Διπλωματικές Εργασίες

Home / Διπλωματικές Εργασίες

Προτεινόμενο θέμα Διπλωματικής Εργασίας (Σεπτέμβριος 2016)

Τίτλος: «Θεωρητική μελέτη και υλοποίηση σε προγραμματιστικό περιβάλλον λειτουργίας αισθητήρων βασιζόμενων σε φωτονικές δομές Mach Zehnder»

Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται ολοένα και μεγαλύτερη ανάγκη για την κατασκευή βιο-αισθητήρων για χρήσεις όπως ο έλεγχος της ποιότητας τροφίμων, έλεγχος του περιβάλλοντος στο οποίο ζούμε καθώς και για την πραγματοποίηση ιατρικών εξετάσεων. Οι ανάγκες αυτές καθιστούν απαραίτητη την προϋπόθεση οι αισθητήρες να είναι μεγάλης διακριτικής ικανότητας, χαμηλού κόστους κατασκευής, να έχουν ευρύ φάσμα χρήσης και να έχουν τη δυνατότητα πολλών επαναλήψεων των μετρήσεων.

Τα τελευταία 15 χρόνια, οι βιο-αισθητήρες βασίζονται σε οπτικές κοιλότητες συντονισμού. Με βάση την αρχή της οπτικής συμβολής, οι αισθητήρες έχουν τη δυνατότητα να ανιχνεύσουν μεταβολές στο δείκτη διάθλασης και να τις μεταφράζουν σε αλλαγή του μήκους κύματος συντονισμού τους. Έτσι με την παρατήρηση των μεταβολών μπορούμε εύκολα να καταλήξουμε σε ασφαλή συμπεράσματα ως προς την εκάστοτε μέτρησή μας.

Οι οπτικές κοιλότητες συντονισμού μπορούν να είναι δομές surface plasmon resonance (SPR), optical microspheres, photonic crystals, micro-ring resonators (MRRs) καθώς και Mach Zehnder interferometers (MZIs). Η αξιολόγηση, η ανάλυση, η ευαισθησία και η επίδοση αυτών των δομών κρίνεται από το όριο ανίχνευσής τους (detection limit – DL) στη μεταβολή του δείκτη διάθλασης που επιφέρεται σε επιλεγμένη επιφάνειά τους. Ταυτόχρονα, ένας εξίσου σημαντικός παράγοντας για την επίδοση του αισθητήρα είναι η μέθοδος που χρησιμοποιείται για την επεξεργασία των δεδομένων καθώς επίσης και ο τρόπος υπολογισμού της μεταβολής του μήκος κύματος συντονισμού που έχει ως αποτέλεσμα η αλλαγή του δείκτη διάθλασης στην επιφάνεια των δομών.

Ο/η υποψήφιος/α φοιτητής/ρια θα πρέπει αρχικά να μελετήσει την αρχή λειτουργίας των Mach Zehnder Interferometers (MZIs) και έπειτα να προσομοιώσει τη δομή τους σε προγραμματιστικό περιβάλλον (Matlab). Τέλος, θα πρέπει να υλοποιήσει μία ολοκληρωμένη μελέτη για τουλάχιστον δύο διαφορετικούς τρόπους επεξεργασίας των δεδομένων που προκύπτουν κατά τη χρήση αυτών των οπτικών φίλτρων και τη μετάφραση αυτών σε μετατοπίσεις των τιμών του μήκους κύματος συντονισμού τους.

Ελάχιστος χρόνος εκπόνησης: 4 μήνες

Χρήσιμες γνώσεις:

  • Προγραμματιστικό περιβάλλον Matlab
  • Γενικές αρχές φωτονικής τεχνολογίας

Contact:   lgou AT mail.ntua.gr


 

Προτεινόμενο θέμα Διπλωματικής Εργασίας (Οκτώβριος 2016)

Τίτλος: “Ανάπτυξη τεχνικών παραγωγής entangled photons (συσχετισμένων φωτονίων) για εφαρμογές σε συστήματα κβαντικών υπολογιστών.”

Η κβαντική συσχέτιση (quantum entanglement) αποτελεί τον επιστημονικό πυρήνα στην περιοχή της κβαντικής πληροφορίας: η συσχέτιση μεταξύ φωτονίων προσδίδει την ασφάλεια (security) σε κανάλια κβαντικών επικοινωνιών (quantum communication channels), η συσχέτιση μεταξύ των qubits ανοίγει επίσης την πόρτα σε τεράστιες υπολογιστικές δυνατότητες του κβαντικού υπολογιστή.

Η συσχέτιση φωτονίων (photon entanglement) πηγάζει από την ιδιότητα των κβάντων φωτός να συσχετίζονται με τέτοιο τρόπο σε ζεύγη ώστε η μέτρηση της κατάστασης μιας ιδιότητας του ενός (π.χ. πόλωση) αυτόματα προβάλει τον άλλο συσχετισμένο φωτόνιο σε μια συγκεκριμένη κατάσταση.

