Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

Национальный исследовательский университет

Высшая школа экономики

Образовательная программа магистратуры «Инжиниринг в электронике»

Направление 11.04.04 Электроника и наноэлектроника

Выпускная квалификационная работа - магистерская диссертация

Тема:

Разработка приемного модуля квантового приемника для оптимально различения когерентных оптических состояний

Выполнила Андриянова Т.В.

студенка группы МИЭЛ-171

Научный руководитель:

к.ф.м.-ф.н., доцент Ожегов Р.В.

Москва - 2019



Задание

На выполнение магистерской диссертации

Студенту группы МИЭЛ-171 Андриановой Т.В.

Тема работы:

Разработка приемного модуля квантового приемника для оптимально различения когерентных оптических состояний

Цель работы:

Разработать приемный модуль системы, основанной на сверхпроводящем однофотонном нанодетекторе, предназначенной для детектирования экстремально слабых, на уровне квантовых шумов, оптических сигналов

Формулировка задания:

Приемная система должна быть реализована на базе ПЛИС. Она должна заниматься генерацией случайной бинарной последовательности, детектированием сигналов, анализом получаемых данных в он-лайн режиме. Необходимо разработать электрическую схему приемного модуля и спроектировать печатную плату

Проект ВКР должен быть представлен студентом в срок до 15 декабря 2018 г.

Научный руководитель: к.ф.м.-ф.н., доцент Ожегов Р.В.



Аннотация

Работа посвящена разработке приемного модуля квантового оптического приемника для регистрации фазово-модулированного сигнала. Предметом исследования выступает оптимальное различение двух когерентных оптических состояний, т.е. их детектирование с минимальной ошибкой.

Объект исследования представлен приемным модулем в составе квантового приемника, который выполняет следующие функции:

· регистрирует импульсы напряжения с однофотонного детектора

· генерирует сигналы, подаваемые на фазовращатель

· занимается обработкой полученных данных.

В процессе работы был проведен обзор и анализ существующих моделей приемников для когерентной оптической связи, разработана электрическая схема нового приемного модуля, спроектирована печатная плата, описан принцип работы и проведено технико-экономическое обоснование.

Tatyana Andriyanova. Development of a receiving module of a quantum receiver for optimal discrimination of coherent optical states

Abstract

The work is dedicated to the development of a receiving module of a quantum optical receiver for a phase-modulated signal detection. The subject of research is the optimal discrimination of two coherent optical states, i.e. their detection with minimal error.

The object of study is represented by a receiving module as part of a quantum receiver, which performs the following functions:

* registers voltage pulses from a single photon detector

* generates signals applied to the phase shifter

* is engaged in processing the data.

There was made a review and analysis of receivers' existing models for coherent optical communication, the electrical circuit of the new receiving module was developed, a printed circuit board was designed, the principle of operation was described, and a feasibility study was carried out.

Supervisor: Associate Professor Roman Ozhegov.



Оглавление

• Введение
• 1. Обзор и анализ моделей приемников для когерентной оптической связи
• 1.1 Виды приемников для распознавания когерентных состояний
• 1.1.1 Гомодинный приемник
• 1.1.2 Приемник Кеннеди
• 1.1.3 Приемник Долинара
• 1.1.4 Другие модели
• 1.2 Когерентная оптическая связь
• 1.2.1 Когерентные состояния
• 1.2.2 Современные когерентные технологии
• Выводы
• 2. Описание приемного модуля
• 2.1 Принцип работы
• 2.2 Назначение
• 2.3 Функции
• 2.4 Конструкция
• 2.5 Технические характеристики
• 2.6 Программное обеспечение
• 3. Техническо-экономическое обоснование
• 3.1 Выбор комплектующих
• 3.2 Расчет стоимости
• Заключение
• Библиографический список
• Приложение 1. Электрическая схема принципиальная приемного модуля
• Приложение 2. Печатная плата приемного модуля
• Приложение 3. Список компонентов печатной платы


Введение

Различение оптических состояний является одной из наиболее фундаментальных проблем квантовой оптики и квантовой информатики. Поскольку когерентные лучи лазерного света обычно используются для оптической связи и зондирования, важно, как можно точнее различать оптические когерентные состояния. Квантовое измерение, которое максимизирует вероятность успеха для когерентных состояний, может быть получено аналитически или численно. Однако физически реализовать эксперимент для проведения таких измерений представляет собой сложную задачу.

Хорошо известно, что квантовое измерение с минимальной ошибкой для произвольных двоичных оптических когерентных состояний может быть реализовано приемником, который содержит интерференцию с когерентным опорным светом, подсчет фотонов и управление с обратной связью [1].

Одно из самых значимых и важных следствий квантовой механики заключается в том, что в настоящее время не представляется возможным создать измерительное устройство для безошибочного различения неортогональных квантовых состояний [2]. Допустим, одному состоянию назначается изначально известное состояние, т.е. набор определенных параметров, характеризующий квант света. В этом случае нельзя с высокой точностью зарегистрировать, какое состояние было снято с приемника, так как два квантовых состояний частично перекрывают друг друга из-за неортогональности. В связи с тем, что безошибочное определение состояний невозможно, главная цель представляет собой создание и разработку такого измерительного устройства, с помощью которого можно уменьшить вероятность получения ошибочных данных и получить максимально достоверную информацию о квантовых состояниях.

Отсутствие возможности для определения неортогональных квантовых состояний является той проблемой, над решением которой необходимо работать. Более того, именно эта неясность в детектировании квантов является ограничением для когерентной оптической связи. Именно неортогональность квантовых состояний позволяет обмениваться данными по оптоволоконному кабелю без опасения того, что третье лицо может их перехватить. Но для классической коммуникации это является помехой и определенным ограничением, например, для передачи данных в космосе.

