Сверхпроводниковый однофотонный детектор с разрешением числа фотонов для систем дальней телекоммуникационной связи
Принцип действия сверхпроводниковых однофотонных детекторов. Механизм возникновения напряжения фотона на выходе устройства. Повышение чувствительности и быстродействия модуля оптического терминала. Зависимость доли ошибочных битов от уровня дискриминации.
Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 03.11.2018 |
Размер файла | 181,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
Московский педагогический государственный университет
Сверхпроводниковый однофотонный детектор с разрешением числа фотонов для систем дальней телекоммуникационной связи
Г.М. Чулкова, А.В. Семёнов, А.В. Дивочий, М.А. Тархов
Все возрастающие потоки информации и развитие техники оптической связи стимулируют выработку все более жестких требований к скорости и достоверности передачи информации. Создание практических сверхпроводниковых однофотонных детекторов с разрешением числа фотонов (PNR-SSPD), принцип действия которых основан на неравновесных процессах, происходящих при поглощении фотона в сверхпроводящих наноструктурах - длинных и узких (70-100 нм) полосках ультратонкой пленки (4 нм), нанесенной на диэлектрическую подложку, в присутствие тока, близкого к критическому, продиктовано необходимостью удовлетворения этим требованиям [1].
PNR-SSPD обладает высокой квантовой эффективностью (30%) на длинах волн 1300 и 1550 нм, уровнем темнового счета менее 10 Гц, субнаносекундной длительностью импульса, обеспечивающей максимальную скорость счета более 1 Ггц, нестабильностью переднего фронта импульса (джиттер) 16 пс и высокой эффективностью согласования с одномодовым оптоволокном. Сверхпроводниковый однофотонный детектор с разрешением числа фотонов (PNR-SSPD) представляет собой структуру, изображенную на Рис. 1. Структура состоит из одинаковых секций полосок в виде меандра, соединенных параллельно, и подключенных к контактным площадкам через полосковые резисторы. Площадь детектора 10x10 мкм2. Механизм возникновения импульса напряжения следующий: по полоске сверхпроводника протекает постоянный электрический ток, плотность которого близка к критической.
При поглощении фотона в небольшой области полоски сверхпроводимость подавляется и появляется «горячее пятно», при этом происходит перераспределение тока и его плотность превышает критическую. Т.к. полоска очень узкая, «горячее пятно» перекрывает сечение полоски и возникает резистивная область, что сопровождается импульсом напряжения.
В течение небольшого времени «горячее пятно» исчезает, сверхпроводимость восстанавливается, и детектор вновь готов к регистрации очередного фотона.
Рис. 1 а) Изображение 5- секционного PNR-SSPD, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, черный цвет-пленка NbN; b) схема соединения секций детектора с контактными площадками.
В момент поглощения фотона в одной из полосок появляется сопротивление. Благодаря кинетической индуктивности, которой обладают полоски, резистивная полоска не закорачивается остальными, оставшимися в сверхпроводящем состоянии, полосками, что приводит к возникновению напряжения на всей структуре.
Если в двух полосках одновременно поглощаются фотоны, напряжение на структуре будет больше, создавая больший по амплитуде импульс напряжения в линии передачи. Если три фотона поглощаются тремя полосками, импульс напряжения будет еще больше, и т.д. Это дает возможность различать число поглощенных фотонов по амплитуде возникающего отклика.
Последовательно с каждой полоской включен пленочный резистор, изготовленный из несверхпроводящего металла. Резисторы необходимы для ограничения тока и препятствуют одновременному переключению нескольких полосок при поглощении одного фотона.
На Рис. 2 показаны осциллограммы импульсов напряжения с PNR-SSPD при разных уровнях ослабления потока излучения импульсного лазера на длине волны 0,89 мкм, полученные на 5-секционном PNR-SSPD. Напряжение фотооткликов, соответствующих различному числу поглощенных фотонов, имеют различные амплитуды. С увеличением числа фотонов в лазерном импульсе вероятность наблюдения отклика с большей амплитудой возрастает [2].
Рис. 2. Эпюры напряжения, соответствующие различному числу одновременно зарегистрированных фотонов.
Чтобы в протяженных линиях связи, содержащих множество усилителей и мультиплексоров, накопленная ошибка не превысила допустимую норму, BER (доля ошибочных битов) каждого устройства должен быть не хуже 10-11. Основным фактором, определяющим уровень ошибок соединения, является чувствительность и быстродействие приемного модуля оптического терминала.
Применяемые в настоящее время лучшие p-i-n диоды и лавинные фотодиоды обеспечивают BER на уровне 10-10 - 10-12 в оптическом интерфейсе 2,5 Гбит/с - 9,95 Гбит/с при чувствительности -28 дБм и -15 дБм соответственно. Это означает, что каждый бит информации передается оптическим импульсом, содержащим 104-105 фотонов. Чувствительность приемников ограничивает длины оптоволоконных линий связи между ретрансляторами. Наименьшим ослаблением оптического сигнала обладают оптоволоконные линии на одномодовых волокнах, но и в таких магистралях мощность передаваемых импульсов ослабляется в среднем в 100 раз на каждые 100 км. сверхпроводниковый однофотонный детектор
Актуальной, таким образом, является разработка высокочувствительных приёмных модулей, способных обеспечивать требуемые BER при работе с предельно слабыми сигналами.
