Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 15
1.1. Прикладные системы квантовой информатики 15
1.2. Квантовые системы безопасной передачи данных 16
1.3. Квантовые протоколы безопасной передачи данных
1.3.1 Принципы организации квантовых протоколов безопасной передачи данных на примере протокола BB84 18
1.3.2 Протоколы квантовой передачи информации в устройствах квантовой коммуникации высокой дальности 21
1.4. Методы компенсации воздействий внешних условий на линию связи
1.4.1 Согласование базисов отправителя и получателя на примере устройств квантовой коммуникации типа “Plug and Play” 25
1.4.2 Синхронизация модулей отправителя и получателя 28
1.5. Устройства квантовой передачи информации на боковых частотах модулированного излучения 33
1.5.1. Формирование сигналов в устройствах квантовой передачи
информации на боковых частотах модулированного излучения 33
1.5.2 Экспериментальная реализация устройств квантовой коммуникации на
боковых частотах 36
1.5.3 Квантовая передача информации на боковых частотах в волоконно-оптической сети 38
1.5.4 Спектральное уплотнение каналов в системах квантовой передачи информации на боковых частотах 40
1.5.5 Компенсация поляризационных искажений в устройствах квантовой передачи информации на боковых частотах
1.6. Рекордные параметры в квантовой коммуникации 44
1.7. Выбор направления исследований. Цель и задачи работы 45
Глава 2. Объект, методы и аппаратура исследования 48
2.1. Применяемый подход к формированию квантового канала на боковых частотах 48
2.2. Формирование боковых частот в спектре. Экспериментальное исследование 53
2.3. Разделение квантового и классического сигналов в спектре 55
2.4. Кодирование сигнала 57
2.5. Протокол кодирования 59
2.6. Выводы по главе 61
Глава 3. Синхронизация и согласование фаз генераторов отправителя и получателя устройства квантовой связи на боковых частотах 62
3.1. Формирование управляющих сигналов устройства 62
3.2. Синхронизационная подсистема 63
3.3. Оценка допустимой погрешности установки фазы управляющих сигналов 65
3.4. Оценка допустимой погрешности установки амплитуды управляющих сигналов 66
3.5. Расчёт периодичности корректировки фазы модулирующих сигналов
3.6. Методы подстройки генераторов отправителя и получателя 69
3.7. Программа контроля квантовых ошибок по битам 71
3.8. Экспериментальное исследование режимов работы подсистемы синхронизации 73
3.9. Выводы по главе 78
Глава 4. Методы компенсации неконтролируемого изменения поляризации в оптических волокнах 80
4.1. Влияние неконтролируемого изменения поляризации на характеристики передачи квантового сигнала 80
4.2. Математическое моделирование поляризационных искажений сигнала
4.3. Модуль компенсации поляризационных искажений с низкими потерями 84
4.4. Экспериментальное исследование 86
4.5. Выводы по главе 88
Глава 5. Исследование параметров устройства квантовой передачи информации на боковых частотах модулированного излучения 89
5.1. Разработка функциональной семы устройства 89
5.2. Экспериментальный стенд 91
5.3. Исследование параметров скорости и дальности передачи квантовых битовых последовательностей 93
5.4. Исследование параметра квантового коэффициента ошибок 95
5.5. Внедрение в городской инфраструктуре 96
5.6. Выводы по главе 99
Заключение 100
Список литературы
- Принципы организации квантовых протоколов безопасной передачи данных на примере протокола BB84
- Разделение квантового и классического сигналов в спектре
- Оценка допустимой погрешности установки фазы управляющих сигналов
- Исследование параметров скорости и дальности передачи квантовых битовых последовательностей
Введение к работе
Актуальность темы
Динамичное развитие информационных технологий и систем удаленного управления существенно повышают потребность в новых принципах передачи, приема и обработки информации, в основу которых в ближайшем будущем могут лечь технологии квантовой информатики.
Перспективным подходом, обеспечивающим возможность передавать квантовые состояния в распределённых квантовых информационных системах, в частности, в целях обеспечения безопасности передачи данных является технология квантовой коммуникации.