Квантовая связь позволяет осуществлять коммуникацию в дальнем космосе и защищенную передачу информации. Производительность и безопасность таких протоколов основана на неортогональности используемых состояний, что является ключевой особенностью квантовой механики. Задача квантового приемника состоит в том, чтобы определять различные состояния с минимальной ошибкой. Это приводит к необходимости иметь приемники с минимальным количеством ошибок распознавания, приближающихся к пределам, наложенным квантовой механикой. Обычные схемы обнаружения не справляются с этой задачей, что делает изучение квантовых приемников важной областью в области квантовой связи.

Актуальность исследования и решение описанной проблемы позволяет выделить в качестве предмета исследования оптимальное различение двух когерентных оптических состояний, т.е. с минимальной ошибкой. Объектом исследования выступает приемный модуль в составе квантового приемника.

Цель данной работы состоит в разработке приемного модуля системы, основанной на сверхпроводящем однофотонном нанодетекторе, предназначенной для детектирования экстремально слабых оптических сигналов - одиночных фотонов. Вытекающие из цели задачи можно разделить на следующие блоки:

1. Обзор и анализ релевантной литературы по теме исследования

2. Определение технического задания на разработку устройства

3. Выбор необходимых комплектующих

4. Разработка принципиальной схемы

5. Разработка печатной платы

В качестве методов исследования, используемых в работе, можно выделить следующие: анализ, который предполагает рассмотрение предмета с учетом его индивидуальных свойств или признаков, моделирование и непосредственно сам эксперимент.



1. Обзор и анализ моделей приемников для когерентной оптической связи

1.1 Виды приемников для распознавания когерентных состояний

Минимальная ошибка в различении двух неортогональных состояний была найдена в новаторской работе Хельстрома [3]. Измерительное устройство для экстремально слабых, на уровне квантовых шумов, когерентных состояний было представлено и описано Долинаром [4]. Реализация и создание этого устройства доказало предположение Долинара и показала корректность работы разработанной им модели [5]. Измерительный прибор, созданный Долинаром, [6] представляет собой дополнение и усложнение схемы Кеннеди, которая была представлена и опубликована еще раньше [7]. Еще одной моделью квантового приемника является гомодинный приемник [8], который тоже оптимален для детектирования слабого сигнала.

Важно различать два когерентных состояния и , которые имеют равные априорные вероятности, чтобы декодировать двоичный когерентный сигнал. Из всех чистых квантовых состояний когерентные состояния являются наиболее устойчивыми к потерям, следовательно, эти состояния важны для широкого спектра применений. Из-за ненулевого перекрытия двух когерентных состояний существует определенная частота ошибок, которая зависит от стратегии измерения. В середине 1960-х годов Хельстром [9] обнаружил минимально возможную частоту ошибок , которая показана на рис. 1, но не предоставил никакого конкретного решения для ее практического достижения.

Добиться получения максимально корректных данных и минимизировать получение ошибочных данных возможно с использованием линейной оптики, счетчика фотонов и сверхбыстрой обратной или прямой связи. Несмотря на то, что был проведен совсем недавний эксперимент с доказательством этого принципа, его реализация обладает высоким уровнем сложности [10].

Рис. 1. Сравнение вероятностей ошибок разных схем детектирования. Обозначения, приведенные на рисунке: Eror Probability - вероятность ошибки, Improvement Ratio - коэффициент улучшения, Mean Photon Number - среднее число фотонов, Standard quantum limit - стандартный квантовый предел, 10 adaptive measurements - 10 адаптивных измерений, Helstrom bound - граница Хельстрома

Оценка Хельстрома является одним из первых точных результатов в квантовой теории информации [11]. Задача состоит в том, чтобы найти измерение, которое идентифицирует состояние с наименьшей ошибкой, допускаемой законами квантовой механики. Когда наблюдатель выполняет стандартное проективное измерение в системе, состояние системы часто «разрушается» на детекторе. Так называемое состояние после измерения не только становится собственным состоянием детектора, но также часто полностью разрушается детектором, так что остаточные состояния не выходят из детектора. Таким образом, измерение является разрушительным, и обычно предполагается, что любая информация о состоянии до измерения теряется в процессе.

Это фундаментальное следствие принципа суперпозиции для квантовых состояний, что должны существовать неортогональные состояния, то есть состояния, которые, хотя и отличаются, имеют ненулевое перекрытие. Это конечное перекрытие означает, что нет способа с уверенностью определить, в каком из двух таких состояний была подготовлена данная физическая система.

1.1.1 Гомодинный приемник

Гомодинное детектирование - это метод извлечения информации, закодированной как модуляция фазы и/или частоты колебательного сигнала, путем сравнения этого сигнала со стандартным колебанием, которое было бы идентично сигналу, если бы он содержал нулевую информацию. «Гомодин» означает единственную частоту, в отличие от двойных частот, используемых при гетеродинном обнаружении.

В оптической интерферометрии гомодин означает, что эталонное излучение (то есть локальный генератор) получается из того же источника, что и сигнал до процесса модуляции. Например, при измерении лазерного рассеяния лазерный луч разделяется на две части. Одним из них является локальный генератор, а другой отправляется в систему для исследования. Рассеянный свет затем смешивается с локальным генератором на детекторе. Такое расположение имеет то преимущество, что оно нечувствительно к колебаниям частоты лазера. Обычно рассеянный луч будет слабым, и в этом случае устойчивая составляющая выходного сигнала детектора является хорошей мерой мгновенной интенсивности локального генератора и, следовательно, может использоваться для компенсации любых колебаний интенсивности лазера.

