Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Однофотонные приёмники для систем квантового распределения ключей. Учебное пособие
.pdf
1.7. Энергетическая модель системы квантового распределения ключа с фазовым…
21
4 – аттенюатор с постоянным коэффициентом вносимых потерь;
5 – разъемы BNC для подключения внешних устройств.
Рис. 1.10. Конструкция станции Алиса системы ID 3000 Clavis
1.7. Энергетическая модель системы квантового распределения
ключа с фазовым кодированием состояний фотонов
Обобщённая структура системы квантового распределения ключа
(КРК) с фазовым кодированием фотонов представлена на рис. 1.11. Система состоит из двух станций и волоконно-оптической линии связи
(ВОЛС). Первая станция является приемопередающей станцией и носит кодовое название Боб (Bob). Вторая станция является кодирующей станцией.
Она не содержит приёмопередающей аппаратуры и носит кодовое название
Алиса (Alice). На рисунке не показаны управляющие входы станций для
синхронизации своей работы и контроля параметров.
Формирование секретных ключей происходит через ВОЛС. Каждая из станций генерирует общий секретный ключ и распределяет его
между законными пользователями. С помощью этого ключа производится как шифрование данных источника, так и дешифрование данных
для получателя.
Отметим, что схема СКРК с автоматической компенсацией фазовых
сдвигов является наиболее стабильной в работе (2019).
Рассмотрим основные аналитические соотношения для описания
энергетических и временных параметров оптических и фотонных импульсов
системы КРК посредством разработки энергетической модели системы.
1. Роль однофотонных детекторов для реализации предельных характеристик…
22
Источник
когерентного
оптического
излучения
Приемный
модуль
Волоконнооптический
ответвитель
Волоконнооптический
циркулятор
(по часовой
стрелке)
Волоконно-
оптический
фазовый
модулятор
Волоконнооптическая
линия задержки
Волоконнооптический
поляризационный
ответвтиель
Приемный
модуль
Зеркало Фарадея
Перестраиваемый
волоконнооптический
аттенюатор
Волоконнооптический
фазовый
модулятор
Квантовый канал
4
3
1
2
Перестраиваемый
волоконнооптический
аттенюатор
Волоконнооптический
ответвитель 1:9
Волоконно-
оптическая
линия задержки
Перестраиваемый
волоконнооптический
аттенюатор
Приемный
модуль
А2А1 А3 А5
А6А4
А7 А8
А9
А10
А11
А12
А13
А14
А15 А16 А17
1 2
3
3
1 2
1 3
2
Рис. 1.11. Обобщённая структура системы КРК
Под оптическим импульсом понимается импульс со средним числом
фотонов >1. Под фотонным импульсом понимается импульс, содержащий
счётное число фотонов (в системах КРК, как правило, <1). Обозначим
направление распространения импульсов от станции Боб к станции Алиса
направлением распространения оптических импульсов, а при распространении от станции Алиса к станции Боб – направлением распространения
фотонных импульсов.
При разработке энергетической модели КРК должны быть учтены
поляризационные состояния фотонов, временное разделение оптического
импульса в станции Боб в режиме генерации оптического излучения и интерференция фотонов в станции Боб в режиме приёма фотонного импульса.
При разработке энергетической модели КРК необходимо сформулировать функциональные требования к элементам обобщённой структуры
КРК с фазовым кодированием фотонов.
1.7. Энергетическая модель системы квантового распределения ключа с фазовым…
23
Функции элементов приёмопередающей станции обобщённой
структуры системы квантового распределения ключа
В состав приёмопередающей станции обобщённой структуры си-
стемы КРК входят передающий оптический модуль (ПОМ), перестраиваемый волоконно-оптический аттенюатор (ПВОА-Б), волоконно-оптический
циркулятор (ВОЦ) с циркуляцией по часовой стрелке, два приёмных оптических модуля (ПРОМ1 и ПРОМ2), волоконно-оптический ответвитель
(ВОО-Б), волоконно-оптическая линия задержки (ВОЛЗ-Б), волоконно-оптический фазовый модулятор (ВОФМ-Б), волоконно-оптический поляризационный делитель (ВОПД-Б). Оптическое волокно (ОВ), сохраняющее поляризацию оптического излучения, соединяет перечисленные функциональные блоки (см. рис. 1.11).
Передающий оптический модуль включает лазерный источник излу-
чения и предназначен для формирования когерентного оптического излучения с длиной волны 1550 нм и узкой шириной спектра. Малая ширина
спектра позволяет излучать сигнал с высокой временной когерентностью,
что повышает дальность передачи и снижает влияние дисперсионных искажений.
