ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее техническое решение относится к области измерительной техники, в частности, к конструкции детектора одиночных фотонов (ДОФ), применяемом в области квантовой криптографии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Наиболее широкую известность в данной области техники имеют ДОФ производства фирмы ID Quantique. ДОФ серии ID210 предназначен для работы в ближнем инфракрасном свете в стробированном режиме phoion- s у stems/produets/id210/1. Модель ДОФ ID210-SMF-C при частоте стробирования 100 МГц имеет темновой счет 6 Гц при 10% эффективности детектирования и 30 Гц при 25%.

[0003] Известны также ДОФ производства компании Princeton Lightwave PGA-600, которые имеют частоту темнового счета 100 Гц при 20% эффективности детектирования. При этом данная величина соответствует 20 МГ ц частоте стробирования, что не позволяет использовать PGA-600 для работы на больших частотах.

[0004] Основным существенным недостатком известных решений является их массогабаритные размеры, а также эффективность их работы. Массогабаритные размеры известных ДОФ не позволяют применять их в стандартных стойках оборудования для обычных телекоммуникационных оптоволоконных сетей.

[0005] Сверхпроводниковые ДОФ, как правило, требуют специальной аппаратуры и ее регулярного обслуживания. В частности, требуют сервисного обслуживания турбомолекулярный и форвакуумный насосы, используемые для вакуумирования объема, в котором располагается рабочее тело сверхпроводника на основе NbN. По габаритам такая аппаратура превосходит размеры стандартной телекоммуникационной стойки или шкафа. Согласно имеющейся информации, как в России, так и за рубежом отсутствуют регулярно эксплуатируемые квантовые линии связи со сверхпроводниковыми детекторами, т.к. поддержание такой инфраструктуры сопряжено с существенными затратами.

[0006] Согласно исследовательским испытаниям разработанный детектор при тех же условиях проведения испытаний имеет темновой счет 5 Гц при 10% эффективности и 30 Гц при 25% эффективности. РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Заявленный ДОФ разрабатывается на основе полупроводникового прибора, а именно, лавинного фотодиода, что позволяет разработать и внедрить новую технологию квантового распределения ключа для обычных телекоммуникационных оптоволоконных сетей, которая также обеспечивает компактность конечного устройства с обеспечением требуемой эффективности его функционирования. Заявленное устройство предназначено для установки в обычную стойку или шкаф для размещения стандартного телекоммуникационного оборудования. При этом ДОФ на основе лавинного фотодиода не требует сервисного обслуживания и для своей работы не требует специальных квалификаций у операторов, что упрощает его эксплуатацию и последующее сервисное обслуживание.

[0008] Заявленное решение обеспечивает решение технической проблемы, заключающейся в создании ДОФ с уменьшенными массогабаритными размерами с обеспечением эффективной работы.

[0009] Техническим результатом является снижение вероятности шумового срабатывания и повышение квантовой эффективности.

[0010] Заявленная конструкция ДОФ содержит корпус, в котором установлены: сигнальная плата, содержащая генератор стробов, формирователь выходного импульса, источник напряжения смещения лавинного фотодиода и формирователь мертвого времени; плата контроллера, содержащая регулятор температуры и систему управления; охлаждающий контур, содержащий датчик температуры и термоэлектрический преобразователь; гибкая плата, расположенная внутри охлаждающего контура и содержащая лавинный фотодиод и по меньшей мере один каскад усиления сигналов лавинного фотодиода.

[ООП] В одном из примеров реализации устройства лавинный фотодиод выполнен из соединения, выбираемого из группы: InGaAs, InAlAs, или Si.

[0012] В другом примере реализации устройства фотодиод содержит подложку, выполненную из соединения фосфида индия InGaAs-InP.

[0013] В другом примере реализации устройства сигнальная плата дополнительно содержит по меньшей мере один фильтрующий каскад.

[0014] В другом примере реализации устройства термоэлектрический преобразователь содержит по меньшей мере один элемент Пельтье. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0015] Фиг. 1 иллюстрирует функциональную схему заявленного ДОФ.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] Как представлено на Фиг. 1 заявленный ДОФ (10) содержит корпус-радиатор (100), внутри которого установлены сигнальная плата (ПО), плата контроллера (120), охлаждающий контур (130) и гибкая плата (140). Корпус-радиатор (100) обеспечивает целостность конструкции, а также тепловой режим работы детектора (10). На нём расположены все необходимые разъёмы ввода-вывода сигналов, как оптических, так и электрических. В качестве разъемов могут использоваться: разъём питания, разъёмы для подключения вентиляторов, также в корпусе (100) сделаны отверстия под вывод этих разъёмов для обеспечения внешнего подключения. Непосредственно на крышке корпуса (100) вмонтирован оптический разъём FC-FC.

[0017] В сигнальную плату (110) заложен основной функционал, при этом на ней располагаются генератор строба (111), источник напряжения смещения лавинного фотодиода (112), вход для гибкой платы вывода диода, усилительные каскады для получения лавинного отклика диода приемлемой амплитуды (143), формирователь выходного импульса (113), формирующий калиброванный счётный сигнал нужного логического уровня и длительности, и формирователь мёртвого времени (114). Сигнальная плата дополнительно может содержать по меньшей мере один фильтрующий каскад (142), обеспечивающий уменьшения влияния паразитных гармоник строба на полезный сигнал лавинного отклика.