При высокоскоростной оптической передаче использование когерентного гомодинного приемника в значительной степени увеличит пропускную способность и улучшит характеристики передачи. Предлагаемый приемник потенциально может быть интегрирован в широком масштабе, что делает его полезным для приемопередатчиков сети доступа и других приложений, для которых требуются недорогие и высокопроизводительные приемники.

1.1.2 Приемник Кеннеди

Обычные когерентные оптические приемники, основанные на гомодинном детектировании, работают при предельном уровне шума, который значительно выше границы Хельстрома. Чтобы превзойти гомодинный приемник, Кеннеди предложил приемник, который основан на смещении состояний и детектировании однофотонного изображения. Для достаточно сильных сигналов приемник Кеннеди превосходит гомодинное детектирование, но не достигает границы Хельстрома, что видно на рис. 2.

Рис. 2. Сравнение вероятностей ошибок четырех идеальных схем детектирования. Обозначения, приведенные на рисунке: Eror probability - вероятность ошибки, Signal |б|² (mean photon number) - сигнал |б|² (среднее число фотонов), Kennedy receiver - приемник Кеннеди, Homodyne detection - гомодинное детектирование, Opt. disp. receiver - оптимальный приемник, Helstrom bound - граница Хельстрома

Приемник Кеннеди - это устройство, которое может различать двоичные когерентные состояния. Он работает на базовом уровне, сначала смещая поступающее состояние на б, и полученное состояние отправляется на однофотонный детектор, такой как фотоумножитель или лавинный фотодиод. Если состояние, полученное с лазерного источника, было , то состояние, считанное с детектора, будет , где - оператор смещения, который заменяет любое когерентное состояние на б. Этот сдвиг может произойти, если к делителю пучка света будет подключен другой когерентный квантовый источник в состоянии . Если состояние на выходе лазера , тогда суммарное выходное состояние равно , где указывает параметр вакуумной среды, т.е. . Одно из двух полученных состояний доходит и регистрируется на детекторе. Если на детектор поступает состояние , то детектирование выдаст квант света. Если результирующие состоянием представляет , то есть отсутствие какой-либо среды, то никакой регистрации не происходит, и на выходе будет минимум, или отсутствие кванта. Таким образом, можно предположить, что если квант был зарегистрирован, то изначальным было состояние . В обратном случае можно утверждать, что начальным было состояние .

При этом нет никакой уверенности, что результирующее состояние позволит детектору посчитать квант света, даже если условия эксперимента были приближены к идеальным. Из-за пуассоновского распределения фотонов в когерентном состоянии существует вероятность того, что никакие фотоны не могут быть обнаружены, независимо от того, насколько велико среднее число фотонов. Вероятность обнаружения отсутствия фотонов с состоянием , P₀, определяется пуассоновской вероятностью получения нулевых фотонов со средним числом фотонов, равным .

Таким образом, если детектор не обнаруживает фотонов, то не определено, какое состояние было передано. Ошибка неправильного предположения равна вероятности P_2б, что было передано состояние . Вероятность ошибки становится равной . Ошибка в различении двоичных когерентных состояний может быть минимизирована за счет смещения входящих состояний, подсчета фотонов и проведения исследований о том, какое входное состояние наиболее вероятно с учетом результатов детектирования.

1.1.3 Приемник Долинара

Для модернизации приемника, созданного Кеннеди, Долинар решил включить в свою схему обратную связью, показанную на рис. 3, с помощью которой будет происходить управление. В теории, приемник Долинара может достичь границы Хельстрома, но его практическая реализация ограничена по нескольким причинам. Во-первых, для достижения достаточно большого количества адаптивных итераций ширина полосы детектора и электронных компонентов должна быть намного больше, чем частота повторения символов. Кроме того, задержка обратной связи, ограниченная физическим размером схемы управления, должна быть намного короче, чем окно символов.

а) б)

Рис. 3. Различение когерентных оптических состояний

a) Приемник Кеннеди смещает исходный сигнал и измеряет его с помощью однофотонного детектора

б) Приемник Долинара в режиме реального времени использует обратную связь смещения Д(t), чтобы обнулить исходный сигнал. Обозначения, приведенные на рисунке: Initial signal - первоначальный сигнал, Displacement - смещение, Detector - детектор, Feedback - обратная связь.

Эти аспекты ограничивают практическую применимость приемника Долинара для использования в телекоммуникациях, поскольку низкая частота ошибок неизбежно связана с низкой частотой повторения символов. На практике имеет больше смысла использовать другие стратегии детектирования, которые обладают более высокой частотой ошибок, но в то же время допускают более высокую частоту повторения. Во-вторых, непрерывное измерение сигнала и быстрое управление с обратной связью предъявляют строгие требования к характеристикам детектора, а именно, к высокой квантовой эффективности, низкой скорости темнового счета, короткому времени простоя и небольшому временному джиттеру, которые очень трудно реализовать в эксперименте.

Приемник Долинара можно описать как измерительное устройство, созданное на базе приемника Кеннеди, предназначенное для различения двух или более когерентных квантовых состояний с низкими амплитудами, за счет добавления обратной связи и сдвига. Способность различать сигналы, закодированные в когерентном свете, находит применение в коммуникациях, где потери неизбежны, например, при передаче по оптоволоконному кабелю, через атмосферу или через дальний космос.

В идеальной цифровой связи нет двусмысленности между отправкой 0 и 1. Тем не менее, если информация передается посредством фазового кодирования в оптических когерентных состояниях, нет никакого способа идеально провести различие между любыми двумя когерентными состояниями. Это связано с тем, что когерентные состояния не ортогональны друг другу. Для любых двух когерентных состояний и всегда справедливо, что . Минимальная вероятность ошибки при условии, что с равной вероятностью существует вероятность отправки либо , либо , равна границе Хельстрома.