Передающий оптический модуль также может включать встроенный
фотодиод для непосредственного измерения мощности излучения лазера.
Модуль электронного управления позволяет регулировать мощность источника излучения и длительность излучаемых лазером импульсов.
Работу ПОМ в импульсном режиме характеризует следующий набор
основных параметров:
энергия в импульсе
Эимп.ПОМ
;
длительность излучаемого оптического импульса
имп.ПОМ
;
частота fсл или период Тсл = 1/ fсл следования оптических импуль-
сов;
временная задержка генерации оптического импульса
синх
, отно-
сительно синхроимпульса системы синхронизации;
начальное состояние поляризации оптического излучения П
пом
;
начальная фаза оптического излучения Ф
пом
.
Полагаем, что огибающая оптического импульса имеет прямоугольную форму.
1. Роль однофотонных детекторов для реализации предельных характеристик…
24
Электронно-управляемый перестраиваемый волоконно-оптический
аттенюатор имеет широкий диапазон ослабления излучения от 1,5 до 50 дБ.
Приложение напряжения к управляющему входу волоконно-оптического
аттенюатора позволяет предотвратить повреждение оптических компонентов системы при попытках съёма информации посредством введения мощных оптических импульсов и ослабить отражённое от зеркала Фарадея излучение до уровня однофотонного сигнала.
Работа перестраиваемого ВОА ПОМ характеризуется следующим
набором основных параметров:
коэффициент передачи
поаБ
(раз), соответствующий значению
ослабления
поаБ
(дБ),
время распространения
поаБ
(пс), (включая время распространения
импульса от выхода лазера до выхода из ПОА),
изменение длительности импульса
поаБ
(пс), (за счет дисперсии в
аттенюаторе и дисперсии в волокне от выхода лазера до выхода аттенюатора).
Время распространения света в волокне длиной 1 метр составляет
около 5 нс, следовательно, протяженность волокна, со временем распространения в нем порядка 1 нс, должна составлять около 20 см.
Параметр
поаБ
имеет очень малую величину, порядка 1 нс, и исполь-
зуется только при расчете времени появления отраженного импульса,
поаБ
имеет порядок 0,1 пс и не учитывается в расчетах.
Таким образом, одной из задач при пусконаладке систем квантовой
криптографии является задача точной установки требуемого уровня среднего количества фотонов в импульсе для обеспечения заданных характеристик. На данный параметр оказывают влияние параметры основных модулей.
Волоконно-оптический циркулятор имеет три порта, каждый из ко-
торых может быть как входом, так и выходом. Принцип работы основан на
переносе энергии излучения от входного порта 1, который в схеме подключен к ПОМ, к ближайшему против часовой стрелки порту 3, подключенному
через оптическое волокно к волоконно-оптическому делителю. Передача в
обратном направлении от порта 3 к порту 1 исключается за счёт большого
затухания излучения. Однако энергия с порта 3 без затухания передаётся на
1.7. Энергетическая модель системы квантового распределения ключа с фазовым…
25
порт 2. Волоконно-оптический циркулятор является пассивным оптическим
элементом и не имеет электрических управляющих входов.
К основным параметрам волоконно-оптического циркулятора от-
носят:
коэффициенты передачи k
воц1-2
(раз), k
воц2-3
(раз), соответствую-
щие значению ослабления
воц
(дБ),
коэффициенты изоляции k
воц2-1
, k
воц3-2
(раз),
коэффициент направленности k
воц1-3
(раз)
время распространения
воц
(пс), (включая время распространения
импульса от выхода ПОА до выхода из ВОЦ),
изменение длительности импульса
воц
(пс).
Параметр
воц
будет исключён из последующего анализа, так как
он ничтожно мал и определяется дисперсионными свойствами волоконнооптического циркулятора.
Волоконно-оптический ответвитель – пассивный элемент с че-
тырьмя портами. При прямом распространении оптический импульс, сгенерированный источником оптического излучения в ПОМ, поступает
только на порт 1 делителя. Делитель распределяет поровну энергию входного оптического импульса на два выходных порта 2 и 3. Применённый
делитель разделяет цуг волны на два равных по энергии импульса.
Волоконно-оптический ответвитель характеризуется параметрами:
коэффициент передачи k
воо1-3
, k
воо1-4
, k
воо2-3
, k
воо2-4
, k
воо3-1
,
k
воо3-2
, k
воо4-1
, k
воо4-2
(раз);
значение ослабления из-за избыточных потерь
воо
(дБ);
коэффициент направленности k
воо1-2
, k
воо3-4
(раз);
коэффициент обратного отражения k
воо.обр.
