Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование системы квантового распределения ключа с интерферометрами Маха − Цендера. Учебное пособие
.pdf
2.1. Выбор передающего оптического модуля
21
Рис. 2.3. Плотность расп
ределения вероятности генерации лазером фотона с типовой длиной волны
1550 нм
2. Проектирование источника одиночных фотонов
22
Вертикальные сплошные прямые линии на рис. 2.3 соответствуют
отклонениям длин волны от значения 1550 нм при типовой, а штриховые –
при максимальной ширине спектра лазера. Видно, что ширина спектра лазерного излучения может очень сильно влиять на параметры системы. Генерация в ВОЛС фотонов с разной длиной волны приведёт к дополнительному разбросу времени поступления фотонов на станцию Боб, поскольку
скорость распространения фотона в волоконно-оптических элементах и линии связи зависит от длины волны излучения. Следовательно, на приёмной
станции потребуется большее время для регистрации фотонов, так как при
большем времени анализа возрастает вероятность приёма импульсов темнового тока. Последнее приведёт к росту вероятности ошибок в регистрации символов ключевой последовательности и, как следствие, к снижению
скорости формирования ключа.
Для оценки влияния спектральных свойств оптоэлектронных элементов на вероятностные характеристики системы КРК на рис. 2.4 представлены графики вероятностей генерации (а):
и не генерации (б) фотона в заданной полосе длин волн
.
Здесь, как и на рис. 2.3, графики, представленные сплошными линиями, соответствуют вероятностям генерации фотона с длиной волны =
= 1550 нм передающего оптического модуля серии ID300 при типовой ширине спектра лазерного излучения 600 пс, а штриховыми линиями − при
максимальной 1500 пс.
Видно, что при ориентации на типовую ширину спектра лазерного
излучения до 23 % фотонов будут иметь отклонение длин волны за пределами утроенной СКО длины волны
.
В прил. 1 представлен листинг программы определения статистических свойств длины волны лазера ID300 DFB фирмы ID Quantique. Программа позволяет строить графики, представленные на рис. 2.3 и 2.4.
Знание энергии в лазерном импульсе
Дж позволяет
определить требуемое затухание излучения в оптическом однофотонном
передатчике
.
2.1. Выбор передающего оптического модуля
23
а)
Рис. 2.4. Графики вероятностей генерации (а) и не генерации (б) фотона в заданном диапазоне длин волн
2. Проектирование источника одиночных фотонов
24
б)
Окончание
рис. 2.4.
2.2. Выбор волоконного поляризатора
25
Действительно, энергия фотона равна
Откуда среднее число фотонов в оптическом импульсе на выходе ла-
зера
Пусть за длительность оптического импульса на выходе однофотон-
ного передатчика среднее число фотонов должно составлять
= 0,1. То-
гда требуемые потери излучения в однофотонном оптическом передатчике
должны составлять в децибелах:
2.2. Выбор волоконного поляризатора
В справочных данных на лазер отсутствует информация о возмож-
ности фиксации направления поляризации выходного излучения. Поэтому
для получения оптического излучения с плоской поляризацией из излучения с выхода лазера с произвольным состоянием поляризации, следует применить волоконный поляризатор.
Производитель Thorlabs выпускает волоконный поляризатор
ILP1550PM-APC стоимостью 43 066 руб. В табл. 2.2 представлены параметры выбранного поляризатора [21], а на рис. 2.5 − его внешний вид.
Оптоволоконные выводы − PM/PM. Разъёмы − FC/APC.
Таблица 2.2
Параметры волоконного поляризатора ILP1550PM-APC
Параметр
Значение
Центральная длина волны излучения, нм
1550
Полоса пропускания, нм
±50
Вносимые потери, дБ
не более 0,8
Коэффициент экстинкции при 23 С, дБ (типовой)
28
Коэффициент экстинкции при 23 С, дБ
не менее 26
Возвратные потери, дБ
не менее 45
2. Проектирование источника одиночных фотонов
26
Окончание табл. 2.2
Параметр
Значение
Мощность оптического излучения, мВт
не более 300
Диапазон рабочих температур
−5…+70
Диапазон температур хранения
−40…+80
Важно, что мощность паразитной горизонтальной составляющей по-
ляризации будет более чем в 631 раз меньше полезной составляющей с вертикальной поляризацией излучения.
Рис. 2.5. Внешний вид волоконного поляризатора ILP1550PM-APC
Вносимые потери волоконного поляризатора не превышают значе-
ния
. При этом коэффициент передачи волоконного
поляризатора составляет:
а энергия в оптическом импульсе на выходе поляризато
2.3. Выбор регулируемого волоконно-оптического аттенюатора
Функция волоконно-оптического аттенюатора состоит в ослаблении
энергии до уровня, когда среднее число фотонов в оптическом импульсе на
выходе из однофотонного передатчика станет равным 0,1. Естественно, что
потери энергии в аттенюаторе не будут превышать значения
При эскизном проектировании принимаем, что потери в интерферо-
метре станции Алиса равны 3 дБ. Тогда максимальный коэффициент ослаб-
ления энергии в аттенюаторе составляет = 70 дБ.