1.1.4 Другие модели

Впоследствии многие исследователи попытались реализовать приемники, используя аналогичную идею, которая может способствовать минимальному различению погрешности N (>2) когерентных состояний. Тем не менее, было показано, что ни один приемник, подобный Долинару, не может достичь границы Хельстрома. M. Сасаки и O. Хирота [12] попытались достичь минимальной ошибки при различении двух когерентных состояний путем реализации проективного измерения ранга 1. Между тем, поскольку унитарный оператор, использованный в результате работы М. Сасаки и О. Хироты, был негауссовским, его нельзя было реализовать с использованием линейной оптики. Чтобы достичь границы Хельстрома, М. П. да Сильва и др. использовали взаимодействие между квантовым компьютером и когерентными состояниями [13]. Между тем, Р. Хан и др. использовали взаимодействие Джейнса-Каммингса [14] между светом и двухуровневым атомом, чтобы продемонстрировать почти минимальную дискриминацию ошибок двух когерентных состояний с разными фазами [15].

K. Банасзек и Б. Хуттнер [16] показали, что светоделитель, фотонный детектор и объединитель лучей могут использоваться для выполнения оптимальной однозначной дискриминации двух когерентных состояний с одинаковой априорной вероятностью. Фактически, даже если однозначная дискриминация когерентных состояний изучена не так широко, как минимальная дискриминация когерентных состояний, она может быть реализована проще, чем минимальная дискриминация когерентных состояний. Например, приемник Долинара очень сложно реализовать из-за электрической обратной связи, но оптимальная однозначная дискриминация может быть реализована с помощью линейной оптики - даже когда вероятность первичного совпадения не идентична, без учета электрической обратной связи, квантового компьютера или взаимодействия Джейнса-Каммингса.

Следовательно, используя тот факт, что оптимальная однозначная дискриминация двух когерентных состояний с произвольной априорной вероятностью может быть достигнута с использованием делителя луча, объединителя луча и детектора фотонов, можно показать, что состояние после измерения двух неортогональных когерентных состояний может быть получено с использованием метода K. Банасзека и Б. Хуттнера [17]. Это измерение позволяет определить два последовательных когерентных состояния.

Модель Банашека [18] или модель, подобная Хуттнеру [19], может обеспечить оптимальную вероятность успеха. Когерентные оптические приемники могут линейно преобразовывать весь оптический сигнал в электрический сигнал основной полосы частот с помощью гетеродинного или гомодинного детектирования. Такие оптические приемники были тщательно изучены в 1980-х годах, потому что они имели следующие преимущества по сравнению с прямым детектированием:

1. Чувствительность приемника с ограниченным шумом может быть достигнута при достаточной мощности гетеродина. Он дает усиление сигнала, в то время как дробовой шум гетеродина подавляет тепловой шум приемника, таким образом достигая ограниченной чувствительности приемника.

2. Разрешение на промежуточной частоте или в основной полосе частот настолько высоко, что можно разделить близко расположенные каналы мультиплексирования с разделением по длине волны на стадии электрического сигнала.

3. Возможность обнаружения фазы может улучшить чувствительность приемника. Это связано с тем, что расстояние между символами, которые выражаются в виде векторов на комплексной плоскости, увеличивается за счет использования информации о фазе.

4. Многоуровневый формат модуляции, такой как квадратурная фазовая манипуляция, может быть введен в оптическую связь с использованием фазовой модуляции.

Ряд исследовательских групп поставили под сомнение эксперименты по оптической передаче с когерентными приемниками [20]. Однако изобретение волоконно-оптических усилителей на основе эрбия сделало ограниченную чувствительность приемника с ограниченным дробовым шумом менее значимой. Это связано с тем, что отношение сигнал/шум, передаваемого через цепь усилителя, определяется по накопленному усиленному спонтанному излучению, а не по дробовому шуму. Кроме того, даже в системах с неповторяющейся передачей волоконно-оптического усилителя, используемого в качестве предусилителя с низким уровнем шума, устраняет необходимость в когерентном приемнике с превосходной чувствительностью.

Технические трудности, присущие когерентным приемникам, также нельзя игнорировать. Для гетеродинного приемника требуется промежуточная частота, которая должна быть намного выше, чем частота передачи сигнала. С другой стороны, гомодинный приемник по существу является приемником основной полосы частот. Однако сложность стабильной блокировки дрейфа несущей фазы препятствует его практическому применению.

По этим причинам дальнейшие исследования и разработки в области когерентной оптической связи почти были прерваны. С другой стороны, быстрый прогресс в технологиях волоконно-оптических усилителей на основе эрбия полностью изменил направление исследований и разработок в оптической связи. Система на основе таких усилителей начала использовать преимущества технологий мультиплексирования с разделением по длине волны для увеличения пропускной способности одиночного волокна и привела к 1000-кратному увеличению пропускной способности в1990-х годах.



1.2 Когерентная оптическая связь

По своей сути, когерентная оптическая передача - это метод, в котором используется модуляция амплитуды и фазы света, а также передача сигнала в двух поляризациях, что позволяет передавать значительно больше информации по оптоволоконному кабелю. Используя цифровую обработку сигналов как на передатчике, так и на приемнике, когерентная оптика также предлагает более высокие скорости передачи данных, большую степень гибкости, более простые системы фотонных линий и лучшие оптические характеристики.

Когерентная оптика распространена в мировом масштабе. Мобильные приложения с высокой пропускной способностью, потоковая передача видео высокой четкости и новые облачные IT-приложения обеспечивают массовый и непредсказуемый характер трафика. Пропускная способность сети увеличивается на 25-50% каждый год, а системы, работающие на скорости 10 Гбит/с, просто не справляются с такой быстрой масштабируемостью.