(раз);
время распространения
воо
(пс), (включая время распространения
импульса от выхода ВОЦ до выхода из ВОО);
изменение длительности импульса
воо
(пс).
Приёмный оптический модуль предназначен для приёма слабых
оптических сигналов. Конструкция модуля довольно сложна и имеет множество управляющих входов, через которые подаётся напряжение смещения, регулировка времени нечувствительности (dead time), задаётся время
1. Роль однофотонных детекторов для реализации предельных характеристик…
26
ожидания сигнала и прочие. Модуль включает однофотонный ЛФД,
устройства охлаждения, усиления и управления. Лавинный фотодиод позволяет регистрировать приём отдельного фотона, что и определяет его
уточняющее название однофотонный лавинный фотодиод.
С работой однофотонного ЛФД связано множество трудностей,
например ложное срабатывание ЛФД при порождении лавины электронов
в отсутствии фотона на входе. Такие процессы объединены в единый класс
и определены как темновой ток ЛФД. Частота (скорость) темнового счёта
характеризуется количеством ложных срабатываний в единицу времени и
имеет размерность герц.
Одним из значимых факторов, оказывающих влияние на частоту
темнового счёта, является температура лавинного фотодиода. В приёмном
оптическом модуле температура фотодиода может устанавливается пользователем и контролируется непрерывно с помощью термистора. Для охлаждения ЛФД используется элемент Пельтье. Дрейф температуры не превышает 0,1 С, поскольку перепад температуры на 1 С оказывает существенное влияние на частоту темнового счёта.
Устройство усиления предназначено для увеличения амплитуды
однофотонного импульса с выхода ЛФД.
Устройство управления предназначено для анализа полученных с
фотодиода сигналов, контроля температуры, регулирования амплитуды,
длительности и момента подачи напряжения смещения. В большинстве
схем применён метод вольтодобавки, при котором на управляющем входе
ЛФД напряжение смещения действует постоянно, но на уровне, недостаточном для порождения лавины. Последнее позволяет снизить время переходных процессов при подаче напряжения смещения, необходимого для
регистрации однофотонного импульса.
При прохождении однофотонного сигнала от станции Алиса именно
в волоконно-оптическом делителе две пришедшие волны интерферируют
друг с другом, а затем направляются на один из двух портов 2 и 4, ведущих
к приёмным оптическим модулям.
Волоконно-оптическая линия задержки состоит из отрезка оптического волокна, сохраняющего поляризацию, и предназначена для внесения временной задержки между двумя сигналами, идущими по разным оптическим плечам интерферометра.
1.7. Энергетическая модель системы квантового распределения ключа с фазовым…
27
Следующим компонентом в блоке распределенного волоконно-оптического интерферометра является волоконно-оптическая линия задержки (ВОЛЗ) с параметрами:
коэффициентами передачи k
волз
(раз), соответствующий значению
ослабления
волз
(дБ);
время распространения
волз
(включая время распространения им-
пульса от выхода ВОО до выхода из ВОЛЗ);
изменение длительности импульса
волз
.
Основной параметр, характеризующий ВОЛЗ, параметр вносимой
временной задержки
волз
. Произведем оценку ослабления, вносимого ли-
нией задержки:
0
лз
n
τcL
,
где n
0
эффективный показатель преломления волокна;
oc
0
волз
2
пв олзвол з
n
τc
где
ос
= 0,01 дБ потери на сварном оптическом соединении,
пволз
=
= 0,5 дБ/км – погонное ослабление волокна, сохраняющего поляризацию.
При
волз
= 50 нс,
волз
= 0,025 дБ, следовательно, параметром ослабления
можно пренебречь из-за его малости.
Волоконно-оптический фазовый модулятор выполнен на основе
электрооптического кристалла ниобата лития. Принцип действия волоконно-оптического фазового модулятора основан на эффекте Керра. Модулятор позволяет внести фазовый сдвиг в сигнал, проходящий по длинному
плечу при обратном распространении сигнала. Диапазон изменений фазы
лежит в пределах от 0 до 2.
Далее по ходу распространения сигнала в длинном плече расположен блок выбора базиса детектирования, реализованный на волоконно-оптическом фазовом модуляторе с параметрами:
коэффициентами передачи k
вофмБ
(раз), соответствующий значе-
нию ослабления
вофмБ
(дБ);
коэффициент обратного отражения k
вофмБ.обр.
(раз);
1. Роль однофотонных детекторов для реализации предельных характеристик…
28
время распространения
вофмБ
, (включая время распространения
импульса от выхода ВОЛЗ до выхода из ВОФМ);
изменение длительности импульса
вофмБ
;
изменение фазы оптического излучения Ф
вофмБ
.
