600 нм. Сейчас этот проект на стадии организации производства и коммерциализации.
Матрица детектирует отдельные фотоны, но с некоторыми потерями: эффективность составляет порядка 60%. Однако, по словам докладчика, эта работа прорывная и на данный момент не имеет аналогов в мире.
Далее в докладе прозвучала информация о проектах по передаче квантового ключа, в которых использовались детекторы «Сконтел». Г. Н. Гольцман отметил, что данный сегмент рынка является самым большим для компании. В сети квантового распределения ключей (КРК) в Бостоне, финансировавшейся DARPA с 2002 по 2007 год и имевшей протяженность 29 км, применялись исключительно детекторы «Сконтел». На технологии, переданной компанией Евросоюзу в 2005–2009 годах, была построена, в частности, линия в Швейцарии. Затем, в 2011 году, с применением детекторов «Сконтел» была реализована линия в Японии, на которой была организована первая в мире квантово-защищенная конференция на расстоянии 45 км. В 2012 году была построена система КРК в Китае длиной 260 км, и с этого времени китайский рынок стал преобладающим для детекторов компании. А годом позже компания «Сконтел» совместно с группой из ИТМО осуществила передачу квантового ключа в лаборатории на расстояние 300 км. На линии Тольятти – Самара длиной 204 км, реализованной МИЭМ НИУ ВШЭ в 2022 году, была показана возможность создания в России реальных систем передачи квантовых ключей на большие расстояния, а в работе, выполненной компанией совместно
с китайскими коллегами в 2022 году, была достигнута рекордная на тот момент дальность передачи квантового ключа – 830 км.
Докладчик рассказал и о других проектах с участием компании «Сконтел» и отметил, что в настоящее время одним из основных ее рынков является индийский, причём на таких рынках, как Индия, Бразилия, Чили, важными составляющими являются не только производство и продажа детекторов, но и сервис, обслуживание и обучение пользователей.
В завершающей части доклада Г. Н. Гольцман рассказал о ряде других областей применения сверхпроводниковых однофотонных детекторов. В частности, он сообщил, что с помощью этой технологии возможен счёт фотонов с длиной волны до 29 мкм, что позволяет применять их в метеоустойчивой связи. Также были упомянуты такие сферы применения, как лидары для обнаружения слабоотражающих объектов на больших расстояниях, спутниковая лазерная дальнометрия, определение точных границ злокачественных опухолей путём дозиметрии синглетного кислорода, образуемого раковыми клетками, и др.
Руководитель лаборатории оптики кристаллов и гетероструктур с экстремальной двумерностью ФТИ имени А. Ф. Иоффе А. А. Торопов рассказал о приборах, смежных однофотонным детекторам.
Полупроводниковые детерминированные источники одиночных фотонов (ИОФ) на квантовых точках (КТ), которым был посвящён доклад, он охарактеризовал как новые приборы из арсенала квантовых технологий. В основном речь в данном выступлении шла об исследованиях и работах по созданию данных приборов, выполняемых ФТИ имени А. Ф. Иоффе, инициированных Фондом перспективных исследований (ФПИ), а затем поддержанных ГК «Росатом» и ОАО «РЖД» в рамках дорожных карт «Квантовые вычисления» и «Квантовые коммуникации» соответственно.
Докладчик сообщил, что для создания источника истинно однофотонного излучения необходимо использовать истинно двухуровневые квантовые системы – одиночные атомы, ионы, молекулы, дефекты в кристаллах или полупроводниковые КТ.
Полупроводниковые детерминированные источники одиночных фотонов (ИОФ) на квантовых точках (КТ), которым был посвящён доклад, он охарактеризовал как новые приборы из арсенала квантовых технологий. В основном речь в данном выступлении шла об исследованиях и работах по созданию данных приборов, выполняемых ФТИ имени А. Ф. Иоффе, инициированных Фондом перспективных исследований (ФПИ), а затем поддержанных ГК «Росатом» и ОАО «РЖД» в рамках дорожных карт «Квантовые вычисления» и «Квантовые коммуникации» соответственно.
Докладчик сообщил, что для создания источника истинно однофотонного излучения необходимо использовать истинно двухуровневые квантовые системы – одиночные атомы, ионы, молекулы, дефекты в кристаллах или полупроводниковые КТ.