Когерентная оптика решает проблемы пропускной способности, с которыми сталкиваются сетевые провайдеры. Она принимает единицы и нули в цифровом сигнале - мигание и затухание света в волокне - и использует сложную технологию для модуляции амплитуды и фазы этого света и отправки сигнала через каждую из двух поляризаций, вертикальную и горизонтальную. Таким образом, с помощью скорости света через оптоволоконный кабель передается значительно больше информации. Когерентная оптика обеспечивает производительность и гибкость для передачи значительно большего количества информации по одному и тому же волокну.

Когерентные оптические технологии составляют основу стремления отрасли к достижению скоростей передачи 100 Гб/с и выше, доставляя Терабиты информации по одной паре волокон. Цифровые сигнальные процессоры с помощью электроники компенсируют дисперсию хроматического и поляризационного режима, обеспечивая надежную работу как на старых, так и на новых волокнах, а также устраняют необходимость в компенсационных модулях с наклонной дисперсией из фотонной линии. Когерентная оптика обеспечивает большую гибкость и программируемость сети благодаря поддержке различных скоростей передачи и форматов модуляции. Это приводит к большей гибкости в линейных скоростях, с масштабируемостью от 100 Гб/c до 400 Гб/с и выше на одну несущую сигнала. Это обеспечивает повышенную пропускную способность данных при более низкой стоимости на 1 бит.

Усовершенствованная когерентная оптическая технология имеет ряд ключевых атрибутов, в том числе:

· Прямая коррекция ошибок с высоким коэффициентом усиления, которая позволяет сигналам проходить на большие расстояния, при этом требуется меньше точек регенерации или ретрансляции сигнала. Это позволяет сигналам с более высокой скоростью проходить дальше и приводит к более простой конструкции фотонных линий, меньшему количеству оборудования и более низким затратам, и, конечно же, значительно увеличивает пропускную способность.

· Формирование спектра, которое обеспечивает большую пропускную способность в каскадных реконфигурируемых оптических мультиплексорах, что приводит к увеличению спектральной эффективности для суперканалов. Формирование спектра имеет решающее значение в гибких сеточных системах, поскольку оно позволяет сжать носители ближе друг к другу, чтобы максимизировать пропускную способность.

· Программируемость, что означает, что технология может быть адаптирована для широкого спектра сетей и приложений, может поддерживать несколько форматов модуляции и/или различные скорости передачи данных, что позволяет операторам выбирать линии из множества скоростей. Полностью программируемые когерентные приемопередатчики предоставляют широкий спектр вариантов настройки с высокой степенью детализации между наращиваемыми емкостями, позволяя сетевым операторам преобразовывать избыточную прибыль в приносящие доход услуги.

· Явное уменьшение дисперсии, обеспечивающее лучшие оптические характеристики при более высоких скоростях передачи. Когерентные процессоры должны учитывать эффекты дисперсии после передачи сигнала по оптоволокну, включая компенсацию CD и PMD. Кроме того, когерентные процессоры улучшают допуски для зависимой от поляризации потери и должны быстро отслеживать состояние поляризации, чтобы избежать ошибок по битам из-за скачков цикла, которые в противном случае могли бы повлиять на оптические характеристики. В результате операторы могут использовать линейные скорости до 400 Гб/с на одну несущую на более длинных расстояниях, чем когда-либо. Сигналы с высокой скоростью передачи данных могут быть развернуты даже на старом волокне, которое ранее не поддерживало 10 Гб/c.

Когерентная оптическая связь широко изучалась в 1980-х годах [21], главным образом из-за высокой чувствительности приемника. Однако эти исследования и разработки были прерваны почти на 20 лет из-за быстрого прогресса в системах с высокой пропускной способностью при мультиплексировании с разделением по длине волны, использующих волоконные усилители на основе эрбия.

В 2005 году демонстрация оценки фазы несущей цифрового сигнала в когерентных приемниках вновь стимулировала широкий интерес к когерентной оптической связи [22]. Это связано с тем, что цифровой когерентный приемник позволяет нам использовать разнообразные спектрально эффективные форматы модуляции, такие как M-фазовая манипуляция и квадратурно-амплитудная модуляция. Кроме того, поскольку фазовая информация сохраняется после детектирования, мы можем реализовать электрические функции постобработки, такие как компенсация хроматической дисперсии и дисперсия поляризационных мод в цифровой области. Эти преимущества когерентного приемника имеют огромный потенциал для инноваций в существующих системах оптической связи.

Последовательное распознавание состояний представляет собой стратегию различения квантовых состояний отправителя, когда N получателей расположены отдельно. В квантовой физике, если квантовые состояния физической системы не ортогональны друг другу, определить квантовое состояние системы не всегда возможно. Поэтому, чтобы различить квантовое состояние, необходимо установить соответствующую стратегию. Различение квантовых состояний является важной темой исследований в области квантовой обработки информации.

Вычисленные оптимальные квантовые измерения часто очень сложны для реализации в реальной жизни из-за внутренней сложности при создании оптимальной базы измерения состояния суперпозиции. Этот тезис демонстрирует жизнеспособность использования квантовой обратной связи в реальном времени для физического достижения оптимального измерения. Во время простого процесса распознавания бинарных состояний когерентные оптические квантовые состояния смещаются в соответствии с оптимальным решением обратной связи. Результирующая вероятность ошибки измерения превосходит вероятность простого подсчета фотонов, называемого пределом дробового шума, и приближается к истинному пределу, установленному квантовой механикой, обнаруженному Хельстромом более тридцати лет назад [23].