[0018] Плата контроллера (120) обеспечивает возможность внешнего управления и контроль таких параметров работы ДОФ, как: температура, напряжение смещения, амплитуда сигнала стробирования и параметры работы системы охлаждения (температура стабилизации, коэффициенты PID-регулятора, условия включения аварийных режимов). Например, напряжение смещения 70 В, амплитуда сигнала стробирования 6 В пик-пик, температура лавинного фотодиода -45 градусов Цельсия. Внешнее управление обеспечивается с помощью интерфейса USB при подключении к внешнему вычислительному устройству, например, компьютеру.

[0019] Охлаждающий контур (130) предназначен для обеспечения лавинному фотодиоду (141) оптимального режима работы с точки зрения вероятности шумовых срабатываний. Охлаждающий контур (130) содержит датчик температуры (131) и термоэлектрический преобразователь (132), выполненный в виде одного или нескольких элементов Пельтье. Датчик температуры (131) может выполняться в виде платинового терморезистора.

[0020] Охлаждающий контур (130) может выполняться из пенопластового короба, в который помещается фотодиод (141) в специальном медном держателе, и термоэлектрический преобразователь (132). Контур (130) зафиксирован на корпусе- радиаторе (100) для обеспечения отвода тепла от термоэлектрического преобразователя (132).

[0021] Гибкая плата (140) расположена внутри охлаждающего контура (130), содержит установленный на ней лавинный фотодиод (141) и предназначена для уменьшения тепловых потерь, неизбежных при сообщении лавинного фотодиода (141) с внешней средой посредством его контакта с сигнальной платой (110). Лавинный фотодиод (141) может выполняться на основании известных технологий, например, из таких соединений, как: InGaAs, InAlAs, или Si. Также, фотодиод (141) может содержать подложку, выполненную из соединения фосфида индия InGaAs-InP.

[0022] Наличие гибкой платы (140) позволяет избежать непосредственного контакта ножек фотодиода (141) и датчика температуры (131) с внешней средой, что сильно улучшает производительность контура (130) и позволяет избежать образования конденсата на ножках фотодиода (141) и увеличивает достоверность измерения температуры внутри охлаждающего контура (130). При этом, гибка плата (140) может содержать один или несколько каскадов (143) усиления сигнала фотодиода (141), что позволяет сократить влияние помех и временное разрешение, что положительно влияет на снижение шумового срабатывания ДОФ (10). Вследствие установки усилительного каскада на гибкую плату (140) в непосредственной близости от диода (141) получается хороший параметр временного разрешения детектора.

[0023] Элементы ДОФ (10) установлены в корпусе (100) с обеспечением конструктивно-функционального единства и соединяются посредством различного спектра стандартизованных сборочных операций, в частности, с помощью спайки, сварки, склепки, сочленения, и иного вида конструктивной фиксации элементов, пригодными для использования в данной области техники.

[0024] ДОФ (10) работает следующим образом. Источник напряжения смещения (112) формирует постоянное напряжение смещения лавинного фотодиода (141) для обеспечения возможности формирования лавинного фототока. Генератор стробов (111) формирует гармонический сигнал, синхронный по отношению к сигналу внешней синхронизации, для обеспечения чувствительности лавинного фотодиода (141) только в окрестностях максимума сигнала стробирования и нечувствительности в течении остального времени. Это достигается поддержанием напряжения смещения, амплитуды сигнала стробирования и температуры лавинного фотодиода (141) стабильными.

[0025] Регулятор температуры (122) обеспечивает поддержание постоянной температуры за счет управления напряжением на термоэлектрическом преобразователе (132) и измерением температуры фотодиода (141) с помощью датчика (131).

[0026] Внешний сигнал в виде одиночного фотона требуемого спектрального диапазона поступает на вход детектора (10) по оптоволоконной линии связи. Попадая в активную зону лавинного фотодиода (141), фотон поглощается и вызывает протекание лавинного фототока через фотодиод (141). В следствии протекания фототока на нагрузочном резисторе формируется импульс напряжения который усиливается до уровня единиц вольт, отфильтровывается от сигнала стробирования с помощью фильтра (142) и попадает на формирователь выходного импульса (113) и формирователь мертвого времени

(114).

[0027] Формирователь выходного импульса (113) обеспечивает формирование импульса длительностью 85 нс и амплитудой 3 В, на нагрузке 50 Ом. Этот импульс передается во внешнюю аппаратуру для дальнейшей обработки, через соответствующий вывод детектор (10). Формирователь мертвого времени (114) выполняет временное уменьшение напряжение смещения фотодетектора на заданный временной интервал (например, 3, 5, 6 мкс и т.п.), тем самым исключая любые срабатывания лавинного фотодиода (141) в течении мертвого времени. Такой режим управления исключает формирование послеимпульсов. Послеимпульсы являются шумовыми срабатываниями, вероятность которых резко увеличивается в течении некоторого времени после срабатывания фотодиода (141). Заявленный ДОФ (10) выполняется стробируемым с частотой 312,5 МГц и предназначен для регистрации одиночных фотонов ближнего инфракрасного диапазона.

[0028] Основные технические характеристики заявленного ДОФ (10) представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики