Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Однофотонные приёмники для систем квантового распределения ключей. Учебное пособие
.pdf
5.2. Регистрация сигналов однофотонного приёмного модуля ID 201 при съёме…
91
Современные приёмники оптических сигналов позволяют регистри-
ровать сверхслабое оптическое излучение (в предельном случае – поток
фотонов). Использование однофотонных приёмников позволяет осуществить съём информации с ВОЛС, который не будет обнаружен легитимными пользователями.
В качестве однофотонных приёмников может использоваться аппа-
ратура на основе InGaAsЛФД, работающем в режиме стробирования
(например, однофотонный приёмный модуль ID 201 фирмы IdQuantique).
Устройство восстановления формы регистрируемого сигнала в ре-
альном масштабе времени должно осуществлять обработку сигнала с выхода однофотонного приёмного модуля ID 201.
Ориентируемся при проведении экспериментальных испытаний в
качестве передающего и приёмного оптических модулей использовать
цифровые волоконно-оптические телефоны «Диалог-7». Телефоны обеспечивают двунаправленную передачу речевых сигналов в цифровом виде с
тактовой частотой передачи около 2 МГц. Типовое значение уровня мощности оптического излучения на выходе лазера телефона составляет 0 дБм
(1 мВт).
В качестве устройства вывода излучения из ВОЛС используется во-
локонно-оптическую прищепку-ответвитель FOD 5503 и волоконно-оптический аттенюатор, имитирующие большой радиус изгиба волокна. Формируемый изгиб волокна должен обеспечивать с учётом подачи на вход
блока фотодетектирования оптический сигнал мощностью около минус
55 дБм (3,16 нВт).
В качестве блока регистрации слабых сигналов используем однофо-
тонный приёмный модуль ID 201 на основе InGaAs лавинного фотодиода,
работающего в режиме счёта фотонов.
5.2. Регистрация сигналов однофотонного приёмного модуля
ID 201 при съёме информации с ВОЛС
При отсутствии возможности синхронизации по информационному
сигналу частота стробирования однофотонного приёмного модуля выбирается так, чтобы в течение интервала времени передачи одного символа на
модуль подавалось несколько стробирующих импульсов.
5. Использование однофотонных устройств для диагностики волоконно-оптической…
92
Детектируемое оптическое излучение представляет собой последова-
тельность двоичных символов, где символ «0», как правило, кодируется отсутствием оптического излучения, а символ «1» – его наличием. На ЛФД в
течение каждого интервала стробирования происходит регистрация фотонов, если передаётся символ «1», и не происходит регистрации, если передаётся символ «0». Полученная на выходе модуля последовательность импульсов обрабатывается блоком восстановления формы сигнала.
Пусть передаваемый сигнал представляет последовательность дво-
ичных символов, где «0» кодируется отсутствием оптического излучения,
а «1» – его наличием (рис. 5.2,а). Выбираем частоту стробирования однофотонного приёмного модуля в несколько раз больше тактовой частоты регистрируемого сигнала. Таким образом, на приёмный модуль в течение
действия каждого импульса стробирования регистрируются фотоны при
приёме логической единицы «1». При приёме логического нуля «0» регистрации фотонов не происходит. На выходе однофотонного приёмного модуля регистрируется количество импульсов (рис. 5.2,б), определяемое соотношением тактовой частотой следования оптических импульсов и частотой следования импульсов стробирования.
Восстановление информационного сигнала из импульсов, имею-
щихся на выходе однофотонного приёмного модуля, в простейшем случае
может осуществляться при помощи фильтра нижних частот (ФНЧ) и компаратора. Процесс с выхода однофотонного приёмного модуля подаётся на
ФНЧ для подавления высокочастотных составляющих, обусловленных частотой стробирования модуля. Благодаря ФНЧ выделяется низкочастотная
огибающая входного процесса (рис. 5.2,в). После ФНЧ сигнал поступает на
компаратор, в котором происходит окончательное восстановление формы
исходного сигнала (рис. 5.2,г).
Наличие носителей темнового тока ведёт к ложной регистрации
при отсутствии фотонов на фоточувствительной поверхности. Отличная
от 1 квантовая эффективность ОЛФД приводит к потере части фотонов
(рис. 5.2,б). Однако за счёт того, что частота стробирования в несколько
раз превышает тактовую частоту следования оптических импульсов, а
также за счёт использования ФНЧ, форма исходного оптического импульса может быть восстановлена при правильном выборе порогового
уровня компаратора.