Принятие фундаментальных квантовых свойств, таких как принципы неопределенности и инвазивные измерения, сводится к пониманию того, что полное знание квантовой системы часто недостижимо. Есть ограничения в понимании квантовой системы или состояния по разным причинам, но особенно интерес вызывает инвазивная природа измерений. С информационной точки зрения измерение - это любой процесс, который позволяет получить знания. В процессе измерения квантовые состояния изменяются недетерминированным, необратимым образом. Это означает, что нельзя повторно измерить состояние, чтобы узнать все, что можно о нем знать. Если дается одна копия квантовой системы, и цель - определить ее состояние как можно точнее, то имеется только один шанс сделать это путем измерения.

В квантовой механике фундаментальная проблема заключается в извлечении информации, содержащейся в квантовом состоянии. Простой первый шаг в этом процессе - определить неизвестное состояние или, более конкретно, провести различие между квантовыми состояниями. Можно попытаться сделать это с помощью измерения, но, поскольку прирост информации, обеспечиваемый квантовым измерением, ограничен, необходимо использовать наилучшее из возможных измерений. Пытаясь узнать о квантовой системе, обычно можно оптимизировать набор возможных квантовых измерений. Тем не менее, результат, как правило, очень трудно, а часто почти невозможно реализовать в реальной жизни.

Практическая реализация может быть осуществлена путем использования квантового измерения с обратной связью в реальном времени. Во время подсчета измерения смещения когерентного состояния выполняются для оптимизации возможности его правильной идентификации. Выполняя квантовую обратную связь, больше не нужно рассматривать все возможные статистические результаты, чтобы сделать оптимальное квантовое измерение. Таким образом, измерение в замкнутом контуре обходится дешевле в лаборатории без потери теоретической оптимальности. Это может служить доказательством того, что квантовая обратная связь является проверенным средством для подражания оптимальным квантовым измерениям в реальной жизни.

Квантовая механика препятствует возможности определять состояние физической системы двумя способами: отдельные измерения дают только частичную информацию о наблюдаемой системе (из-за неопределенности Гейзенберга), а измерения сами по себе являются инвазивными - это означает, что дальнейшее улучшение будет незначительным или вообще не будет достигнуто наблюдение за уже измеренной системой. Теоретические методы были разработаны, чтобы максимизировать информацию, полученную от квантового измерения, в то же время минимизируя возмущение, но лабораторная реализация оптимальных процедур измерения часто затруднена. Стандартный класс операций, рассматриваемый в квантовой теории информации, имеет тенденцию полагаться на суперпозиционные и запутанные измерения, которые требуют высокой точности реализации, чтобы быть эффективными в лаборатории. Но квантовая обратная связь в реальном времени может использоваться вместо тонкой квантовой суперпозиции, часто называемой «состоянием кота Шредингера». Этот процесс использует квантовую обратную связь для изменения статистики в противном случае неоптимального оператора для эмуляции оптимального измерения состояния. Поэтому необходимо проверить давний теоретический прогноз и продемонстрировать опосредованное обратной связью квантовое измерение в его фундаментальном квантовом пределе в нетривиальной области пространства параметров.

В нынешних условиях нет возможности создать измерительное устройство для безошибочного различения двух неортогональных квантовых состояний. Это утверждение квантовой механики применимо и для двух изначально определенных когерентных состояний (например, сигнала |?б? и |+б?). С одной стороны, эта невозможность является возможностью, которая делает непрерывным переменное распределение квантовых ключей безопасным. С другой стороны, это является помехой для классического общения, где информация обычно кодируется в двух последовательных состояниях. В связи с тем, что идеальное различение двух когерентных состояний пока неосуществимо, первостепенной целью является разработка и практическая реализация измерительного устройства, которое обеспечит получение корректной и достоверной информации о неортогональных квантовых состояниях или уменьшит вероятность возникновения ошибок. Эта стратегия известна как минимальная дискриминация ошибок. Было предложено несколько оптимальных и почти оптимальных приемников. Недавно два из них были экспериментально продемонстрированы [24], другой подход - вероятностная стратегия, известная как однозначное детектирование состояний. Это измерение дает либо безошибочный, либо неубедительный результат. Эти два варианта представляют собой граничные случаи для более распространенной схемы, которая позволяет возникать ошибкам. Есть вероятность, что можно добиться минимального получения ошибок и некорректными данными. Можно предположить, что при снижении ошибок, есть возможность найти такое число минимальных ошибок, при котором полученные данные можно рассматривать как корректные.

1.2.1 Когерентные состояния

В физике, в частности в квантовой механике, когерентное состояние - это конкретное квантовое состояние гармонического осциллятора, часто описываемое как состояние, динамика которого наиболее напоминает колебательное поведение классического гармонического осциллятора. Квантовый гармонический осциллятор и, следовательно, когерентные состояния возникают в квантовой теории широкого спектра физических систем.

Концепция когерентных состояний была значительно абстрагирована; это стало главной темой в математической физике и в прикладной математике, с приложениями, варьирующимися от квантования до обработки сигналов и обработки изображений. В квантовой оптике когерентное состояние относится к состоянию квантованного электромагнитного поля, что описывает максимальную согласованность и классический тип поведения.

В классической оптике свет рассматривается как электромагнитные волны, излучаемые источником. Часто когерентный лазерный свет рассматривается как свет, излучаемый многими такими источниками, которые находятся в одной фазе. На самом деле, картина того, что один фотон находится в фазе с другим, в квантовой теории не верна. Лазерное излучение производится в резонансной полости, где резонансная частота полости равна частоте, связанной с атомными электронными переходами, обеспечивающими поток энергии в поле. По мере накопления энергии в резонансной моде вероятность стимулированного излучения, только в этой моде, увеличивается. Процесс излучения является очень случайным в пространстве и времени. В лазере, однако, свет излучается в резонансную моду, и эта мода очень когерентна. Таким образом, лазерный свет идеализируется как когерентное состояние.

