Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0103

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0103
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Общество с ограниченной ответственностью "ФемтоВижн"
Название доклада
Разработка полупроводниковых детекторов одиночных фотонов для длины волны оптоволоконного стандарта связи
Докладчик
Родимин Вадим Евгеньевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основной целью настоящих прикладных научных исследований, реализуемых в рамках комплексного проекта, является обеспечение полупроводниковыми детекторами одиночных фотонов исполнителя ПНИЭР по теме: «Создание опытного образца квантового устройства безопасной передачи данных». Разрабатываемое устройство квантовой криптографии для передачи информации использует различные квантовые состояния одиночных квантовых объектов, а именно, информация передается при помощи одиночных фотонов. Использование именно одиночных фотонов является критически важным для невозможности скомпрометировать квантовый ключ: перехватить, подсмотреть и т.п. Таким образом, для работы устройства квантовой криптографии необходимы детекторы одиночных фотонов (ДОФ). Для работы в составе устройства квантовой криптографии, ДОФ должны удовлетворять ряду требований, в частности, детекторы должны иметь высокую квантовую эффективность, низкий темновой счет и быть компактными.
Актуальность и новизна исследования
Задача комплексного проекта по разработке устройства квантовой криптографии предполагает интеграцию этого устройства в уже существующие телекоммуникационные линии. Это накладывает определенные ограничения на габариты устройства и на длину волны, используемую для передачи информации. Поскольку квантовое распределение ключа работает с одиночными фотонами, необходимо обеспечить минимум затухания оптических импульсов в оптоволоконных линиях. Это условие приводит к выбору рабочей длины волны 1.5мкм - ближний инфракрасный диапазон. Компактные и наиболее простые в изготовлении ДОФ в этом диапазоне длин волн в настоящее время могут быть изготовлены только на основе лавинных фотодиодов InGaAs/InP. В России полупроводниковые ДОФ на основе InGaAs/InP лавинных фотодиодов серийно не производятся. Более того, зарубежные аналоги чересчур дороги и зачастую громоздки. Не говоря уже о том, что использование зарубежных ДОФ на настоящем этапе развития квантовой криптографии неизбежно сопряжено с существенными затратами на гарантийное и пост гарантийное обслуживание. Производимые в России сверхпроводящие детекторы одиночных фотонов (SSPD) для своей работы требуют специальную инфраструктуру: линию вакуумирования и криосистему, что делает их громоздкими и затратными в обслуживании.
Описание исследования

Согласно ТЗ комплексного проекта, требуется изготовить ДОФ со следующими техническими характеристиками:

Параметр

Единица измерения

Значение  

Рабочая  длина  волны

нм

1550±10

Вероятность шумового срабатывания на один такт ПРМ

 

Не более 10-5

Вероятность детектирования одиночного фотона, не менее

 

0,07

Временное разрешение приема сигнала

нс

Не  более  1

Частота повторения временных окон приема сигнала

МГц

1-300

 

Работу ДОФ упрощенно можно изложить следующим образом:

Световой импульс поступает по оптоволоконной линии на вход лавинного фотодиода (ЛФД), где с некоторой вероятностью вызывает в рабочей области кристалла образование новой пары носителей заряда, приводяющих к возниконовению зарядовой лавины, которая и является сигналом детектирования фотона. Для возникновения лавины на диод должно быть подано обратное напряжение смещения, порядка нескольких десятков вольт. Поскольку из-за тепловых флуктуаций возможно образование лавины даже в отсутствие фотона (темновой счет), обратное напряжение смещения подается только в те временные промежутки, в которые ожидается приход фотона, так что диод работает в режиме высокочастотного стробирования. 

Двумя ключевыми элементами ДОФ являются ЛФД и сигнальная плата, или плата высокочастотной обвязки ЛФД. ЛФД используется уже готовый, для этого были изучены доступные на рынке диоды,  приобретены наиболее многообещающие для наших целей и проведены исследовательские испытания диодов. Сигнальную плату требовалось разработать "с нуля".

Основные функции сигнальной платы заключаются в следующем:

  • Определение режима работы детектора одиночных фотонов – ждущий (асинхронный) или синхронный (стробированный).
  • В синхронном режиме работы сигнальная плата формирует импульсное напряжение – строб – для кратковременного увеличения обратного напряжения смещения лавинного фотодиода, определяя таким образом промежутки времени, в которые возможно детектирование фотона.
  • Гашение лавины, вызванной поглощением фотона в рабочей области полупроводника.
  • Выделение полезного лавинного сигнала – подавление или фильтрация емкостного отклика.
  • Обработка полезного сигнала – дифференциация и усиление.
  • Определение величины и включение мертвого времени или времени восстановления детектора одиночных фотонов, когда световые импульсы, приходящие на оптический вход устройства, не воспринимаются.
  • Обработка выходного сигнала.

Одна из наиболее сложных функций, выполняемых сигнальной платой - подавление емкостного отклика (эффекта Миллера) p-n перехода ЛФД, на фоне которого полезный лавинный сигнал может быть неразличим. Для подавления емкостного отклика существуют различные методики, нами была выбрана технология емкостной балансировки с некоторыми модификациями.

Сигнальная плата наиболее чувствительна к электромагнитным помехам, поэтому требует продуманной экранировки и подключения к заземлению. Кроме того, особенности аналоговых импульсов лавинного фотодиода, обрабатываемых сигнальной платой, а именно, наноамперные токи и пикосекундные фронты импульсов, диктуют условия расположения сигнальной платы относительно лавинного фотодиода. Т.е., требуется минимизация длины электропроводов подключения лавинного фотодиода.

