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
3. Проектирование интерферометра Маха−Цендера передающей станции Алиса
31
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА
МАХА–ЦЕНДЕРА ПЕРЕДАЮЩЕЙ СТАНЦИИ АЛИСА
Интерферометр Маха − Цендера станции Алиса включает симметрич-
ный волоконно-оптический разветвитель 12, первый волоконно-оптический фазовый модулятор, первый контроллер поляризации, первый вращатель плоскости поляризации на π/2, первую волоконно-оптическую линию
задержки и поляризационный объединитель (см. рис. В.1).
Представленные на рис. 3.1 эпюры поясняют происходящие изменения в функциональных узлах интерферометра Маха − Цендера станции
Алиса системы квантового распределения ключа.
Рис. 3.1. Эпюры, поясняющие работу однофотонного передатчика
3. Проектирование интерферометра Маха − Цендера передающей станции Алиса
32
При проектировании интерферометра учитываем для каждого функционального узла его вклад в изменение не только фазового состояния фотона, в котором кодируется значение бита ключа, но и энергетические, временные и поляризационные изменения.
На вход интерферометра воздействуют квантовые импульсы с дли-
тельностью = 300 пс, периодом = 10 нс и частотой
= 100 МГц сле-
дования (позиция 1 на рис. 3.1) с длиной волны
= 1550 нм с вертикаль-
ной поляризацией
и начальной фазой 0. Ширина спектра основной
моды излучения на уровне минус 20 дБ равна 600 пм. Среднее число фото-
нов в квантовом импульсе равно
.
Квантовый импульс поступает в интерферометр в момент
= 0.
3.1. Обоснование выбора волоконно-оптического разветвителя
В анализируемой структуре КРК на симметричный волоконно-оптический разветвитель 12 возлагается функция формирования двух идентичных квантовых сигналов: опорного на 1-м (верхнем) выходе и дублирующего на 2-м (нижнем) выходе. Следовательно, выбираемый разветвитель
12 должен работать на рабочей длине волны излучения системы КРК и
иметь коэффициент деления оптического излучения 50/50 % (
= 0,5). Поскольку на входной порт разветвителя поступают фотоны
с фиксированной вертикальной поляризацией, то естественно применение
волоконно-оптических разветвителей конфигурации 12 с сохранением поляризации.
Этим требованиям удовлетворяет симметричный волоконно-оптический разветвитель PFC-15 с сохранением поляризации излучения с длиной волны 1550 нм с оптическими волокнами типа Panda на входном и выходных портах [25]. Параметры разветвителя представлены в табл. 3.1. Характеристики действительны относительно медленной рабочей оси поляризации (быстрая ось блокирована). Параметры приведены без учёта потерь на коннекторах. С учётом коннекторов вносимые потери больше на
0,25 дБ, обратные потери меньше на 5 дБ, относительное затухание меньше
на 2 дБ. Разветвитель может эксплуатироваться при температурах от минус 5 до плюс 70 С.
3.1. Обоснование выбора волоконно-оптического разветвителя
33
Таблица 3.1
Параметры разветвителя PFC-15 с сохранением
поляризации излучения с длиной волны 1550 нм
Параметр
Значение
Длина волны излучения, нм
1550
Ширина спектральной полосы пропускания, нм
80
Вносимые потери, дБ
менее 0,8
Неравномерность вносимых потерь, дБ
менее 0,6
Коэффициент экстинкции, дБ
более 20
Возвратные потери, дБ
не менее 50
Оптическая мощность, мВт
менее 300
Диапазон рабочих температур, °С
− 5 … +70
Диапазон температур хранения, °С
− 40 … +85
Внешний вид разветвителя PFC-15 представлен на рис. 3.2 [25].
Вносимые потери с учётом потерь на коннекторах
= 1,05 дБ
определяют коэффициент передачи излучения в разветвителе
.
Рис. 3.2. Внешний вид симметричного волоконно-оптического разветвителя
Для симметричных разветвителей неравномерность потерь (Uniformity)
показывает разброс значений вносимых потерь для выходных портов 1 и 2:
.