Принцип работы таких источников заключается в следующем: двухуровневая квантовая система возбуждается лазерными импульсами, настолько короткими, что на каждый импульс накачки она успевает излучить ровно один фотон. Таких идеальных источников пока не существует, поэтому важным параметром является яркость (или эффективность) однофотонного источника – вероятность излучения фотона за один импульс накачки.
Среди основных областей применения ИОФ было названо квантовое распределение ключей. На текущий момент в этой области применяются в основном источники на основе сильно ослабленных лазерных импульсов, однако эти приборы не позволяют повысить интенсивность, не потеряв в однофотонности. Поэтому, по словам А. А. Торопова, многие фирмы в мире в последнее время сконцентрировались на разработке детерминированных источников фотонов, в первую очередь на основе полупроводниковых КТ. Докладчик привёл пример такой работы, где четыре университетские команды создали систему КРК между немецкими городами на основе InAs-источника, работающего в C-диапазоне (наиболее подходящем для данного применения), с достаточно хорошей однофотонностью. Однако пока эти приборы существенно уступают лучшим импульсным лазерным источникам по яркости.
Второе важное применение ИОФ – квантовые вычисления. В данной области из-за возможности использования другой длины волны достигается более высокая яркость. Так, в одной работе 2019 года в схеме фотонного квантового процессора использовался источник на квантовой точке InAs/GaAs с яркостью 21%.
А. А. Торопов представил структуру источника разработки ФТИ. Она включает два основных элемента: квантовую точку и микрорезонатор, задача которого – обеспечить многократное взаимодействие света с КТ так, чтобы собрать все излучённые фотоны в одну моду, поскольку КТ является очень слабым излучателем. Микрорезонатор выполнен в виде столбика; сверху и снизу расположены эпитаксиальные брэгговские зеркала, а между ними находится область толщиной в одну длину волны, в центре которой расположена КТ. Для получения КТ применяется метод самоорганизации: при напылении тонкого слоя InAs на GaAs из-за возникающих упругих напряжений в слое образуются малые объекты – КТ с размерами порядка длины волны де Бройля электрона, что происходит благодаря тому, что рассогласование параметров кристаллических решеток данных материалов составляет около 7%, что оптимально для длин волн, которые могут применяться в квантовых вычислителях.
Докладчик отметил, что в институте используется отечественный процесс молекулярно-пучковой эпитаксии. Массив столбиков изготавливается из полученной плоской гетероструктуры путем фотолитографии. Затем из данного массива отбираются столбики, в которых сформировались подходящие излучатели.
Отдельной непростой задачей является возбуждение КТ. Наилучшим способом, по словам А. А. Торопова, является когерентное и строго резонансное возбуждение – лазером той же длины волны, что и излучаемые одиночные фотоны. При этом необходимо отфильтровать излучение лазера от данных фотонов, что достигается путём кросс-поляризационной фильтрации. Это приводит к потере 50% сигнала. Однако если микрорезонатор изготовить с эллиптическим сечением, то реализуются две ортогонально поляризованные моды, и возбуждение можно производить в одной моде, а детектирование – в другой. При этом излучение оказывается изначально поляризованным, и потери при фильтрации существенно снижаются – на практике их удалось уменьшить до 14%.
Также докладчик рассказал о решении, разработанном в институте, по управлению зарядовым состоянием КТ. В результате в ФТИ удалось достичь рекордной на сегодняшний день яркости для приборов такого типа – 34%, что означает, что в среднем каждый третий импульс накачки приводит к излучению фотона. Гарантированная конечная яркость в волокне у подобных приборов, предлагаемых компанией Quandela для задач квантовых вычислений, в два раза ниже: она составляет 17% при всех остальных параметрах на сравнимом уровне.
Далее А. А. Торопов рассказал о разработках института в области ИОФ на КТ для C-диапазона (предпочтительная длина волны 1,55 мкм), востребованного в телекоммуникациях. Как было отмечено ранее, здесь достижения во всем мире существенно более скромные, что связано с необходимостью меньшего рассогласования параметров решеток для самоорганизации КТ. Такой удачной пары материалов, как InAs и GaAs для длин волн, применяемых в квантовых вычислениях, здесь нет. В ФТИ впервые была показана возможность изготовления монолитного оптического микрорезонатора с распределенными брэгговскими отражателями и КТ, а также выполнения резонансной когерентной накачки КТ для данного диапазона.