Перед рассмотрением параметров поляризационного волоконно-оп-
тического ответвителя и влияния оказываемого им, приведем описание технологического приема по изменению поляризации в коротком плече интерферометра. Для обеспечения ввода двух импульсов, проходящих по разным
плечам, в одно волокно используется поляризационный волоконно-оп-
тический ответвитель таким образом, что в разные порты вводятся импульсы с ортогональным состоянием поляризации, следовательно, на выходе оба импульса будут направлены в один выход ПВОО. Сущность технологического приема поворота поляризации одного из импульсов заключается в следующем: производится сварка выхода 4 ВОО с входом 2 ПВОО
с поворотом на 90° осей волокон. Место сварки волокон с поворотом осей
можно охарактеризовать следующим параметром:
угол поворота оси волокна Псв.
А изменение параметров импульса:
сввоосв
ППП
4
.
Напомним, что все отрезки оптического волокна, входящие в стан-
цию Боб, являются волокнами, сохраняющими поляризацию.
Оптический импульс из длинного плеча направлен на вход 1 поля-
ризационного волоконно-оптического ответвителя, с параметрами:
коэффициентами передачи k
пвоо1-3
, k
пвоо2-3
(раз) соответствующие
значениям потерь для быстрой и медленной оси распространения соответственно
пвоо1-3
(дБ),
пвоо2-3
(дБ);
коэффициент обратного отражения k
пвоо 1.обр.
, k
пвоо 2.обр.
(раз);
коэффициентами направленности k
пвоо1-2
, k
пвоо2-1;
время распространения
пвоо13
,
пвоо23
(включая время распростра-
нения импульса от выхода ВОФМ до выхода из ПВОО и от выхода ВОО до
выхода из ПВОО, соответственно);
1.7. Энергетическая модель системы квантового распределения ключа с фазовым…
29
изменение длительности импульса
пвоо
.
Сигнал на выходе 3 ПВОО будет состоять из двух оптических импульсов с разной энергией.
Волоконно-оптический поляризационный светоделитель представляет поляризационный мультиплексор и является пассивным элементом. Сигналы, распространяющиеся по разным плечам интерферометра,
поляризованы ортогонально, что связано с применением сохраняющего поляризацию оптического волокна. «Быстрые» оси волокон двух плеч повернуты на угол в 90° друг относительно друга. Это позволяет направить сигналы, приходящие на два порта 1 и 2, в один выходной порт 3 мультиплексора, который является выходом приёмопередающего блока станции Боб.
Однофотонный сигнал, поступающий от станции Алиса на порт 3
волоконно-оптического поляризационного светоделителя, будет перенаправлен в противоположные плечи интерферометра. Это происходит потому, что после прохождения квантового канала оптическое излучение меняет свою поляризацию на ортогональную на станции Алиса (зеркале Фарадея).
2.1. Классификация и технические характеристики фотодетекторов
30
2. ФОТОДЕТЕКТОРЫ ДЛЯ СИСТЕМ
КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧА
2.1. Классификация и технические характеристики фотодетекторов
Фотоприёмники предназначены для преобразования оптического
сигнала в электрический. Они называются также фотодетекторами, так
как осуществляют детектирование оптического сигнала. Фотодетектор как
оптический детектор должен обладать следующими свойствами:
большим откликом на входное воздействие оптического сигнала;
низким уровнем собственных шумов;
широкой полосой пропускания, согласованной со спектром вход-
ного сигнала;
линейностью характеристик.
К фотодетекторам также относят фотопреобразователи, основным
назначением которых является эффективное преобразование световой
энергии заданного спектрального состава в электрическую.
Все фотодетекторы по принципу действия можно разделить на две
большие группы: тепловые и фотонные. При проектировании как самих
систем квантового распределения ключа, так и средств её мониторинга используются фотонные фотодетекторы.
Фотонные фотодетекторы подразделяют на фотодетекторы, осно-
ванные на внешнем фотоэффекте (фотоэлектронные умножители и вакуумные фотоэлементы, электронно-оптические преобразователи) и внутреннем фотоэффекте (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры).
Для определения технических возможностей конкретного фотоде-
тектора используются следующие характеристики.
Спектральная (монохроматическая) чувствительность
Вт
В
Ф
U
S
d
d
или
Вт
А
Ф
I
S
d
d
представляет меру реакции фотоде-
тектора на оптическое излучение с длиной волны . Для фотонных фотодетекторов существует максимальная (пороговая) длина волны
пор
, выше ко-
торой энергии фотона недостаточно для возникновения фотоэффекта.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]