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
5.7. Выбор направленного волоконного ответвителя Х-типа
71
Алиса определяет углы фазового сдвига, соответствующие логическому
нулю (
= 0) и единице (
= π/2), а получатель Боб задаёт свои фа-
зовые сдвиги для логического нуля (
= 3π/2) и единице (
= π). От-
метим, что изменение фазы на 2 соответствует изменению длины пути на
одну длину волны используемого излучения.
Сигналы от двух плеч объединяются в НВО Х-типа 18 и взаимодей-
ствуют конструктивно или деструктивно в зависимости от применённой
фазовой модуляции.
Для конструктивного взаимодействия в проектируемой аппаратуре
обеспечено выполнение трёх условий. Это следует из сравнения состояний
фотонов на первом
и втором
входных
портах, а также мгновенных мощностей на верхнем и нижнем входах НВО:
Во-первых, отсутствуют искажения фаз. Во-вторых, квантовые им-
пульсы сохраняют состояние поляризации по линии передачи, имея одинаковую вертикальную поляризацию. Наконец, временные моменты появле-
ния фотонов совпадают при условии
. Поэтому их вза-
имодействие будет по существу полным (видимость интерференционной
полосы близка к единице).
Сигнал выводится с выходных портов НВО Х-типа 18. Причём фо-
тон появляется на верхнем порте 3 НВО Х-типа 18 при регистрации логи-
ческого нуля и выполнении условия
(позиция 1
на рис. 5.2).
Фотон появляется на нижнем порте НВО Х-типа 18 при регистрации
логической единицы и выполнении условии
(по-
зиция 2 на рис. 5.2).
Преимущество анализируемой системы в том, что квантовые им-
пульсы (фотоны) распространяются между станциями в одном и том же оптическом волокне. Таким образом, они имеют одинаковую оптическую
длину в чувствительной части системы КРК, при условии, что флуктуации
в волокне происходят медленнее, чем их временные разделения, определяемые неустойчивостью интерферометра (примерно 5 нс). Это условие выполнимо на практике [47].
5. Проектирование интерферометра Маха – Цендера приемной станции Боб
72
Рис. 5.2. Эпюры, поясняющие работу НВО X-типа
Чтобы получить хорошую предельную видимость интерференционной полосы и, следовательно, низкий коэффициент ошибок, нестабильность интерферометров должна быть в пределах доли от времени когерентности фотонов [47]. Это подразумевает, что разности длин пробега должны
быть согласованы в пределах нескольких миллиметров.
Нестабильность интерферометров должна выбираться так, чтобы
чётко различать три временных пика и, таким образом, отличать воздействия, не связанные с интерференцией. Для этого нестабильность должна
превышать длительность импульса и временные флуктуации однофотонных фотодетекторов. Принимая временные флуктуации порядка 500 пс,
слабое перекрытие между пиками обеспечивает нестабильность не менее
1,5 нс [47].
Остановим выбор на модели PN1550R5A2 разъёмами FC/APC [48] в
качестве НВО Х-типа (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Внешний вид НВО X-типа модели PN1550R5A2 [49]
Основные технические параметры модели PN1550R5A2 с коэффициентом деления 50/50 представлены в табл. 5.1.
5.7. Выбор направленного волоконного ответвителя Х-типа
73
Таблица 5.1
Основные технические параметры модели PN1550R5A2
Параметр
Значение
Длина волны, нм
1550
Ширина полосы пропускания, нм
±15
Возвратные потери, дБ
более 60
Вносимые потери, дБ
не более 3,4
Неоднородность вносимых потерь, дБ
менее 0,3
Коэффициент экстинкции, дБ
более 20
Выравнивание осей
медленные и быстрые оси рабочие; медленные оси рабочие, быстрые заблокированы
Тип волокна
PMF Panda на всех портах
Диапазон рабочих температур, °C
– 40 … +85
Диапазон температур хранения, °C
– 40 … +85
В расчётах принимаем типовое значение вносимых потерь
=
= 3,4 дБ и определяем коэффициент передачи излучения в мультиплексоре
Среднее число регистрируемых фотонов в квантовом импульсе на
соответствующем выходе НВО определяется формулой
Фотон при прохождении через НВО Х-типа не испытывает за-
держки. Следовательно, мощность сигнала на выходе контроллера описывается выражением
6. Временное мультиплексирование квантовых импульсов
74
6. ВРЕМЕННОЕ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ
КВАНТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ
Если бы к нижнему и верхнему портам НВО Х-типа 18 подключить
отдельные однофотонные фотодетекторы, то обеспечивается регистрация
логической единицы логических нулей и единиц ключа.