В институте проводятся работы по созданию ИОФ на КТ для C-диапазона путем рассечения структуры на подложке GaAs с последующим изготовлением метаморфного буфера, позволяющего изменить параметр решетки кристалла без внесения существенного количества дефектов. Была показана возможность получения массива КТ с большим разбросом размеров, включая достаточно крупные, излучающие фотоны с длиной волны вблизи 1,55 мкм. В результате были получены ИОФ с яркостью порядка 11%, что вдвое выше яркости лучших источников на КТ, применявшихся в системах КРК ранее. Сейчас ведутся работы, которые, как ожидается, приведут к повышению яркости ИОФ примерно до 25%, что позволит сделать их более эффективными, чем источники на основе ослабленных лазерных импульсов для систем КРК.
Также в докладе было уделено внимание вопросу интеграции ИОФ на КТ с оптоволокном. Было отмечено, что большая часть проблем на пути создания источника в едином криостате замкнутого цикла с оптоволоконными выводами близка к разрешению.
Среди основных областей применения ИОФ было названо квантовое распределение ключей. На текущий момент в этой области применяются в основном источники на основе сильно ослабленных лазерных импульсов, однако эти приборы не позволяют повысить интенсивность, не потеряв в однофотонности. Поэтому, по словам А. А. Торопова, многие фирмы в мире в последнее время сконцентрировались на разработке детерминированных источников фотонов, в первую очередь на основе полупроводниковых КТ. Докладчик привёл пример такой работы, где четыре университетские команды создали систему КРК между немецкими городами на основе InAs-источника, работающего в C-диапазоне (наиболее подходящем для данного применения), с достаточно хорошей однофотонностью. Однако пока эти приборы существенно уступают лучшим импульсным лазерным источникам по яркости.
Второе важное применение ИОФ – квантовые вычисления. В данной области из-за возможности использования другой длины волны достигается более высокая яркость. Так, в одной работе 2019 года в схеме фотонного квантового процессора использовался источник на квантовой точке InAs/GaAs с яркостью 21%.
А. А. Торопов представил структуру источника разработки ФТИ. Она включает два основных элемента: квантовую точку и микрорезонатор, задача которого – обеспечить многократное взаимодействие света с КТ так, чтобы собрать все излучённые фотоны в одну моду, поскольку КТ является очень слабым излучателем. Микрорезонатор выполнен в виде столбика; сверху и снизу расположены эпитаксиальные брэгговские зеркала, а между ними находится область толщиной в одну длину волны, в центре которой расположена КТ. Для получения КТ применяется метод самоорганизации: при напылении тонкого слоя InAs на GaAs из-за возникающих упругих напряжений в слое образуются малые объекты – КТ с размерами порядка длины волны де Бройля электрона, что происходит благодаря тому, что рассогласование параметров кристаллических решеток данных материалов составляет около 7%, что оптимально для длин волн, которые могут применяться в квантовых вычислителях.
Докладчик отметил, что в институте используется отечественный процесс молекулярно-пучковой эпитаксии. Массив столбиков изготавливается из полученной плоской гетероструктуры путем фотолитографии. Затем из данного массива отбираются столбики, в которых сформировались подходящие излучатели.
Отдельной непростой задачей является возбуждение КТ. Наилучшим способом, по словам А. А. Торопова, является когерентное и строго резонансное возбуждение – лазером той же длины волны, что и излучаемые одиночные фотоны. При этом необходимо отфильтровать излучение лазера от данных фотонов, что достигается путём кросс-поляризационной фильтрации. Это приводит к потере 50% сигнала. Однако если микрорезонатор изготовить с эллиптическим сечением, то реализуются две ортогонально поляризованные моды, и возбуждение можно производить в одной моде, а детектирование – в другой. При этом излучение оказывается изначально поляризованным, и потери при фильтрации существенно снижаются – на практике их удалось уменьшить до 14%.
Также докладчик рассказал о решении, разработанном в институте, по управлению зарядовым состоянием КТ. В результате в ФТИ удалось достичь рекордной на сегодняшний день яркости для приборов такого типа – 34%, что означает, что в среднем каждый третий импульс накачки приводит к излучению фотона. Гарантированная конечная яркость в волокне у подобных приборов, предлагаемых компанией Quandela для задач квантовых вычислений, в два раза ниже: она составляет 17% при всех остальных параметрах на сравнимом уровне.