Метод квантовой коммуникации на боковых частотах модулированного излучения позволяет эффективно интегрировать построенные на этом принципе устройства в волоконно-оптические линии связи за счет ряда преимуществ, в числе которых: отсутствие сложных распределенных интерферометрических схем; упрощение задачи фазового согласование модулей отправителя и получателя; существенное повышение спектральной эффективности использования волоконно-оптической линии связи и др.
Однако дальнодействующих высокоскоростных квантовых коммуникационных систем на боковых частотах модулированного излучения ранее создано не было, что обусловлено рядом факторов, ограничивающих характеристики этих устройств, в числе которых: отсутствие эффективной оптической синхронизационной подсистемы, обеспечивающей возможность реализации метода квантовой коммуникации на боковых частотах на дальние расстояния; проблема разработки блока получателя, обладающего низкими потерями, эффективность работы которого не зависит от неконтролируемого изменения поляризации в канале связи, разработка методов применения высокоэффективных приемных систем, высокоскоростной генерации квантовых состояний со стороны отправителя и др. Решение этих и других задач позволит расширить потенциал квантовых систем связи для их широкого применения и повысить эффективность их внедрения в действующей информационной инфраструктуре.
Цель работы - разработка высокоскоростной дальнодействующей системы квантовой коммуникации на боковых частотах модулированного излучения, не чувствительной к неконтролируемому изменению поляризации в оптических волокнах.
При выполнении диссертационной работы решались следующие задачи:
-
Разработка метода повышения видности сигнала в системах квантовой передачи информации на боковых частотах, основанного на динамической подстройке управляющих генераторов модулей отправителя и получателя.
-
Разработка и экспериментальная реализация способа компенсации неконтролируемого изменения поляризации в волоконной линии оптической связи, характеризующегося низким уровнем потерь сигнала.
-
Разработка функциональной схемы и экспериментальная реализация оптико-электронного устройства квантовой передачи информации на боковых частотах, включающую подсистему непрерывной синхронизации модулей отправителя и получателя, подсистему компенсации неконтролируемого изменения поляризации в оптическом волокне.
-
Экспериментальная демонстрация передачи квантовых состояний на основе технологии квантовой коммуникации на боковых частотах модулированного излучения в телекоммуникационной линии связи дальностью свыше 250 км
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
Разработана и применена оригинальная методика синхронизации модулей отправителя и получателя системы квантовой передачи информации на боковых частотах модулированного излучения высокой дальности по оптическому каналу, а также методика компенсации, в таких системах, неконтролируемого изменения поляризации сигнала в волоконно-оптической линии связи.
Экспериментально продемонстрирована квантовая рассылка ключа на боковых частотах модулированного излучения со скоростью свыше 1 Мбит/с и на расстояния свыше 250 км.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
Разработанные методы и подходы позволили скомпенсировать негативные эффекты, возникающие в волоконно-оптических линиях связи и ограничивающие дальность и скорость квантовой передачи информации на боковых частотах модулированного излучения, что позволило создать устройство квантовой передачи информации на боковых частотах с рекордными в своем классе параметрами. Результаты работы внедрены в НИР и ОКР, проводившимися Университетом ИТМО, в производство ООО «Кванттелеком», а также применяются в учебном процессе.
Защищаемые положения и результаты:
-
Непрерывная синхронизация радиочастотных модулирующих сигналов отправителя и получателя оптическим сигналом с пониженной частотой и последующим восстановлением фазы посредством алгоритма автоматической подстройки позволяет увеличить дальность квантовой передачи информации на боковых частотах модулированного излучения.
-
Раздельная однопроходная модуляция поляризационных мод квантового сигнала систем квантовой передачи информации на боковых частотах позволяет компенсировать изменение поляризации в волоконно-оптической линии связи, не приводя, при этом, к существенному увеличению потерь в блоке получателя.