В структуре КРК предполагается использование только одного однофотонного фотодетектора. Для этого фотон с верхнего порта НВО
Х-типа 18 задерживается дополнительно на время с помощью третьей волоконно-оптической линии задержки 19.
Третья волоконно-оптическая линия задержки. Время задержки
3-й ВОЛЗ
должно превышать временной интервал, в течение кото-
рого возможен приём фотонов с учётом хроматической и поляризационной
модовой дисперсии в оптическом волокне:
.
Среднеквадратичное отклонение времени задержки фотона после
распространения через ВОЛС протяжённостью = 20 км равно
Стандартное среднеквадратическое отклонение поляризационной модовой дисперсии ВОЛС равно
0,18 пс. При заданной дли-
тельности оптического импульса находим
.
Так как НВО Х-типа 18 модели PN1550R5A2 на выходных портах
имеет оптическое волокно Panda, сохраняющее поляризацию, то целесообразно использовать ранее применяемые ВОЛЗ в интерферометрах. Линия
задержки представляет пассивный элемент в виде катушки, на которую
намотан отрезок одномодового оптического волокна длиной
для обеспечения задержки в
= 5 нс. Потери в ВОЛЗ с учётом коннек-
торов оцениваются в
дБ. Откуда коэффициент передачи из-
лучения в 3-й ВОЛЗ равен
Квантовый импульс с вертикальной поляризацией (позиция 1 на
рис. 6.1), соответствующий логическому нулю «0», непосредственно без
дополнительной задержки поступает на верхний вход волоконно-оптического сумматора, причём без энергетических потерь. Следовательно, сред-
нее число фотонов в квантовом импульсе равно
= 0,0294.
6. Временное мультиплексирование квантовых импульсов
75
При прохождении через 3-ю ВОЛЗ квантовый импульс с верти-
кальной поляризацией (позиция 2 на рис. 6.1), соответствующий логиче-
ской единице «1», будет ослаблен и задержан на время
(позиция 3
на рис. 6.1).
Ts
t
FDL+TF-TF
0
Ts
t
FDL+TF-TF+FDL3
0
Ts
t
FDL+TF-TF
0
Ts
t
FDL+TF-TF
0
FDL+TF-TF+FDL3
1. Квантовый импульс на верхнем входе волоконно-оптического
сумматора
. Квантовый импульс на входе 3-й ВОЛЗ
3. Квантовый импульс на выходе 3-й ВОЛЗ
4. Квантовые импульсы на выходе волоконно-оптического сумматора
½0〉
½1〉
½1〉
½1〉
½0〉
Рис. 6.1. Временное мультиплексирование квантовых импульсов
Среднее число фотонов в квантовом импульсе на выходе 3-й ВОЛЗ
равно
Теоретически полагаем, что на всех портах модулей 18−20 присут-
ствует излучение с фиксированной вертикальной поляризацией. В пользу
этого говорит применение одномодового оптического волокна Panda, сохраняющего поляризацию. При реализации ВОЛЗ на оптических волокнах,
сохраняющих поляризацию, допускаются изменения поляризации фотона.
Количественно это определяет коэффициент поляризационной экстинкции
= 18 дБ. Однако в процессе временного мультиплексирования кван-
товых импульсов не предусматривается интерференция событий.