Далее А. А. Торопов рассказал о разработках института в области ИОФ на КТ для C-диапазона (предпочтительная длина волны 1,55 мкм), востребованного в телекоммуникациях. Как было отмечено ранее, здесь достижения во всем мире существенно более скромные, что связано с необходимостью меньшего рассогласования параметров решеток для самоорганизации КТ. Такой удачной пары материалов, как InAs и GaAs для длин волн, применяемых в квантовых вычислениях, здесь нет. В ФТИ впервые была показана возможность изготовления монолитного оптического микрорезонатора с распределенными брэгговскими отражателями и КТ, а также выполнения резонансной когерентной накачки КТ для данного диапазона.
В институте проводятся работы по созданию ИОФ на КТ для C-диапазона путем рассечения структуры на подложке GaAs с последующим изготовлением метаморфного буфера, позволяющего изменить параметр решетки кристалла без внесения существенного количества дефектов. Была показана возможность получения массива КТ с большим разбросом размеров, включая достаточно крупные, излучающие фотоны с длиной волны вблизи 1,55 мкм. В результате были получены ИОФ с яркостью порядка 11%, что вдвое выше яркости лучших источников на КТ, применявшихся в системах КРК ранее. Сейчас ведутся работы, которые, как ожидается, приведут к повышению яркости ИОФ примерно до 25%, что позволит сделать их более эффективными, чем источники на основе ослабленных лазерных импульсов для систем КРК.
Также в докладе было уделено внимание вопросу интеграции ИОФ на КТ с оптоволокном. Было отмечено, что большая часть проблем на пути создания источника в едином криостате замкнутого цикла с оптоволоконными выводами близка к разрешению.
Доклад руководителя приоритетного Технологического направления «Технологии оптоэлектроники и фотоники», заместителя генерального директора АО «Швабе» С. В. Попова был озаглавлен «Новое поколение детекторов ИК-диапазона на основе коллоидных квантовых точек». В начале доклада было отмечено, что изготовление светочувствительных матриц в наибольшей степени освоено в видимом диапазоне, а с ИК-диапазоном существуют серьёзные проблемы, поскольку для таких матриц необходимы совершенно другие сенсоры на других материалах, причём для каждого поддиапазона требуются свои материалы и сенсорные технологии.
По словам докладчика, применение коллоидных квантовых точек (ККТ) получило в настоящее время широкое распространение в создании устройств отображения, серийное производство данных изделий практически отработано, созданы все предпосылки для применения ККТ в том числе в фоточувствительных устройствах, таких как тепловизионные приборы.
По словам докладчика, применение коллоидных квантовых точек (ККТ) получило в настоящее время широкое распространение в создании устройств отображения, серийное производство данных изделий практически отработано, созданы все предпосылки для применения ККТ в том числе в фоточувствительных устройствах, таких как тепловизионные приборы.
С. В. Попов рассказал, что в традиционной технологии получения фоточувствительной матрицы изготавливаются матрица фоточувствительных элементов и БИС считывания по отдельности, после чего выполняется их попиксельное совмещение. Это достаточно сложная технология, требующая дорогого оборудования. При создании фотоприемных матриц на основе ККТ операция гибридизации исключается: на БИС считывания просто наносится фоточувствительный слой ККТ. Это приводит с значительному снижению себестоимости изделий. При этом также снимаются ограничения на шаг чувствительных элементов. Кроме того, данная технология позволяет реализовать групповое изготовление фоточувствительных элементов на пластине.
Докладчик сообщил, что в мире исследованиями в области создания фотоприёмников на основе ККТ занимаются восемь компаний, при этом только одна из них выпускает эти устройства серийно. В сентябре 2024 года компания Quantum Solutions (Великобритания)
продемонстрировала готовый фотоприёмник для мини БПЛА с разрешением 640 × 512 пикселей, работающий в диапазоне 0,4–1,7 мкм.
В России, по словам С. В. Попова, фундаментальные исследования в области ККТ (за которые, в частности, Алексей Иванович Екимов получил в 2023 году Нобелевскую премию) долгое время оставались не до конца востребованными промышленностью. Однако в 2018 году это направление было выбрано для обеспечения в перспективе массового производства фотоприёмных устройств ИК-диапазона. Две работы в этой области были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований. В 2021 году данная тема была поддержана ФПИ в качестве одной из приоритетных. По этому направлению ведется активная комплексная работа по созданию не только самих фотоприёмников, но и готовых систем на их основе. В частности, на момент проведения мероприятия проводились разработки в области специального мультиплексора для данных изделий и новой технологии формирования оптических элементов для более дешевых объективов.