2.3. Выбор регулируемого волоконно-оптического аттенюатора
27
Среди промышленных регулируемых волоконно-оптических аттенюаторов c максимальным коэффициентом ослабления свыше 60 дБ следует выделить модели: FVA-600, FVA-60B и IQS-3150B (65 дБ), а также
FOD-5418, FOD-541 и FOD-5420 (80 дБ).
Однако с практической точки зрения целесообразно последовательное включение ряда нерегулируемых и одного регулируемого волоконнооптических аттенюаторов.
Среди регулируемых волоконно-оптических аттенюаторов следует
выделить аттенюатор оптический переменный типа FC/APC 0-30dB (MaleFemale). Ослабление в диапазоне 0 … 30 дБ обеспечивается воздушным зазором. Аттенюатор обеспечивает точность установки затухания 0,1 дБ при
возвратных потерях минус 13 дБ. Рабочий диапазон температур −20...+50 С.
Внешний вид аттенюатора представлен на рис. 2.6. Форма аттенюатора аналогична стандартному оптическому адаптеру FC/APC [22].
Рис. 2.6. Внешний вид регулируемого волоконно-оптического
аттенюатора ATT-FC/APC-VAR 0-30dB
Выбор волоконно-оптического аттенюатора FC/APC 30 дБ MaleFemale гарантирует фиксированное ослабление на 30 дБ с точностью установки затухания 0,1 дБ на длине волны излучений 1550 нм. Внешний вид
аттенюатора представлен на рис. 2.7. Форма аттенюатора аналогична стандартному оптическому адаптеру FC/APC [23].
Необходимое затухание вносится при помощи воздушного зазора.
Возвратные потери оцениваются в минус 40 дБ. Используется оптический
коннектор FC с полировкой APC. Диапазон рабочих температур – от минус
20 до плюс 50 °С.
Аттенюатор имеет модификации с ослаблениями 1; 2; 3; 5; 7; 10; 15;
20 и 30 дБ с точностью установки затухания 0,1 дБ. Важно, что затухание
в диапазоне длин волн системы КРК постоянно.
2. Проектирование источника одиночных фотонов
28
Рис. 2.7. Внешний вид нерегулируемого волоконно-оптического
аттенюатора ATT-FC/APC-30дБ Male- Female [24]
Последовательное включение двух нерегулируемых аттенюаторов
ATT-FC/APC 20.дБ Male-Female и ATT-FC/APC 30.дБ Male-Female обеспе-
чивает фиксированное затухание в 50 дБ. Подключение к ним одного регулируемого аттенюатора ATT-FC/APC-VAR 0-30dB обеспечивает изменение ослабления излучения в диапазоне 50 … 80 дБ. Это гарантирует уста-
новку требуемого уровня ослабления (потерь)
= 70 дБ и коэф-
фициента передачи
Отметим, что могут потребоваться проходные оптические адаптеры
с квадратным фланцем FC/APC SM для соединения оптических элементов
сборного аттенюатора. Вносимые ими потери (как правило, менее 0,2 дБ)
компенсируются регулируемым аттенюатором.
Проходя через волоконно-оптические аттенюаторы, энергия в оптическом импульсе ослабляется до уровня (позиция 2 на рис. 2.2):
При прохождении через аттенюаторы (см. рис. 2.2) поляризация фотона не изменяется, т.е. у всех фотонов сохраняется вертикальная поляри-
зация
.
Плотность энергии в импульсе составляет
После прохождения через волоконно-оптические аттенюаторы изменение мощности в импульсе может быть описано формулой
Отметим, что импульсный оптический сигнал, генерируемый лазером, после ослабления аттенюаторами представляет квантовый импульс.
На выходе регулируемого волоконно-оптического аттенюатора формируется квантовый импульс, фотон в котором имеет вертикальную поляризацию с начальной фазой 0.
2.3. Выбор регулируемого волоконно-оптического аттенюатора
29
А1
iD300-1550-DFB-TTL 50
PMF
7/125/250
X2
FC/APC
220 В
50 Гц
X1
BNC HYR-0101A
50 Ом
А3
ATT-FC/APC- PMF-20dB Male-Female
PMF
7/125/250
А2
PMF
7/125/250
PMF
7/125/250
А4
ATT-FC/APC-PMF-VAR-0-30dB Mail-Female
PMF
7/125/250
X3
FC/APC
X4
FC/APC
X5
FC/APC
ATT-FC/APC PMF 30 dB Female
PMF
7/125/250
Рис. 2.8.
Схема однофотонного источника
2. Проектирование источника одиночных фотонов
30
Статистические свойства квантового импульса описываются распределением Пуассона. Причём на выходе аттенюатора формируется квантовый импульс с одним фотоном с вероятностью
При этом в квантовом импульсе могут отсутствовать фотоны с веро-
ятностью
Таким образом, квантовое состояние фотона на выходе однофотонного источника (позиция 2 на рис. 2.2) соответствует набору
.
На рис. 2.8 представлена схема однофотонного источника.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]