6. Временное мультиплексирование квантовых импульсов
76
Квантовые импульсы с верхнего выходного порта НВО Х-типа 18
(позиция 1 на рис. 6.1) и третьей ВОЛЗ 19 (позиция 3 на рис. 6.1) объединяются в волоконно-оптическом сумматоре 20 (позиция 4 на рис. 6.1).
Для рассматриваемого случая фотон, соответствующий логическому нулю «0», может быть зафиксирован в регистраторе ключа 21 во временном интервале
.
Напротив, фотон, соответствующий логической единицы «1», фиксируется во временном интервале
.
Здесь учтено, что процесс суммирования осуществляется в пассивном безынерционном элементе.
В качестве волоконно-оптического сумматора может быть использован симметричный волоконно-оптический разветвитель 12 модели
PFC-15 с сохранением вертикальной поляризации излучения с длиной
волны 1550 нм при обратном включении. Параметры разветвителя представлены в табл. 3.1.
Коэффициент передачи излучения в разветвителе опре-
деляет среднее число фотонов в квантовых импульсах, соответствующих
логическому нулю «0» и логической единицы «1» :
Высокие возвратные потери 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.
7.1. Требования к однофотонному приёмному оптическому модулю
77
7. РЕГИСТРАТОР КВАНТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ
И ЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК СТРОБИРОВАНИЯ
7.1. Требования к однофотонному приёмному оптическому модулю
Для обеспечения секретности передачи ключа требуется присутствие не более одного фотона в каждом принимаемом квантовом импульсе.
Это предъявляет высокие требования к однофотонному приёмному оптическому модулю (ОПОМ) в составе регистратора ключа 21 (см. рис. В.1).
Однофотонный фотодетектор, применяемый в модуле для систем
квантового распределения ключа, должен обладать высокой квантовой эффективностью регистрации, малыми темновыми шумами и достаточно высокой частотой (скоростью) счёта [50, 51].
В существующих волоконно-оптических системах КРК [52] в качестве однофотонных фотодетекторов используются однофотонные лавинные фотодиоды (ОЛФД, SAPD), наиболее чувствительные для инфракрасного диапазона длин волн. Для счёта отдельных фотонов их включают так,
чтобы они работали в режиме счёта фотонов, когда один фотон способен
вызвать лавину носителей заряда.
Однофотонный лавинный фотодиод. При проектировании регистратора ключа необходимо учитывать специфические свойства однофотонных фотодетекторов. Действительно, идеальный однофотонный прибор
способен регистрировать все поступающие фотоны (точнее, фотоэлектроны). Кроме того, такому фотоприёмнику не требуется время для восстановления работоспособности после регистрации фотона или импульса темнового тока.
Характеристики же применяемого в системах КРК однофотонного
лавинного фотодиода (ОЛФД) отличны от характеристик идеального однофотонного фотодетектора [53]. Во-первых, однофотонный ЛФД регистрирует только первый фотон за время анализа. Во-вторых, в случае приёма
фотона ОЛФД потребует время для восстановления рабочего состояния
[54]. Основные параметры ОЛФД, применяемые в системах КРК, приведены в [55].
В табл. 7.1 приведены сравнительные характеристики ОЛФД и фотоприёмных модулей на их основе, применяемых в системах КРК.
7. Регистратор квантовых импульсов и электронный блок стробирования
78
Выбор останавливаем на модели id201 фотоприёмного модуля на ос-
нове ОЛФД. Модуль имеет в своём составе активную цепь гашения лавины, которая конструктивно объединена с ОЛФД на кремниевом чипе.
Чип установлен на термоэлектрическом охлаждающем элементе. Для контроля температуры используется термистор. Высокое напряжение питания,
используемое для смещения ОЛФД выше напряжения пробоя (для работы
в режиме Гейгера), снабжено преобразователем. Выходной импульс модуля при приёме фотона формируется цепью временного удержания (захвата) на 50-омной нагрузке. Внутренние регулировки обеспечивают работу ОЛФД в оптимальном режиме при комнатной температуре.