Работоспособность технологии уже продемонстрирована. В 2025 году было получено видеоизображение с помощью фотоприёмного устройства на ККТ в ИК-диапазоне. Это, как отметил докладчик, показывает, что отставание России по данному направлению от ведущих стран невелико. Также запланировано создание оборудования для реализации этой технологии. Кроме того, С. В. Попов упомянул о теоретических работах и экспериментальных решениях, показывающих возможность создания фотоприёмников на основе ККТ не только для ближнего, но и для среднего и дальнего ИК-диапазонов, и выразил надежду, что данная технология позволит достичь новых рубежей в ИК-технике.
Докладчик сообщил, что в мире исследованиями в области создания фотоприёмников на основе ККТ занимаются восемь компаний, при этом только одна из них выпускает эти устройства серийно. В сентябре 2024 года компания Quantum Solutions (Великобритания)
продемонстрировала готовый фотоприёмник для мини БПЛА с разрешением 640 × 512 пикселей, работающий в диапазоне 0,4–1,7 мкм.
В России, по словам С. В. Попова, фундаментальные исследования в области ККТ (за которые, в частности, Алексей Иванович Екимов получил в 2023 году Нобелевскую премию) долгое время оставались не до конца востребованными промышленностью. Однако в 2018 году это направление было выбрано для обеспечения в перспективе массового производства фотоприёмных устройств ИК-диапазона. Две работы в этой области были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований. В 2021 году данная тема была поддержана ФПИ в качестве одной из приоритетных. По этому направлению ведется активная комплексная работа по созданию не только самих фотоприёмников, но и готовых систем на их основе. В частности, на момент проведения мероприятия проводились разработки в области специального мультиплексора для данных изделий и новой технологии формирования оптических элементов для более дешевых объективов.
Работоспособность технологии уже продемонстрирована. В 2025 году было получено видеоизображение с помощью фотоприёмного устройства на ККТ в ИК-диапазоне. Это, как отметил докладчик, показывает, что отставание России по данному направлению от ведущих стран невелико. Также запланировано создание оборудования для реализации этой технологии. Кроме того, С. В. Попов упомянул о теоретических работах и экспериментальных решениях, показывающих возможность создания фотоприёмников на основе ККТ не только для ближнего, но и для среднего и дальнего ИК-диапазонов, и выразил надежду, что данная технология позволит достичь новых рубежей в ИК-технике.
Заключительный доклад пленарного заседания, озаглавленный «Фотонные интегральные схемы для задач аналоговой обработки изображений и нейроморфных оптических вычислений», представил проректор, заведующий кафедрой нанофотоники физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, член-корр. РАН А. А. Федянин.
Он отметил, что на текущий момент область, которой посвящен доклад, еще находится на стадии поисковых научных исследований и пока неясно даже то, какие основные платформы могут использоваться для реализации ФИС для нанофотонной обработки оптической информации, однако данная область выглядит очень перспективной, ей нужно заниматься и как можно скорее переходить к созданию элементной базы для таких систем.
Докладчик рассказал, что именно понимается под нанофотонными элементами. Это элементы для генерации, управления распространением и детектирования электромагнитного излучения, имеющие размеры порядка оптической длины волны или менее. С одной стороны, это перспективная область, открывающая возможность создания микроминиатюрных ФИС с предельно малыми для оптики элементами, причем характерные размеры элементов составляют порядка 100 нм, что позволяет изготавливать такие ФИС на российских мощностях.
Он отметил, что на текущий момент область, которой посвящен доклад, еще находится на стадии поисковых научных исследований и пока неясно даже то, какие основные платформы могут использоваться для реализации ФИС для нанофотонной обработки оптической информации, однако данная область выглядит очень перспективной, ей нужно заниматься и как можно скорее переходить к созданию элементной базы для таких систем.
Докладчик рассказал, что именно понимается под нанофотонными элементами. Это элементы для генерации, управления распространением и детектирования электромагнитного излучения, имеющие размеры порядка оптической длины волны или менее. С одной стороны, это перспективная область, открывающая возможность создания микроминиатюрных ФИС с предельно малыми для оптики элементами, причем характерные размеры элементов составляют порядка 100 нм, что позволяет изготавливать такие ФИС на российских мощностях.