Η δημιουργία ζευγών συσχετισμένων φωτονίων οδηγεί στην αναζήτηση λύσεων μέσα από τη χρήση στοιχείων που βασίζονται στην χ(2) μη γραμμικότητα των μέσω της αυθόρμητης παραμετρικής μετατροπής (Spontaneous Parametric Down Conversion – SPDC) αλλά και στην χ(3) μη γραμμικότητα που καθιστά εφικτή τη διέγερση της αυθόρμητης μίξης τεσσάρων Φωτονίων (Spontaneous Four Wave Mixing – SpFWM). Συναντώντας την επιδίωξη της επιστημονικής κοινότητας να προσφέρει λύσεις που βασίζονται στην ήδη κυρίαρχη χρήση Στων μονότροπων οπτικών ινών, στο Εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών (ΕΦΕ) διερευνάται η υλοποίηση πηγών δημιουργίας ζευγών συσχετισμένων φωτονίων κάνοντας χρήση ινών μετατοπισμένης διασποράς (Dispersion Shifted Fibers – DSF) με σκοπό τη διέγερση του SpFWM στην περιοχή μήκους κύματος μηδενικής διασποράς (Zero Dispersion Wavelength – ZDW).

Επιπλέον, οι τεχνικές της φωτονικής ολοκλήρωσης έχουν μεταναστεύσει και στην περιοχή της κβαντικής οπτικής προσφέροντας Φωτονικά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα (Photonic Integrated Circuits – PICs) ως κβαντικές πηγές συσχετισμένων φωτονίων. Στην κατεύθυνση αυτή, το ΕΦΕ αναπτύσσει την υπάρχουσα εξειδίκευση στο σχεδιασμό ολοκληρωμένων δομών για να παραμετροποιήσει και να προτείνει προτεινόμενες δομές οπτικών κοιλοτήτων συντονισμού (Ring Resonators) που θα λειτουργούν ως πηγές για τη δημιουργία συσχετισμένων φωτονίων μέσω του SpFWM.

Στην προτεινόμενη διπλωματική ο/η φοιτητής/τρια καλείται να συμμετάσχει στη μοντελοποίηση των χαρακτηριστικών της ίνας μετατοπισμένης διασποράς με σκοπό να εξάγει τα χαρακτηριστικά της πηγής συσχετισμένων φωτονίων και να διεξάγει κάποιες απλές πειραματικές μετρήσεις χαρακτηρισμού των ινών στο ΕΦΕ ώστε να επικυρώσει την ισχύ των θεωρητικών προβλέψεων. Σημείο εκκίνησης αποτελεί η μελέτη της θεωρίας της κβαντικής συσχέτισης των φωτονίων (photon entanglement) αξιοποιώντας τις αρχές και τα εργαλεία της κβαντικής φυσικής αλλά και βασικές έννοιες γύρω τη διέγερση του SpFWM (μη γραμμικότητα ίνας, προσαρμογή φάσης, επιλογή μήκος κύματος, κ.α). Η εκτενής περιγραφή της δημιουργίας ζευγών συσχετισμένων φωτονίων σε ίνες μετατοπισμένης διασποράς (DSF) και σε ολοκληρωμένες κοιλότητες συντονισμού δίνουν την ευκαιρία για την αξιόπιστη παραμετροποίηση των πηγών συσχετισμένων φωτονίων και τη μετέπειτα μοντελοποίηση των διεργασιών. Στα πλαίσια αυτά, θα αναζητηθεί και η ανάδειξη απλών παραμετρικών μελετών κάνοντας χρήση εργαλείων σε περιβάλλον Matlab που σκοπό θα έχουν να εστιάσουν στην εξάρτηση της επίδοσης των τεχνικών παραγωγής συσχετισμένων φωτονίων από τις παραμέτρους της υπό σχεδίαση πηγής είτε σε ίνα είτε και σε ολοκληρωμένες κοιλότητες συντονισμού.

Ελάχιστος χρόνος εκπόνησης: 5-6 (πέντε-έξι) μήνες

Προαπαιτούμενα:

  • Ο/η υποψήφιος/α να μην χρωστά πάνω από 9 (εννιά) μαθήματα

Μαθήματα/περιοχές με ένα βαθμό συσχέτισης:

  • Φωτονική Τεχνολογία στις Τηλεπικοινωνίες
  • Εισαγωγικά μαθήματα Κβαντικής Φυσικής (πχ Κυματική και Κβαντική Φυσική 4ου εξαμήνου)
  • Εισαγωγικές γνώσεις σε προγραμματιστικό περιβάλλον του Matlab

Contact person: Dr. Catherine Baskiotis

e-mail: cbaskiotis ΑΤ mail.ntua.gr