На рис. 7.1 представлена типовая схема однофотонного приёмного
оптического модуля, в котором полезный сигнал (падение напряжения на
резисторе
) усиливается по переменному току предварительным усилителем DА1. Снижение влияния температуры и изменение чувствительности фотодиода VD достигаются автоматической регулировкой усиления и
компенсацией температурного дрейфа. Последнее осуществляется путём
управления источником питания ЛФД и усилением усилителя DА2 цепью
автоматического регулирования [56].
Rн
C1 C2
DA1
VD
Управляемый
источник
питания
DA2
Цепь
отрицательной
обратной связи
Рис. 7.1. Типовая схема включения ОЛФД с регулировкой усиления
и компенсацией температурного дрейфа
Фотодиоды подключены по схеме с пассивным гашением лавины.
Балластное сопротивление 200 кОм ограничивает ток в ЛФД. Сигнал снимается с нагрузочного сопротивления 50 Ом, усиливается усилителем и поступает на формирователь стандартных TTL-импульсов для сопряжения с
блоком первичной обработки информации.
7.1. Требования к однофотонному приёмному оптическому модулю
79
Если приложить к фотодиоду напряжение свыше некоторого порогового U(BR), то при попадании на него фотона происходит лавинное размножение носителей заряда. Коэффициент умножения заряда у этих ЛФД
может достигать 50…60 дБ. Вероятность регистрации одного фотона достигает 50 % для длины волны 1550 нм [52].
Для уменьшения собственных шумов фотодиодов должно быть
предусмотрено охлаждение ЛФД полупроводниковыми микрохолодильниками Пельтье до минус 20 оС. Частота появления шумовых импульсов ЛФД
в режиме счёта фотонов зависит от температуры и приложенного к нему
напряжения выше порогового значения.
На рис. 7.2 приведена измеренная зависимость частоты появления
шумовых импульсов от превышения напряжения питания U над пороговым
u−U(BR) при температуре диода минус 20.оС. Видно, что частота (интенсивность, скорость) счёта фотонов F при пассивном гашении лавины может
составлять 10…1000 кГц [52].
Рис. 7.2. Зависимость частоты поступления шумовых импульсов
ОЛФД от превышения напряжения питания над пороговым
при температуре минус 20 оС
0 5 10 15 20 25
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
F, kHz
U-U (BR), V
7. Регистратор квантовых импульсов и электронный блок стробирования
80
7.2. Уточнение требований к временным параметрам
функциональных модулей системы КРК
Если известно время восстановления рабочего состояния фотопри-
ёмного модуля
= 100 пс, то время задержки
волоконно-оптиче-
ской линии задержки 19 должно удовлетворять условию
Здесь
.
Видно, что выбор времени задержки фотона в 3-й ВОЛЗ
удовлетворяет этому условию.
Таблица 7.1
Параметры однофотонных ЛФД
и фотоприёмных модулей на их основе
Наименование
изделия
Рабочая
длина волны
оптического
излучения,
нм
Частота
появления
ИТТ, не
более, Гц
Типовое (мак-
симальное)
время восста-
новления рабо-
чего состоя-
ния, нс
Временное
разрешение
(FWHM). Типовое (макс.)
значение, пс
Однофотонный ЛФД
ID100-SMF20
350−900
200 (66) (5)
45 (56)
40 (66)
id101-20
350−900
15 (56)
35 (4.13)
40 (66)
id101-50
350−900
100 (300)
45 (56)
40 (66)
id110
350−900
250
70–100000
200
id150 (18)
350−900
15 000
50
40 (66)
id150 (110)
350−900
200 (300)
70 (100)
40 (66)
Фотоприёмные модули на основе ОЛФД
id201
900−1700
100
0,1
0,3
id210
900−1700
40
100 000
10
id220
900−1700
6 000
25 000
400
id230
900−1700
50
100 000
200
id280
600−1700
100
67
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]