Из табл. 3.1 видно, что неравномерность потерь разветвителя в
0,6 дБ указывает на различие коэффициентов деления оптического излуче-
ния в 15 %.
На каждом из двух выходов симметричного волоконно-оптического
разветвителя 12 (Y-образного оптического сплиттера) в результате деления формируются квантовые импульсы с равными поляризациями (позиции 2 и 5 на рис. 3.1) с типовыми энергиями:
3. Проектирование интерферометра Маха − Цендера передающей станции Алиса
34
и плотностями энергии в импульсе:
Здесь и далее числовой расчёт плотностей энергии в импульсе на вы-
ходе любого устройства
не производится. Это может быть выполнено,
используя связь с энергией в импульсе и длительностью оптического импульса:
Поскольку волоконно-оптический разветвитель является пассивным
безынерционным элементом, то изменения мощности на его выходах могут
быть описаны формулами:
Средние числа фотонов в квантовых импульсах на первом и втором
выходах волоконно-оптического делителя могут быть рассчитаны по формулам:
В справочных данных на волоконно-оптический разветвитель приводится максимальное. значение. поляризационно-зависимых.потерь.0,1 дБ,
определяемое как разность между максимальным и минимальным значением
вносимых потерь при различных поворотах плоскости поляризации излучения. Поскольку на входном порте разветвителя присутствует излучение с
фиксированной вертикальной поляризацией, то поляризационно-зависимыми потерями пренебрегаем.
Высокие возвратные потери (коэффициент направленности,
directivity) разветвителей (более 50 дБ) показывают, что после отражения
от выходных портов в разветвителе на входной порт может поступить излучение, ослабленное более чем в 100 000 раз.
3.2. Верхнее плечо первого интерферометра Маха − Цендера
35
Следовательно, квантовые состояния фотонов на 1-м и 2-м выходах
разветвителя (позиция 2 и 5 на рис. 3.1) будут описываться одинаковым
набором квантовых состояний фотона
.
3.2. Верхнее плечо первого интерферометра Маха − Цендера
Первый волоконно-оптический фазовый модулятор. Опорный
квантовый импульс с первого выхода волоконно-оптического разветвителя 6
(позиция 2 на рис. 3.1) проходит через первый волоконно-оптический фазо-
вый модулятор 7, который вносит сдвиг
в фазовое состояние фотона
(позиция 3 на рис. 3.1). Значение фазы (согласно данным табл. 1.2) выбирается случайным образом из двух фазовых сдвигов 0 или π/2. Значению бита
«0» соответствует фазовый сдвиг 0, а значению бита «1» – сдвиг π.
В качестве волоконно-оптического фазового модулятора выбираем
модель MPZ-LN-40 на кристалле ниобата лития X-среза фирмы Ixblue
Photonics. Оптические, электрические и предельно допустимые параметры
модели представлены в табл. 3.2 [26].
Таблица 3.2
Значения параметров фазового модулятора MPZ-LN-40
Параметр
Значение
Оптические характеристики
Рабочий диапазон длин волн, нм
1530…1625
Вносимые, дБ
менее 2,5
Возвратные потери, дБ
более 45
Электрические характеристики
Электрооптическая полоса частот модуляции (ВЧ-вход), ГГц
40 (2 ГГц)
Пульсация S21 (ВЧ-вход), дБ
0,5
Сопротивление ВЧ-входа, Ом
50
Полуволновое напряжение, В
6
Электрические обратные потери (ВЧ-вход), дБ
12
Внешний вид волоконно-оптического фазового модулятора представлен на рис. 3.3.
Вносимые потери, с учётом потерь на коннекторах
= 2,5 дБ,
определяют коэффициент передачи излучения в фазовом модуляторе
3. Проектирование интерферометра Маха − Цендера передающей станции Алиса
36
Рис. 3.3. Внешний вид фазового модулятора MPZ-LN-40
Модель допускает эксплуатацию в широком диапазоне температур
0…70 °C. Максимальная входная оптическая мощность ограничена 20 дБм
(100 мВт). Вносимые потери (без учёта коннекторов)
составляют
2,5 дБ на диапазоне длин волн 1530 … 1625 нм. Фазовый модулятор имеет
полосу частот модуляции до 40 ГГц.