С другой стороны, данная область имеет определённые ограничения. Например, при таких размерах элементов нет возможности использовать высокодобротный резонанс, распределённые брэгговские отражатели и т. п. Было отмечено, что применение нанофотонной технологии для оптических вычислений – достаточно новое направление во всем мире. Работа, в которой впервые началось серьёзное обсуждение возможности реализации нанофотонного сопроцессора, была опубликована в журнале Nature Photonics в 2021 году. Одной из важных нишевых областей применения технологии были названы нейроморфные вычислительные системы.
Большое внимание А. А. Федянин уделил такому направлению, как диэлектрическая нанофотоника. Несмотря на название этой технологии, в ней используются полупроводники в их полосе прозрачности. Например, у кремния достаточно высокий показатель преломления в ближнем ИК-диапазоне, но при этом он в данном диапазоне вполне прозрачен. Если изготовить из него шарик размером менее длины волны, то его отклик на внешнее поле может быть представлен как набор мод Ми. Первая мода этого разложения магнитодипольная, она характеризуется тем, что из-за тока смещения здесь возникают большие магнитные поля оптического диапазона.
В естественных структурах такого эффекта не наблюдается: в оптическом диапазоне магнитная проницаемость равна единице, а у таких шариков можно реализовать достаточно большое её значение. Вместо шариков можно сформировать набор дисков размером порядка 100 нм или менее с помощью планарных технологий. Каждый такой диск будет работать, как наноантенна. При расстоянии между наноантеннами в наборе порядка оптической длины волны или менее резонансы отдельных наноантенн начинают гибридизироваться. Таким образом формируется метаповерхность: двумерная структура, которая позволяет манипулировать характеристиками падающего на неё электромагнитного излучения – направлением, интенсивностью, поляризацией, фазой и т. п. Как отметил А. А. Федянин, на таких структурах могут быть реализованы различные устройства, например ахроматические линзы или фазовые корректоры. В зависимости от спектрального диапазона для получения метаповерхностей могут применяться различные полупроводники, исходя из их полосы прозрачности.
Далее, отметив, что у метаповерхностей есть различные применения, докладчик рассмотрел два из них в контексте вычислительных задач. Первое применение заключается в следующем: на первую метаповерхность падает двумерное изображение; метаповерхность выполняет преобразование Фурье; далее, вторая метаповерхность выполняет умножение преобразованного изображения на некоторое закодированное в ней ядро; третья метаповерхность выполняет обратное преобразование Фурье.
Таким образом реализуется решение интегрально-дифференциального уравнения с фиксированным ядром, записанным во второй метаповерхности. Очень сложная операция для классических электронных вычислителей решается, фактически, мгновенно. Второе применение – реализация ахроматических металинз для дисплеев дополненной реальности.
Также было отмечено, что значительное количество научных групп уже начали двигаться в направлении создания активных, переключаемых или управляемых метаповерхностей. Группой физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, в частности, разработан метод полностью оптического переключения (all-optical switching) при помощи лазерных импульсов с характерными временами переключения порядка десятых долей пс для кремниевых метаповерхностей и единиц пс для метаповерхностей из арсенида галлия. Также на факультете были созданы гибридные магнитофотонные метаповерхности, где при помощи кремниевых метаповерхностей и тонких слоёв магнитных материалов реализовано усиление магнитооптических эффектов в необходимом спектральном диапазоне. Это позволило реализовать управление метаповерхностями при помощи внешнего магнитного поля, хотя пока и с достаточно узким диапазоном изменения управляемого параметра.
Докладчик также привел примеры исследований и разработок, проводимых на факультете совместно с ФТИ имени А. Ф. Иоффе в области излучающих элементов интегральной фотоники.
С целью интенсификации исследований в области нейроморфной нанофотоники на кафедре нанофотоники физического факультета МГУ была создана лаборатория, в рамках которой выполняются работы по четырём направлениям: нейроморфная вычислительная платформа для спайковых нейросетей; программно-аппаратный комплекс для реализации оптических вычислений в свободном пространстве; интеллектуальная камера и дифракционные нейросети для распознавания изображений; аппаратный ускоритель для задач ИИ на основе интегральной фотоники.
В докладе были приведены примеры того, как с помощью нанофотоники могут решаться задачи ИИ. Так, для классификации изображений часть слоёв свёрточной нейросети может быть заменена на оптические слои для уменьшения размерности.