Кроме ЛФД и сигнальной платы для ДОФ требуется разработать следующие компоненты:

1. Схему сопряжения с высокочастотной схемой обвязки ЛФД. Данная схема предназначена для установки определенного режима работы ДОФ. Режим работы ДОФ зависит от величины обратного напряжение смещения, приложенного к ЛФД, от температуры ЛФД, от величины компарации аналогового лавинного сигнала, от мертвого времени, в течение которого ДОФ не воспринимает приходящие фотоны и от ряда иных параметров.

2. Схема высоковольтного DC-DC-преобразователя (высоковольтный блок питания). Данная схема формирует обратное напряжение смещения на лавинном фотодиоде. Обратное напряжение смещение должно быть хорошо стабилизировано и управлямо изменяться в определенном интервале.

3. Схема управления термоэлектронным модулем (ТЭМ). Для уменьшения тепловых шумов, и как следствие, для уменьшения темнового счета кристалл ЛФД должен находиться при пониженной температуре, от -40оС до -60оС. Кроме того, эта температура должна быть хорошо стабилизирована, по крайней мере с точностью до 0,5 градуса

4. Схема низковольтных DC-DC преобразователей в составе контроллера;

5. Схема интерфейсов для поддержки пользовательского интерфейса.

Перечисленные схемы целесообразно ввести в состав контроллера ДОФ.

 

Результаты исследования

Стремление создать более чувствительные или более быстродействующие детекторы приводит к необходимости более детального анализа процессов, в том числе и тепловых, связанных с прохождением лавин.  Анализ временного распределения откликов, создаваемых лавинами при измерении темнового счета несинхронного детектора показал специфику работы диода в гейгеровском режиме. Для отбора ЛФД были проведены исследования шумовых откликов различных диодов. Результаты проведенных измерений легли в основу обоснования выбора диода (PGA-308), разработки конструкции детектора и определения режимов его работы.

Была разработана сигнальная плата (плата высокочастотной обвязки) ЛФД. Схематически сигнальную плату можно разделить на следующие каскады:

  • Каскад преобразования стробирующего синхросигнала от 3 В TTL до 5 В TTL
  • Каскад формирования коротких стробирующих импульсов
  • Каскад формирования противофазных импульсов для балансной схемы
  • Балансная схема питания диода. В этой схеме осуществляется лавиногашение и подавление емкостного отклика от ЛФД
  • Усилительный тракт сигнальной платы, состоящий из трех каскадов: дифференциатора, линейного усилителя и еще одного дифференциатора.
  • Таймер времени восстановления.
  • Выходной аналоговый каскад, предназначенный для сервисных целей
  • Выходной буферный каскад преобразования аналогового сигнала в 3 В импульсы TTL логики.

Для выделения полезного лавинного сигнала ЛФД применено новое схемотехническое решение, а именно, вместо подачи одинакового стробирующего сигнала на лавинный фотодиод и на балансный конденсатор, с последующим вычитанием на балансном трансформаторе, подается противофазный сигнал на диод и конденсатор. Такой подход позволил уменьшить общее число компонентов в схеме, а также добиться лучшего подавления емкостного отклика от p-n перехода лавинного фотодиода.

Необходимость охлаждения ЛФД при помощи ТЭМ приводит к требованию термоизоляции и отвода тепла от горячей поверхности ТЭМ – т.е. наличие кулера. Кроме того, требуется минимизировать тракт ЛФД-сигнальная плата. Эти требования диктуют конструктивное исполнение детектора одиночных фотонов. На приведенном ниже рисунке показано текущее конструктивное решение ДОФ.

На данном рисунке видны все основные компоненты ДОФ, а именно ЛФД, сигнальная плата, и плата контроллера.

Эффективность работы ДОФ в значительной степени определяется выбором параметров работы ЛФД и сигнальной платы, и, прежде всего, такими величинами как температура и обратное напряжение смещения ЛФД. Для подбора оптимальных параметров работы ДОФ были проведены систематические исследовательские испытания прототипов ДОФ. График изображенный ниже показывает зависимость вероятности темнового счета от квантовой эффективности ДОФ.

Вероятность темнового счета и квантовая эффективность зависят от приложенного обратного напряжения смещения. Причем, чем больше напряжение (по модулю) тем больше квантовая эффективность, но при этом увеличивается и вероятность темнового счета, которую нужно минимизировать. Поэтому, при испытаниях ДОФ ищется такая рабочая точка, в которой квантовая эффективность будет достаточно большой при приемлемой вероятности темнового счета. Как видно из графика, при квантовой эффективности 20% частота темнового счета лежит в области 10-6, что с хорошим запасом удовлетворяет ТЗ.

Практическая значимость исследования
Чувствительные детекторы одиночных фотонов, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне, имеют не только практическое применение в физике квантовой информации, но и необходимы для фундаментальных исследований в квантовой физике, в частности для разработки однофотонных источников. Кроме того, детекторы одиночных фотонов широко используются в таких важных областях как позитронно-эмиссионная томография, оптическая рефлектометрия, астрономия и космические коммуникации, биологические и медицинские визуализационные технологии, такие как биолюминисценция и пр. Вне всякого сомнения, квантовая криптография в настоящее время наиболее коммечески успешное приложении физики квантовой информации. С большой вероятностью, в ближайшем будущем квантовой криптографии суждено радикальным образом изменить рынок телекоммуникаций.
Постер

SPD02.ppt