1.2.2 Современные когерентные технологии

Чувствительность поляризации когерентного приемника была одним из наиболее серьезных недостатков обычного когерентного приемника. Однако эта проблема была преодолена путем введения поляризационного разнесения в цифровой когерентный приемник, где выравнивание поляризации может быть выполнено в цифровой области.

Следующим моментом, который следует подчеркнуть, является то, что когерентный приемник может демодулировать любой вид многоуровневых форматов модуляции. Поляризационное мультиплексирование всегда может удвоить скорость передачи данных.

Еще одним важным преимуществом цифрового когерентного приемника является функция последующей обработки сигналов. Процесс демодуляции когерентным приемником является полностью линейным, следовательно, вся информация о комплексной амплитуде передаваемого оптического сигнала, включая состояние поляризации, сохраняется даже после обнаружения. Таким образом, мы можем выполнить обработку сигналов: спектральная фильтрация, компенсация хроматической дисперсии и компенсация дисперсии поляризационных мод на электрической ступени после обнаружения. Следует подчеркнуть, что, хотя дисперсия изменяется во времени, цифровой когерентный приемник может адаптивно выравнивать его.

Работа когерентного приемника в режиме реального времени со скоростью 11,5 Гбит/с является действительно важной вехой в развитии современной когерентной оптической связи. Используя определенный формат модуляции и поляризационное мультиплексирование, в режиме реального времени была получена пропускная способность 46 Гбит/с.

Современная волоконно-оптическая когерентная связь запускает расширенные форматы модуляции более высокого порядка, чем четыре состояния, такие как квадратурная амплитудная модуляция 16-128, что требует сложных более узких гетеродинов (ширина линии < 100 кГц) по сравнению с лазерами с обычной распределенной обратной связью (ширина линии > 1 МГц). С другой стороны, значительное несоответствие частоты между лазером передатчика (несущей) и лазером гетеродина приемника происходит в системах когерентной оптической передачи, что сильно влияет на фазовый шум, создающий фазовую когерентность.

Более конкретно, из-за несоответствия частоты лазера передатчика и гетеродина происходит смещение несущей частоты (обычно изменяющееся во времени), и, поскольку передатчик и лазеры гетеродина не имеют фазовой синхронизации, это требует стадии восстановления несущей фазы на приемнике. Для устранения этого несоответствия частоты традиционно используется функциональный блок дополнительной цифровой обработки сигналов, который увеличивает вычислительную нагрузку и, потенциально, как мощность электронной обработки, так и задержку. Это считается критически важным для будущих межмашинных коммуникаций в реальном времени, таких как дистанционная медицина, финансовая торговля, облачные вычисления и Интернет вещей.

В то время как в предыдущих исследованиях была рассмотрена индуцированная Керром нелинейность волокон, которая является критической для когерентной оптической связи на большие расстояния, в настоящее время нет решения, позволяющего ослабить строгие требования к модулям цифрового сигнального процессора и усовершенствованным форматам модуляции в отношении затрат и энергии. Высокочувствительные средства связи ближнего радиуса действия, такие как масштабные центры обработки данных и сети доступа и городских сетей (включая 5G), которые стали согласованно-ориентированными для поддержки пропускной способности > 100 Гбит/с. Были продемонстрированы альтернативные подходы для практических систем когерентной связи ближнего действия: например, системы Крамера-Кронига [25] уменьшают оптическую сложность приемника за счет использования одного фотодиода; однако, продвинутый цифровой сигнальный процессор все еще необходим.

Когерентная технология, в которой лазер излучается вместе с сигналом, ослабляет требования к цифровому сигнальному процессору, поскольку устраняет необходимость компенсации сдвига частоты между лазером передатчика и гетеродином. Тем не менее, для модуляции с одной несущей эта технология жертвует одной из двух ортогональных поляризаций волокна, чтобы соответствовать оптической несущей, которая вдвое уменьшает пропускную способность. Для схем с несколькими несущими, таких как самокогерентное оптическое ортогональное мультиплексирование с частотным разделением, обычно требуется большая защитная полоса несущей (то есть, частотный интервал, который отбрасывает множество средних поднесущих) для фильтрации несущей, которая значительно ограничивает пропускную способность сигнала. Сообщалось о недавних решениях по восстановлению несущей, использующих лазеры с инжекционной синхронизацией и фильтры Фабри-Перо, но им не хватает спектрального разрешения, необходимого для высокой спектральной эффективности, или требуются высокоточные аналоговые устройства слежения за несущей в приемнике.

В качестве следующих шагов ниже приведены технические проблемы, которые необходимо решить и решить до того, как в будущем будет реализована практическая когерентная система оптической связи.

1. Гибридная интеграция плоских световых цепей для разности фаз и поляризации, двухбалансовых фотодиодов и гетеродина является важной технической задачей, которая позволяет снизить стоимость когерентного приемника.

2. Перестраиваемый гетеродин с узкой шириной линии по-прежнему является ключевым компонентом высокопроизводительного когерентного приемника.

3. Высокоскоростная работа когерентного приемника основана на разработке высокоскоростных АЦП. Метод демультиплексирования с временным разделением и импульсным гетеродином является альтернативным подходом, который может преодолеть ограничение скорости АЦП.

4. В ядре цифрового сигнального процессора должна быть доступна более гибкая обработка сигналов.

5. Для передачи на большие расстояния многоуровневых оптических сигналов нелинейность волокна в конечном итоге ограничивает производительность системы.

Комбинация когерентного обнаружения и цифровой сигнальный процессор обеспечивает новые возможности, которые были бы невозможны без обнаружения фазы оптического сигнала.