Число фотонов в оптическом импульсе, необходимое для достижения требуемой BER при использовании PNR- SSPD в качестве детектора приёмного модуля, может быть оценено по формулам теории вероятности как
,
где QE - квантовая эффективность детектирования.
Для лучших стандартных SSPD (работающих только в однофотонном режиме) эта величина достигает 30%.
Полагая QE=10%, получаем, что для достижения BER на уровне 10-11 требуется иметь в оптическом импульсе ? 250 фотонов, что в среднем на 2 порядка меньше, чем при использовании существующих приёмных модулей. Для справедливости приведённой оценки необходимо, чтобы среднее число отсчётов детектора в логическом нуле было мало по сравнению с единицей.
Благодаря крайне низкому уровню собственных темновых срабатываний SSPD, единственной причиной таких отсчётов в случае PNR-SSPD остаются паразитные фотоны, приходящие на детектор в фазе логического нуля, т.е. шумы оптической передающей линии.
Для современных линий стандартом является отношение мощностей, соответствующих уровням логического нуля и логической единицы не менее 15 дБ. При среднем числе фотонов в фазе логической единицы N?250 среднее число фотонов в фазе логического нуля составит 10-3N ? 0.25, а среднее число отсчётов детектора в логическом нуле - QEЧ10-3N ? 0.025<<1, что подтверждает самосогласованность приведённой оценки для N.
Точное значение BER зависит от уровня дискриминации M - числа отсчётов детектора, принимаемого в качестве граничного значения между 0 и 1. При слишком низком значении уровня дискриминации велико число ошибок ложной регистрации «1» в логическом «0», при слишком высоком - велико число ошибок пропуска логической «1».
Результаты численного расчёта зависимости BER от уровня дискриминации приведены на рис. 3.
Рис.3 Зависимость доли ошибочных битов от уровня дискриминации. Среднее число отсчётов в фазе логической «1» - 35 (синяя кривая) и 50 (красная кривая). Средне число отсчётов в фазе логического «0» положено равным 0.5.
Кривые построены для среднего числа отсчётов в логической единице 35 и 50. Видно, что требуемый уровень BER=10-11 достигается при 50 отсчётах в импульсе при M=10.
Таким образом, применение PNR-SSPD позволит значительно снизить количество необходимых ретрансляторов в оптических передающих линиях связи благодаря увеличению не менее чем в 102 раз чувствительности приемных модулей.
Литература
1. A.Divochiy, F.Marsili, D.Bitauld, et al. // Nature Photonics, 2, 302, (2008).
2. A Korneev, A Divochiy, M Tarkhov, et al. // Journal of Physics: Conference Series 97, 012307 (2008).
Аннотация
Сверхпроводниковый однофотонный детектор с разрешением числа фотонов для систем дальней телекоммуникационной связи. Г. М. Чулкова, А. В. Семёнов, А. В. Дивочий, М. А. Тархов Московский педагогический государственный университет
Рассмотрена возможность применения сверхпроводникового однофотонного детектора, разрешающего число фотонов, в качестве датчика приёмных модулей телекоммуникационных линий. Показано, что для достижения доли ошибочных битов на уровне 10-11 достаточно на два порядка меньшей мощности в оптическом импульсе, чем при использовании существующих приёмных модулей.
Ключевые слова: сверхпроводниковый однофотонный детектор, разрешение числа фотонов, телекоммуникационные линии.
Abstract
We consider an ability of applying photon number resolving superconducting single-photon detector as a sensor in receiving modules for telecommunication lines. We demonstrate that for achieving bit error rate at the order of 10-11 it is sufficient to have two order of magnitude smaller power in an optical pulse as compared to the existing receiving modules.
Keywords: superconducting single-photon detector, photon-number resolution, telecommunication lines.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Зависимость напряжения изменяющейся частоты, угловой частоты несущего колебания и напряжения от времени. Выявление детекторных характеристик частотного детектора для разных видов детекторов. Оценка искажения низкочастотного сигнала на выходе детектора.
лабораторная работа [3,0 M], добавлен 12.12.2022Принципы измерения напряжения посредством аналоговых электронных вольтметров. Описание структурной схемы цифрового вольтметра постоянного тока. Понятие об амплитудном значении напряжения. Особенности использования амплитудных детекторов в вольтметрах.
