Развитие квантовых коммуникаций требует создания высокочувствительных детекторов, способных регистрировать единичные фотоны с высокой скоростью и минимальным уровнем шума. Передача квантовой информации по наземным волоконно-оптическим линиям ограничена несколькими сотнями километров из-за затухания сигнала, поэтому одним из наиболее перспективных направлений является спутниковая квантовая связь. Для таких систем особый интерес представляют однофотонные лавинные фотодиоды ближнего инфракрасного диапазона (Near Infrared Single Photon Avalanche Diode, NIR SPAD), работающие в гигагерцевом режиме. Компания AUREA Technology совместно с Европейским космическим агентством (ESA) и Национальным центром космических исследований Франции (CNES) разрабатывает новое поколение таких детекторов в рамках проектов TEQUANTS и IQUPHOS.
Введение
Применение NIR SPAD
Однофотонные детекторы ближнего инфракрасного диапазона незаменимы для различных областей применения, требующих регистрации экстремально слабых уровней света. Эти области включают в себя сети квантовой связи, такие как квантовое распределение ключей (QKD), сети квантовой информации (QIN), атмосферное лазерное сканирование и обнаружение (LIDAR), лазерную локацию спутников, оптический трекинг космического мусора на орбите, а также волоконно-оптическую сенсорику, например, оптическую рефлектометрию во временной области (OTDR).
Зачем нужны гигагерцовые NIR SPAD?
Современные системы квантовой связи предъявляют высокие требования к скорости регистрации одиночных фотонов, поскольку именно характеристики детектора во многом определяют производительность канала связи и эффективность квантового распределения ключей. Существующие InGaAs/InP SPAD, несмотря на широкое распространение, имеют ряд ограничений, препятствующих их применению в высокоскоростных квантовых коммуникациях. К ним относятся эффект послеимпульсов (afterpulsing), длительное мёртвое время и паразитные электрические помехи. Для повышения скорости счёта ранее предлагались методы балансного детектирования с фиктивным диодом, самовычитания (self-differencing) и подавления гармоник, однако их промышленная реализация связана со значительными технологическими сложностями. Например, изготовление на одном кристалле пары лавинных фотодиодов с идентичными характеристиками сопряжено с трудностями, вследствие чего коммерческие образцы таких устройств на данный момент отсутствуют. Метод самовычитания требует исключительно высокой точности настройки линии задержки и характеризуется проблемами со стабильностью работы.
В качестве альтернативы предложен метод синусоидального быстрого стробирования (sinusoidal fast gating), при котором на SPAD подается синусоидальный сигнал с частотой 1 ГГц. В сочетании с постоянным напряжением смещения он переводит фотодиод в режим лавинного пробоя лишь на несколько сотен пикосекунд, что позволяет снизить вероятность возникновения послеимпульсов и значительно увеличить максимальную скорость счета.
Поскольку сигнал стробирования существенно превышает по амплитуде полезный сигнал от зарегистрированного фотона, в конструкции используется многорежекторный (multi-notch) фильтр, подавляющий основную частоту и ее гармоники. Это обеспечивает надежное выделение сигнала одиночного фотона и стабильную работу детектора на гигагерцовых частотах.
Преимущества разработки AUREA Technology
Для большинства коммерческих NIR SPAD максимальная скорость счёта не превышает 20 МГц. Детектор AUREA Technology обеспечивает существенно более высокую производительность — до 200 МГц, что примерно в десять раз превышает показатели типичных аналогов.
При этом уровень темновых срабатываний остается менее 200 счётов в секунду, временной джиттер составляет менее 200 пс, а минимальное мертвое время достигает всего 5 нс. Подобные характеристики обеспечивают высокую точность измерений даже при крайне слабом уровне принимаемого сигнала.
Коммерческая реализация GIGAXEA
Разработанная технология реализована в коммерческом детекторе одиночных фотонов GIGAXEA (Рисунок 1), выпускаемом компанией AUREA Technology. Устройство предназначено для регистрации сверхслабых оптических сигналов в системах квантовой связи, лазерной дальнометрии, лидарных комплексах и других фотонных приложениях, требующих высокой скорости счета и низкого уровня шумов.
Рисунок 1 - Внешний вид гигагерцевого детектора одиночных фотонов GIGAXEA, работающего в спектральном диапазоне 900–1700 нм.
Заключение
Разработка гигагерцовых детекторов одиночных фотонов является важным этапом развития современных фотонных технологий. Использование метода синусоидального быстрого стробирования позволило преодолеть ограничения традиционных InGaAs/InP SPAD, связанные с послеимпульсами, длительным мертвым временем и ограниченной скоростью счёта. Реализация данной архитектуры в детекторе GIGAXEA обеспечивает высокую скорость регистрации одиночных фотонов, низкий уровень темнового счета и высокое временное разрешение. Это делает прибор перспективным решением для систем квантового распределения ключей, спутниковых квантовых коммуникаций, лидарных комплексов и других приложений, требующих высокоточной регистрации сверхслабых оптических сигналов.
Компания INSCIENCE поставляет оборудование AUREA Technology для квантовой оптики, квантовых коммуникаций и исследований в области регистрации одиночных фотонов. С ассортиментом приборов и техническими характеристиками можно ознакомиться на сайте INSCIENCE.
Для подбора оптимальной конфигурации под Ваши задачи воспользуйтесь кнопкой запроса.