5.3. Определение потерь в канале связи при съёме информации с ВОЛС
93
0 дБм
-55 дБм
а
б
в
г
д
е
ж
Рис. 5.2. Регистрация слабых оптических сигналов: а – форма исходного сигнала,
б – форма сигнала с выхода устройства вывода излучения из ВОЛС, в – форма
стробирующего сигнала, г – форма сигнала с выхода фотодетектора в идеальном
случае, д – форма сигнала с выхода фотодетектора в реальном случае, е – форма
сигнала с выхода ФНЧ, ж – форма сигнала с выхода компаратора
5.3. Определение потерь в канале связи
при съёме информации с ВОЛС
Промышленно выпускаемые волоконно-оптические ответвители-
прищепки (FOD 5503, PHOTOM 550, EXPO FCD-10B), предназначенные
для ввода/вывода излучения из волокна за счёт его изгиба, характеризуются на длине волны 1550 нм коэффициентом вывода излучения минус
15 дБ, внося при этом потери в линию около 7 дБ. Рассчитаем коэффициент
потерь в канале связи из-за подключения волоконно-оптического ответвителя-прищепки.
5. Использование однофотонных устройств для диагностики волоконно-оптической…
94
Структурная схема вывода оптического излучения с использованием
волоконно-оптической прищепки-ответвителя представлена на рис. 5.3.
Передающий
оптический
модуль
Приёмный
оптический
модуль
Волоконно-
оптическая прищепка-
ответвитель
Р1
Р2
Р3
Рис. 5.3. Структурная схема вывода оптического излучения из ВОЛС
Пусть передающий оптический модуль излучает сигнал мощно-
стью P1. Так как прищепка вносит потери в линию связи, то мощность P2,
регистрируемая приёмным оптическим модулем, будет отличаться от P1.
При этом на фотодетектор волоконно-оптической прищепки-ответвителя
подаётся мощность P3.
Коэффициент передачи оптического излучения в канале связи опре-
деляется формулой
1P
2P
lg10K
21
.
(5.1)
Из (5.1) находим формулу для расчёта мощности, регистрируемой
приёмным оптическим модулем,
10
K
21
101P2P
.
(5.2)
Коэффициент съёма оптического излучения с помощью прищепки-
ответвителя равен
1P
3P
lg10K
31
.
(5.3)
Из формулы (5.3) находим выражение для расчёта мощности, реги-
стрируемой фотодетектором волоконно-оптической прищепки-ответвителя
10
K
31
101P3P
.
(5.4)
Коэффициент полезного действия (КПД) прищепки характеризуется
отношением мощности, попадающей на фотодетектор прищепки-ответвителя, к мощности, выводимой из канала связи,
5.3. Определение потерь в канале связи при съёме информации с ВОЛС
95
2P1P3P
.
(5.5)
С учётом выражений (5.2) и (5.4), формулу (5.5) представим в виде
10
K
10
K
10
K
10
K
21
31
21
31
101
10
101P1P
101P
(5.6)
Как указано выше, потери, вносимые в канал связи прищепкой-от-
ветвителем, составляют 7 дБ, а потери при съёме оптического излучения с
помощью прищепки-ответвителяминус 15 дБ. Подставляя эти численные
значения в формулу (5.6), находим КПД прищепки FOD 5503:
04,0
101
10
10
7
10
15
.
Мощность (в мВт), выводимая волоконно-оптической прищепкой-
ответвителем из канала связи, равна
]мВт[3P
. Следовательно, на однофо-
тонном приёмном модуле регистрируется оптическое излучение мощностью
]мВт[3P
]Втм[1P
. Тогда потери в канале связи из-за прищепки-ответ-
вителя можно рассчитать по формуле
]Втм[1P
]мВт[3P
1lg10
]мВт[3P
]Втм[1P
]мВт[1P
lg10P
.
Поскольку
10
]дБм[3P
10]мВт[3P
, то формула для расчёта потерь в
канале связи Р принимает вид
]Втм[1P
10
1lg10P
10
]мдБ[3P
.
5. Использование однофотонных устройств для диагностики волоконно-оптической…
96
Пусть мгновенная мощность передаваемых по каналу связи оптических импульсов составляет 1 мВт. Построим зависимость потерь в канале
связи от мощности излучения, попадающей на фотодетектор прищепки при
трёх значениях коэффициента полезного действия прищепки 1; 4 и 10 %
(рис. 5.4).
Рис. 5.4. Зависимость потерь в канале связи от регистрируемой мощности
на фотодетекторе прищепки
В случае использования специально изготовленного устройства
вывода излучения с таким же коэффициентом полезного действия при необходимой мощности излучения на выходе прищепки минус 62,3 дБм
(с мгновенной мощностью передаваемых импульсов 1 мВт) вносимые в
линию потери составят
дБ 00006,0
104,0
10
1lg10P
10
3,62
.
Точность измерителей мощности составляет 0,001 дБм. Следовательно, такой низкий уровень избыточных потерь не может быть зарегистрирован ни одним контрольным прибором.
5. Использование однофотонных устройств для диагностики волоконно-оптической…
97
6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
СИСТЕМЫ СЪЁМА ИНФОРМАЦИИ С ВОЛС
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОДНОФОТОННОГО
ПРИЁМНОГО МОДУЛЯ ID 201
6.1. Цель исследований
Целью экспериментальных исследований системы съёма информа-
ции с ВОЛС является доказательство возможности осуществления подключения к волоконно-оптической линии связи, которое не будет обнаруживаться современной аппаратурой контроля.