контрольная работа [404,7 K], добавлен 08.07.2014Классификация фазовых детекторов, анализ схем их построения. Балансный фазовый детектор. Фазовый детектор на логических дискретных элементах. Описание устройства коммутационного, однократного диодного фазового детектора. Особенности выбора его схемы.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 19.12.2009Характеристика принципов построения, характеристики и области применения современных позиционно-чувствительных фотоприемников. Позиционно-чувствительный детектор, его принцип действия. Основные требования, предъявляемыми к фотоприемным устройствам.
реферат [2,1 M], добавлен 20.05.2015Методы организации качественной связи для передачи информации различного вида между населенными пунктами. Обоснование и характеристика существующей сети связи. Определение и расчет числа каналов. Конфигурация проектируемой телекоммуникационной сети.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 31.05.2013Организация сети оптического доступа. Методы построения и схема организации связи для технологии FTTХ. Витая пара CAT6a. Оборудование оптического линейного терминала. Расчет параметров оптического тракта. Система безопасности для технологии FTTХ.
дипломная работа [5,5 M], добавлен 11.04.2013Приёмник оптического излучения. Структурная схема фотодиода. Зависимость выходного напряжения от входного тока, фототока от освещённости. Сопротивление фотодиода в отсутствие освещения. Обеспечение чувствительности в длинноволновой части спектра.
презентация [106,9 K], добавлен 09.04.2014Разведка радиоэлектронных средств. Одночастотные когерентно-импульсные РЛС. Сущность и особенности спектрального состава видеоимпульсов на выходе детектора. Зависимость частоты биений от частоты Доплера. Спектры сигналов на входе, выходе РГФ и его АЧХ.
контрольная работа [391,8 K], добавлен 30.03.2011Классификация средств обнаружения и локализации закладных устройств. Принцип работы индикатора поля, его основные характеристики. Детектор поля со звуковой сигнализацией и регулировкой чувствительности. Работа многофункционального приемника ближнего поля.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 28.01.2015Характеристика цифровых методов измерения интервалов времени. Разработка структурной и функциональной схем измерительного устройства. Применение детекторов фронтов для формирования импульсов начала и окончания счета. Проектирование устройства отображения.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 28.12.2011Анализ влияния напряжения питания на работу микроэлектронных устройств. Принцип действия и характеристика устройств контроля напряжения. Выбор типа микроконтроллера. Функции, выполняемые супервизором. Разработка алгоритма и структурной схемы устройства.
диссертация [3,1 M], добавлен 29.07.2015Расчёт чувствительности оптического приемного модуля, длины регенерационного участка волоконно-оптической системы передачи информации по энергетическому потенциалу. Шумовой ток приемного оптоэлектронного модуля. Сопротивление нагрузки фотодетектора.
контрольная работа [579,2 K], добавлен 21.01.2014Определение понятия терморезистивных датчиков. Общие характеристики резистивных детекторов температуры. Вычисление коэффициента сопротивления (полупроводника или проводника), режимов работы устройства. Рассмотрение способов применения термисторов.
реферат [425,3 K], добавлен 12.01.2016Вольтамперная характеристика полупроводникового стабилитрона. Параметрические стабилизаторы напряжения. Соотношения токов и напряжений. Относительное приращение напряжения на выходе стабилизатора. Температурный коэффициент напряжения стабилизации.
лабораторная работа [123,2 K], добавлен 03.03.2009Принцип работы и назначение амплитудного детектора, элементы и их взаимодействие. Виды схем амплитудных детекторов их современная элементная база. Порядок проектирования и предварительного электрического расчета приемника, его практическая апробация.
курсовая работа [721,5 K], добавлен 17.01.2010Назначение и принцип работы потенциометров. Зависимость напряжения на выходе от перемещения ползунка. Электрическая схема потенциометрического датчика. Статическая характеристика нагруженных потенциометров. Реверсивный и нереверсивный типы их включения.
презентация [2,3 M], добавлен 10.05.2016Схема трассы волоконно-оптического кабеля. Выбор оптического кабеля, его характеристики для подвешивания и прокладки в грунт. Расчет параметров световода. Выбор оборудования и оценка быстродействия кабеля, его паспортизация. Поиск и анализ повреждений.
курсовая работа [303,0 K], добавлен 07.11.2012Проектирование кабельной магистрали для организации многоканальной связи на участке г. Биробиджан. Выбор трассы волоконно-оптической линии передач. Расчет числа каналов. Параметры оптического волокна, тип оптического кабеля. Схема организации связи.
курсовая работа [547,6 K], добавлен 27.11.2013Шумы усилителей, детекторов, генераторов. Ослабление радиосигнала в дожде. Анализ электрических цепей. Построение согласованного фильтра. Проблемы телекоммуникаций, методы устранения помех. Искажение информационного сигнала. Подавление шумов в приемнике.
лекция [2,6 M], добавлен 22.10.2014Анализ аналогов генератора пилообразного напряжения. Принципиальная схема, принцип работы. Генератор пилообразного напряжения на микроконтроллере. Разработка структурной функциональной схемы цифрового устройства. Индикатор уровня сигнала на LM3915.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 27.01.2016