Одна из моделей фотонных вычислительных ядер, рассматриваемых в лаборатории, – кроссбар-архитектура для фотонных сопроцессоров. В качестве входного вектора для данной архитектуры выступает набор входных волноводов, на которые подаётся оптический сигнал. Свёртка вектора с матрицей осуществляется умножением каждого вектора на коэффициент пропускания, причём эта операция реализуется, по сути, мгновенно, а если веса зафиксированы, то при её выполнении энергия не потребляется, кроме энергии входного оптического сигнала.
Также в докладе был приведен вариант оптоэлектронного синапса, в котором спайки представляются лазерными импульсами с меняющейся частотой, а синаптический отклик определяется фотопроводимостью ячейки, выполненной на основе плёнки наноструктурированного оксида металла, например цинка. В лаборатории кафедры нанофотоники была показана возможность реализации такого квазисинаптического устройства и был создан макет нейроморфного синаптического вычислителя с матрицей элементов из ZnO.
В качестве выводов А. А. Федянин ещё раз указал на важность разработки фотонной элементной базы для реализации высокопроизводительных оптических вычислений, в том числе для задач ИИ, и сообщил, что ряд задач и проблем ещё требует решения. Среди них – разработка концепции и реализация оптического матричного вычислительного ядра, оценка эффективности и быстродействия и разработка принципов сопряжения оптического матричного сопроцессора с электронными компонентами.
В завершении заседания А. А. Горбацевич отметил, что представленные доклады – это примеры отечественных исследований и разработок мирового уровня, и пожелал успеха докладчикам и их коллективам. Более подробно вопросы развития оптоэлектроники и фотоники, а также квантовых технологий были рассмотрены в рамках соответствующих секций научной конференции Российского форума «Микроэлектроника 2025».
Большое внимание А. А. Федянин уделил такому направлению, как диэлектрическая нанофотоника. Несмотря на название этой технологии, в ней используются полупроводники в их полосе прозрачности. Например, у кремния достаточно высокий показатель преломления в ближнем ИК-диапазоне, но при этом он в данном диапазоне вполне прозрачен. Если изготовить из него шарик размером менее длины волны, то его отклик на внешнее поле может быть представлен как набор мод Ми. Первая мода этого разложения магнитодипольная, она характеризуется тем, что из-за тока смещения здесь возникают большие магнитные поля оптического диапазона.
В естественных структурах такого эффекта не наблюдается: в оптическом диапазоне магнитная проницаемость равна единице, а у таких шариков можно реализовать достаточно большое её значение. Вместо шариков можно сформировать набор дисков размером порядка 100 нм или менее с помощью планарных технологий. Каждый такой диск будет работать, как наноантенна. При расстоянии между наноантеннами в наборе порядка оптической длины волны или менее резонансы отдельных наноантенн начинают гибридизироваться. Таким образом формируется метаповерхность: двумерная структура, которая позволяет манипулировать характеристиками падающего на неё электромагнитного излучения – направлением, интенсивностью, поляризацией, фазой и т. п. Как отметил А. А. Федянин, на таких структурах могут быть реализованы различные устройства, например ахроматические линзы или фазовые корректоры. В зависимости от спектрального диапазона для получения метаповерхностей могут применяться различные полупроводники, исходя из их полосы прозрачности.
Далее, отметив, что у метаповерхностей есть различные применения, докладчик рассмотрел два из них в контексте вычислительных задач. Первое применение заключается в следующем: на первую метаповерхность падает двумерное изображение; метаповерхность выполняет преобразование Фурье; далее, вторая метаповерхность выполняет умножение преобразованного изображения на некоторое закодированное в ней ядро; третья метаповерхность выполняет обратное преобразование Фурье.
Таким образом реализуется решение интегрально-дифференциального уравнения с фиксированным ядром, записанным во второй метаповерхности. Очень сложная операция для классических электронных вычислителей решается, фактически, мгновенно. Второе применение – реализация ахроматических металинз для дисплеев дополненной реальности.
Также было отмечено, что значительное количество научных групп уже начали двигаться в направлении создания активных, переключаемых или управляемых метаповерхностей. Группой физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, в частности, разработан метод полностью оптического переключения (all-optical switching) при помощи лазерных импульсов с характерными временами переключения порядка десятых долей пс для кремниевых метаповерхностей и единиц пс для метаповерхностей из арсенида галлия. Также на факультете были созданы гибридные магнитофотонные метаповерхности, где при помощи кремниевых метаповерхностей и тонких слоёв магнитных материалов реализовано усиление магнитооптических эффектов в необходимом спектральном диапазоне. Это позволило реализовать управление метаповерхностями при помощи внешнего магнитного поля, хотя пока и с достаточно узким диапазоном изменения управляемого параметра.