6.2. Используемые приборы и принадлежности
В ходе проведения экспериментальных исследований использу-
ются следующие приборы и принадлежности: два цифровых волоконнооптических телефона «Диалог-7»; волоконно-оптическая прищепка-ответвитель FOD 5503; перестраиваемый оптический аттенюатор SVA-1;
однофотонный приёмный модуль ID 201; программируемый генератор
импульсов Tabor 8500; фотодетектор ПОС-1; осциллограф LeCroy
WaveSurfer 104Xs; волоконно-оптический разветвитель Y-типа; волоконно-оптический микроскоп Westover FM-C400; нормализующие катушки КН-SM-FC/UPC-FC/UPC-1000.0 и КН-SM-FC/UPC-FC/UPC-500.0;
патч-корд ШО-SM-0.9-FC/UPC-01.5 с оголённым участком волокна; оптический тестер FOD 1203 С/D; BNC-шнуры.
При проведении измерений два цифровых волоконно-оптических
телефона «Диалог-7» (рис. 6.1) соединены оптическим волокном, используются в качестве ВОЛС. С оголённого участка волокна производится съём
оптического излучения39.
Волоконно-оптическая прищепка-ответвитель FOD 5503 (рис. 6.2) и
перестраиваемый оптический аттенюатор SVA-1 моделируют устройство
39
Волоконно-оптический телефон «Диалог-7». Руководство по эксплуата-
ции ИУПЯ.468639.001.РЭ // Ленинградский научно-исследовательский институт
радио, 2006. 12 с.
6. Экспериментальные исследования системы съема информации с ВОЛС…
98
безразрывного подключения к ВОЛС. Аппаратура выводит малую часть
передаваемого сигнала из ОВ и при этом вносит незначительные потери40.
Прищепка осуществляет подключение к линии связи, а аттенюатор ослабляет сигнал.
Рис. 6.1. Внешний вид волоконно-оптического телефона Диалог-7
Рис. 6.2. Внешний вид волоконно-оптической прищепки-ответвителя FOD
5503Однофотонный приёмный модуль ID 201 используется для регистрации слабых
оптических сигналов, поступающих от прищепки-ответвителя.
Программируемый генератор импульсов Tabor 8500 используется в
качестве внешнего источника сигнала запуска для однофотонного приёмного модуля.
Фотодетектор ПОС-1 (рис. 6.3) предназначен для регистрации оптического излучения, передаваемого волоконно-оптическим телефоном, и
для последующей его подачи на осциллограф.
40
Волоконно-оптический ответвитель-прищепка. Модель FOD 5503. Ин-
струкция по эксплуатации // КБ волоконно-оптических приборов, 2005. 2 с.; Горбунов А. В. Волоконно-оптический ответвитель-прищепка для съёма информации с
волоконно-оптических линий связи: учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ,
2009. 53 с.
6.2. Используемые приборы и принадлежности
99
Рис. 6.3. Внешний вид фотодетектора ПОС-1
При проведении экспериментов на осциллограф LeCroy WaveSurfer
104Xs подаются сигнал с волоконно-оптического телефона, сигнал с выхода однофотонного приёмного модуля и сигнал с выхода генератора импульсов (рис. 6.4).
Рис. 6.4. Осциллограф LeCroyWaveSurfer 104Xs
Волоконно-оптический разветвитель Y-типа (рис. 6.5) предназначен
для деления оптического излучения, поступающего на его входной порт, в
заданном соотношении между выходными портами.
Рис. 6.5. Волоконно-оптический разветвитель Y-типа
При проведении экспериментальных исследований волоконно-оп-
тический разветвитель используется для ответвления части оптического
6. Экспериментальные исследования системы съема информации с ВОЛС…
100
сигнала, передаваемого волоконно-оптическими телефонами, на осциллограф.
Нормализующие катушки КН-SM-FC/UPC-FC/UPC-1000.0 и КНSM-FC/UPC-FC/UPC-500.0 (рис. 6.6) служат для имитации ВОЛС с относительно большой протяженностью41.
Рис. 6.6. Внешний вид нормализующей катушкиОптический тестер FOD 1203 С/D
(рис. 6.7) предназначен для измерения мощности оптического излучения в ВОЛС
в спектральных диапазонах 820…880; 1270…1340 и 1520…1580 нм, измерения
затухания и прозвонки оптических соединительных шнуров42.
Рис. 6.7. Внешний вид оптического тестера FOD 1203 C/D
41
Катушка нормализующая КН-SM-FC/UPC-FC/UPC-500.0. Паспорт. // Теле-
ком-Комплекс-Сервис ССС Минсвязи России. 2006.; Катушка нормализующая
КН-SM-FC/UPC-FC/UPC-1000.0. Паспорт. // Телеком-Комплекс-Сервис ССС Минсвязи России. 2006.
42
Тестер оптический. Модели FOD 1203A/B/С/D. Техническое описание и
инструкция по эксплуатации // КБ волоконно-оптических приборов, 2005. 5 с.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]