Для получения сдвига фазы на угол π к кристаллу в первом воло-
конно-оптическом фазовом модуляторе необходимо приложить внешнее
полуволновое напряжение
. Для фазового электрооптического моду-
лятора MPX-LN-40 это напряжение равно 6 кВ.
В случае приложения внешнего напряжения
к кристаллу моду-
лятора фаза фотона станет равной
В фор-
муле через
обозначен начальный сдвиг фаз, приобретённый фотоном
при прохождении кристалла в отсутствии электрического поля.
Полуволновое напряжение
представляет напряжение, при при-
ложении которого к кристаллу фотон приобретает сдвиг фазы на угол π
(сдвигает колебание на половину периода). Полуволновое напряжение характеризует свойства модулятора на низких частотах модуляции, где измеряемой величиной является напряжение. На высоких частотах сдвиг фазы
представляют функцией мощности управляющего сигнала
где величина
характеризует качество модулятора.
Учитывая коэффициент передачи
первого фазового модулятора 7, находим энергию, плотность энергии и среднее число фотонов в
квантовом импульсе на выходе нижнего плеча первого интерферометра:
3.2. Верхнее плечо первого интерферометра Маха − Цендера
37
Фазовый модулятор имеет очень слабую инерционность и позволяет
изменять фазу фотона за время ~1 пс. Длительность оптических импульсов
в системах КРК равна 1 нс, т.е. в 1 000 раз больше. Тогда для мгновенной
мощности на верхнем плече интерферометра справедливо выражение
Фотон при распространении через первый волоконно-оптический
фазовый модулятор 7 приобретает дополнительный сдвиг поляризации на
угол
. Следовательно, квантовое состояние фотона на выходе первого
фазового модулятора определяется набором (позиция 3 на рис. 3.1):
Первый контроллер поляризации. Для обеспечения нормальной
работы системы основной и дублирующий квантовые импульсы, формируемые в передатчике, должны быть строго ортогональны. Следовательно,
дополнительный сдвиг поляризации на угол
в первом волоконно-оп-
тическом модуляторе фазы 7 должен быть скомпенсирован. Эта функция
возлагается на первый контроллер поляризации 8 (см. рис. В.1).
Контроллер должен обладать малыми вносимыми потерями, высокими возвратными потерями, а также иметь значительную скорость отслеживания быстрых изменений поляризации и гарантировать непрерывность работы.
Этим требованиям удовлетворяет многофункциональный волоконный контроллер поляризации MPC-202-1-FC/APC [27] компании General
Photonics, параметры которого сведены в табл. 3.3.
Алгоритм управления поляризацией в усовершенствованном контроллере поляризации MPC-202 обеспечивает высокоскоростное квазиоднородное поляризационное скоростное скремблирование, поляризационное
скремблирование с распределением Релея скоростей, дискретное поляризационное скремблирование с высокой скоростью нарастания, синусоидальной, квадратной и треугольной формой поляризационной модуляцией и
функциями ручного управления поляризацией. В частности, функция скремблирования поляризации с квазиоднородной скоростью «Торнадо» может
достигать скорости поляризационного скремблирования более 360 крад/с с
компактным распределением вокруг наивысшего значения скорости.