Выводы

В обзорном анализе рассмотрено последовательное различение двух когерентных состояний, которое стоит распространить на случай N когерентных состояний. К сожалению, до настоящего времени оптимальная однозначная дискриминация для N когерентных состояний не была показана. Несмотря на то, что Ф. Е. Бесерра и др. [26] предложили недвусмысленную дискриминацию четырех симметричных когерентных состояний, проект не обеспечивает оптимальной вероятности успеха. Следовательно, необходимо более глубокое понимание оптимальной однозначной дискриминации для N когерентных состояний.

После этого задача состоит в том, чтобы провести различие между двумя неортогональными когерентными состояниями с минимальной вероятностью ошибки, которая теоретически определяется границей Хельстрома. В течение последнего десятилетия теоретически было предложено много решений [27], основанных на гомодинном детектировании, детекторах с разрешением числа фотонов или гибридных приемниках.

Таким образом, глобальной задачей является создание квантового оптического приемника для регистрации фазово-модулированного сигнала. В этом квантовом приемнике можно выделить 3 основные составные части: оптическая схема (в нашем случае будет использоваться приемник Кеннеди, описанный в разделе 1.1.2), однофотонный детектор и электроника. Работа посвящена разработке электроники, а именно приемного модуля, который должен распознавать экстремально слабые, на уровне квантовых шумов, оптические сигналы. Приемная система должна решать следующие задачи:

· регистрация импульсов напряжения с однофотонного детектора

· генерация сигналов, подаваемых на фазовращатель (как случайных, так и периодических)

· обработка полученных данных.



2. Описание приемного модуля

В среде Altium Designer была разработана электрическая схема. Она представлена в Приложении 1. Была спроектирована печатная плата. Она представлена в Приложении 2.

2.1 Принцип работы

Рис. 4. Блок-схема экспериментальной установки

Экспериментальная оптоволоконная установка, изображенная на рис. 4, предназначена для регистрации фазово-модулированного сигнала с помощью приемника Кеннеди. Излучение с маломощного лазерного источника аттеньюируется и делится делителем света с помощью контроллера поляризации. Свет с большей мощностью сдвигается по фазе фазовым модулятором, или фазовращателем 2, и называется локальным генератором. После этого сигнал на фазовращателе 1 и локальный генератор снова сбиваются вместе и детектируются однофотонным детектором. Сигнал с детектора поступает на приемный модуль, который необходим для анализа кликов детектора.

Сигнал с однофотонного детектора, имеющий импульсную форму, через SMA разъемы поступает в приемный модуль на компаратор. Два положительных (неинвертируемых) входа компаратора подключаются к детектору, на два отрицательных (инвертируемых) входа компаратора поступают сигналы смещения от цифро-аналогового преобразователя.

В компараторе задается уровень компарации. Если разница между инвертируемым и неинвертируемым входами положительная, то на выходе будет положительный сигнал, если отрицательная - то отрицательный сигнал. Так будет регистрироваться логическая «1» при совпадении фаз в фазовращателе 1 и 2 или логический «0» при сдвиге фазы на р. Если уровень компарации низкий, то на детекторе будет много срабатываний, поскольку они будут определяться шумами. Если уровень компарации высокий, то срабатываний совсем не будет, так как амплитуда импульса ограничена.

Компаратор нужен, чтобы преобразовать аналоговый сигнал детектора в цифровой для дальнейшей работы с ним. Уровень компарации меняется при помощи ЦАП, тем самым есть возможность выбирать оптимальный уровень компарации. Цифро-аналоговый преобразователь выдает два уровня напряжения, два соответствующих канала которых идут на компаратор. Эти два быстро переключающихся уровня подключаются к выходу ключа. Высокочастотный переключатель нужен для того, чтобы формировать уровни напряжения фазовращателя с разными фазами, т.е. он формирует сигнал для фазовращателя 1.

С компаратора сигнал заводится в ПЛИС, которая поочередно переключает входы цифро-аналогового преобразователя. Интегральная схема необходима, для того чтобы принимать сигналы, управлять ключами и работать с остальными модулями на плате.

Переключатель управляет внешним фазовым модулятором, а именно фазой сигнала, путем подачи на него двух напряжений. Они снимаются с выхода цифро-аналогового преобразователя. Эти два напряжения сменяют друг друга, тем самым быстро переключая фазу. Если фазы сигнала на фазовращателя 1 и локального генератора на фазовращателе 2 совпадают, то сигнал на детекторе максимальный и наблюдается наложение волн, то есть интерференция. Если фазы не совпадают, то сигнал на детекторе минимальный. В первом случае можно наблюдать и регистрировать фотоны, во втором случае они отсутствуют.

Для подключения к персональному компьютеру или ноутбуку используется блок USB. Именно с его помощью можно загрузить программное обеспечение для работы платы. Он обеспечивает работу приемного модуля, синхронизирует и обеспечивает точность приема и передачи данных. USB микроконтроллер обменивается необходимыми данными с ПЛИС, и устанавливает тип устройства. Драйвер устройства анализирует состояние и производит автоматический выбор необходимой прошивки ПЛИС.

Вспомогательный модуль платы - блок питания, который питает все элементы платы и создает все необходимые напряжения для работы платы. На его входе стоит фильтр, необходимый для непропускания и уменьшения шумов и помех.

2.2 Назначение

Устройство предназначено для оптимального различения когерентных оптических состояний, т.е. детектирования экстремально слабых оптических сигналов.

С помощью разрабатываемого электронного устройства производится управление оптоволоконным фазовращателем, далее происходят оптические преобразования, результат которых регистрируется с помощью однофотонного детектора. После чего сигнал с детектора (в виде импульсов напряжения) регистрируется с помощью разрабатываемой электроники, и с помощью этой же электроники производиться обработка данных. На рис. 5 изображен последовательный ход эксперимента:

...