Докладчик также привел примеры исследований и разработок, проводимых на факультете совместно с ФТИ имени А. Ф. Иоффе в области излучающих элементов интегральной фотоники.
С целью интенсификации исследований в области нейроморфной нанофотоники на кафедре нанофотоники физического факультета МГУ была создана лаборатория, в рамках которой выполняются работы по четырём направлениям: нейроморфная вычислительная платформа для спайковых нейросетей; программно-аппаратный комплекс для реализации оптических вычислений в свободном пространстве; интеллектуальная камера и дифракционные нейросети для распознавания изображений; аппаратный ускоритель для задач ИИ на основе интегральной фотоники.
В докладе были приведены примеры того, как с помощью нанофотоники могут решаться задачи ИИ. Так, для классификации изображений часть слоёв свёрточной нейросети может быть заменена на оптические слои для уменьшения размерности.
Одна из моделей фотонных вычислительных ядер, рассматриваемых в лаборатории, – кроссбар-архитектура для фотонных сопроцессоров. В качестве входного вектора для данной архитектуры выступает набор входных волноводов, на которые подаётся оптический сигнал. Свёртка вектора с матрицей осуществляется умножением каждого вектора на коэффициент пропускания, причём эта операция реализуется, по сути, мгновенно, а если веса зафиксированы, то при её выполнении энергия не потребляется, кроме энергии входного оптического сигнала.
Также в докладе был приведен вариант оптоэлектронного синапса, в котором спайки представляются лазерными импульсами с меняющейся частотой, а синаптический отклик определяется фотопроводимостью ячейки, выполненной на основе плёнки наноструктурированного оксида металла, например цинка. В лаборатории кафедры нанофотоники была показана возможность реализации такого квазисинаптического устройства и был создан макет нейроморфного синаптического вычислителя с матрицей элементов из ZnO.
В качестве выводов А. А. Федянин ещё раз указал на важность разработки фотонной элементной базы для реализации высокопроизводительных оптических вычислений, в том числе для задач ИИ, и сообщил, что ряд задач и проблем ещё требует решения. Среди них – разработка концепции и реализация оптического матричного вычислительного ядра, оценка эффективности и быстродействия и разработка принципов сопряжения оптического матричного сопроцессора с электронными компонентами.
В завершении заседания А. А. Горбацевич отметил, что представленные доклады – это примеры отечественных исследований и разработок мирового уровня, и пожелал успеха докладчикам и их коллективам. Более подробно вопросы развития оптоэлектроники и фотоники, а также квантовых технологий были рассмотрены в рамках соответствующих секций научной конференции Российского форума «Микроэлектроника 2025».
Организаторами форума «Микроэлектроника 2025» выступили АО «НИИМЭ» и АО «НИИМА «Прогресс» при поддержке Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Генеральные партнёры – ПАО «Сбербанк», НИЦ «Курчатовский институт», Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом», Фонд перспективных исследований (ФПИ). Стратегический партнёр – Группа компаний «Элемент». Официальный партнёр – ОАО «РЖД». Инновационные партнёры – Холдинг «Швабе», ООО «Лазерный Центр», Многопрофильный ИТ-Холдинг «Национальная компьютерная корпорация», ООО «Т8», АО «Крафтвэй корпорэйшн ПЛС». Стратегический информационный партнёр – Генеральное информационное агентство «ТАСС». Образовательный партнёр – Университет «Сириус». Спортивный партнёр – НИУ МИЭТ. Партнёры – ООО «ХайТэк», ООО «НМ-Тех», АО «Корпорация Роботов»,Т1 Интеграция, АО НИИТМ, АО «Концерн ВКО «Алмаз – Антей», АО «Уральское проектно-конструкторское бюро «Деталь», НИЯУ МИФИ, АО «Сигналтек», АО «Нанотроника», Российский научный фонд, АО «НПЦ «РПК», Группа компаний Остек, Консорциум робототехники и систем интеллектуального управления, ООО «ФОРМ». Генеральный информационный партнёр – АО «РИЦ «ТЕХНОСФЕРА». Оператор Форума – Агентство деловых коммуникаций «ПрофКонференции».