3. Проектирование интерферометра Маха − Цендера передающей станции Алиса
38
Таблица 3.3
Значения параметров многофункционального контроллера
поляризации MPC-202 компании General Photonics
Параметр
Значение
Диапазон рабочих длин волн, нм
1260 … 1620 (стандарт); 980 … 1310
Скорость скремблирования поляризации, крад/с
менее 120 при дискретных случайных
состояниях. 720 для треугольной
формы. 2 (среднее значение) при распределении скорости по закону релея
12 для торнадо
360 для торнадо
Ручной контроль поляризации
диапазон контроля поляризации в
каждом из 4-х каналов 0 … 4π
Форма поляризационной модуляции в
каналах
синус, треугольник, квадрат. частота
до 1 кгц. амплитуда 0…3π от максимума
Внешний режим запуска, крад/с
0 … 120
Вносимые потери, дБ
менее 0,15 (0,6 с разъёмами)
Поляризационно-зависимые потери, дБ
менее 0,05 с разъёмами
Потери при активации, дБ
менее 0,05 с разъёмами
Возвратные потери, дБ
более 65 (50 с разъёмами)
Поляризационно-зависимая модуляция,
пс
менее 0,1 с разъёмами
Диапазон рабочих температур, С
0 … 50
Диапазон температур хранения, С
минус 20 … плюс 70
Интерфейсы связи
USB, Ethernet, RS-232 и GPIB
Внешний вид многофункционального контроллера поляризации
MPC-202 представлен на рис. 3.4.
Опорный квантовый импульс с первого волоконно-оптического
фазового модулятора 7 (см. рис. В.1) проходит через первый контроллер
поляризации 8, где поляризация отклоняется на угол
(позиция 4 на
рис. 3.1).
Вносимые потери с учётом потерь на коннекторах
=0,6 дБ
определяют коэффициент передачи излучения в контроллере
.
3.2. Верхнее плечо первого интерферометра Маха − Цендера
39
Рис. 3.4. Внешний вид многофункционального контроллера поляризации
MPC-202 компании General Photonics
Учитывая коэффициент передачи первого контроллера поляризации
, находим энергию, плотность энергии и среднее число фотонов в кван-
товом импульсе на его выходе:
Фотон при прохождении через первый контроллер поляризации не
испытывает задержки. Следовательно, мощность сигнала на выходе контроллера описывается выражением
Квантовое состояние фотона на выходе первого контроллера поляризации (позиция 4 на рис. 3.1) будет описываться набором
Для обеспечения строго вертикальной поляризации потребуется выполнение условия
Видно, что основное предназначение первого контроллера поляризации 8 связано с необходимостью компенсации поляризационных искажений, возникающих в первом волоконно-оптическом модуляторе фазы 7.
Следовательно, только при выполнении условия
на
выходе верхнего плеча интерферометра формируется требуемый набор
квантовых состояний фотона
Поляризационно-зависимые потери в многофункциональных контроллерах поляризации с учётом потерь в разъёмах составляют 0,05 дБ.
3. Проектирование интерферометра Маха − Цендера передающей станции Алиса
40
Важным для систем КРК является коэффициент поляризационной
экстинкции контроллера, который представляет отношение выходной
мощности излучения с требуемой поляризацией к мощности излучения, перешедшего в другие поляризации. Коэффициент поляризационной экс-
тинкции
характеризует способность контроллера сохранять состоя-
ние заданной поляризации излучения
.
Следовательно, вероятность появления фотона на выходе контрол-
лера поляризации с требуемой поляризацией излучения
может быть
рассчитана по формуле
Естественно, что вероятность появления фотона на выходе контроллера с другой поляризацией составит
Коэффициент поляризационной экстинкции в контроллерах состав-
ляет
= 40 дБ. Тогда вероятность появления фотона на выходе кон-
троллера поляризации с требуемой поляризацией излучения
равна
0,9999. При этом вероятность появления фотона на выходе контроллера с
отличной поляризацией составляет 0,0001. Следовательно, при использовании контроллера поляризации можно исключить появление на его выходе оптического излучения с поляризацией, отличной от требуемого вертикального направления. Тогда на выходе контроллера поляризации формируется требуемый набор квантовых состояний фотона:
3.3. Нижнее плечо первого
интерферометра Маха – Цендера
Первый вращатель плоскости поляризации на π/2. Вращатель
плоскости поляризации сдвигает фазу колебания обыкновенного луча относительно фазы колебания необыкновенного луча на 180° (на половину
длины волны). Последнее эквивалентно повороту вектора поляризации на
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]