-
Разработанная оптико-электронная система квантовой передачи информации на боковых частотах модулированного излучения с компенсацией неконтролируемого изменения поляризации и оптической синхронизацией
демонстрирует рекордные скорость и дальность генерации квантовых бит в линиях связи телекоммуникационного стандарта: для дистанций менее 1 км скорость составляет 1 Мбит/с, для расстояния 200 км - 0,2 кбит/с. Предельная дистанция превышает 250 км (45 дБ потерь в линии связи).
Апробация работы
Результаты диссертационной работы апробировались на 17 Международных и Российских конференциях: CLEO-2015, San-Jose, USA; VII, VIII Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики» (Санкт-Петербург, 2012, 2014 г.); Ш Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике, 2014 года Москва; 1st International School and Conference "Saint-Petersburg OPEN 2014", Saint-Petersburg, 2014; Information Photonics 2013 Conference, Warsaw; The Fundamentals of Laser Assisted Micro-and Nanotechnologies, 2013, Saint-Petersburg; “Mathematical Challenge of Quantum Transport in Nanosystems”, 2013, Saint-Petersburg; X юбилейный Международный симпозиум по фотонному эхо и когерентной спектроскопии ФЭКС'2013, г. Йошкар-Ола; Всероссийский конгресс молодых ученых, Санкт-Петербург, 2011, 2012, 2013; семинар «Защита информации: фундаментальные науки и прикладные аспекты», Казань, 2012; X Международная конференция «Прикладная оптика-2012», Санкт-Петербург, International Conference «Laser Optics», Saint-Petersburg 2012, 2014; XL научная и учебно-методическая конференция СПБГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2011; V Всероссийская научно-техническая конференция "Радиолокация и радиосвязь", Москва, 2011; II Всероссийская научно-техническая конференция "Проблема комплексного обеспечения информационной безопасности и совершенствование образовательных технологий подготовки специалистов силовых структур”, Санкт-Петербург 2011 г.
Объектом исследования является образец оптико-электронной системы квантовой передачи информации на боковых частотах модулированного излучения с компенсацией неконтролируемого изменения поляризации и оптической синхронизацией.
Достоверность научных положений. При проведении исследований применялись утверждённые методики и аттестованное оборудование. Математическое моделирование и обработка экспериментальных данных осуществлялись при помощи пакетов прикладных программ MathCad и Matlab. Представленные и обсуждаемые в диссертации результаты согласуются с известными данными, полученными, в том числе и за рубежом.
Внедрение результатов
Результаты представленных исследований используются в промышленном производстве квантовых коммуникационных устройств на базе технологии квантовой связи на боковых частотах компаниями ООО «Кванттелеком» и ООО «Квантовые Коммуникации», а также
применяются в учебном процессе Университетом ИТМО (магистерская программа «Квантовая информатика», направление подготовки 12.04.03 «Фотоника и оптоинформатика»)
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 12 статьях, входящих в список ВАК и 2 авторских свидетельствах. Полный перечень публикаций по теме работы, состоящий из 28 работ.
Структура и объем диссертации
Принципы организации квантовых протоколов безопасной передачи данных на примере протокола BB84
BB84 — исторически первый протокол квантовой коммуникации [11], который используется по сей день, в частности, в коммерческих системах [5]. Протокол оперирует четырьмя поляризационными или фазовыми состояниями света в двух базисах – диагональном и вертикально-горизонтальном.
Алгоритм формирования квантовых битовых последовательностей для рассматриваемого протокола состоит в следующем. На первом этапе участники договариваются, как они будут интерпретировать каждое из состояний фотонов в базисах (к примеру, в горизонтальном базисе 0 может соответствовать вертикальная поляризация, а 1 - горизонтальная). Затем отправитель посылает отдельные фотоны получателю в произвольно выбранном базисе, используя при выборе генератор случайных чисел. Одиночные фотоны могут посылаться все вместе или один за другим, единственное ограничение состоит в том, чтобы отправитель и получатель смогли установить взаимно однозначное соответствие между посланным и принятым фотоном. Получатель измеряет принимаемые фотоны в одном из двух базисов, также выбираемых произвольно (и независимо от выбора отправителя). На данном этапе в случае использования одинаковых базисов они получают абсолютно коррелированные результаты. Однако в случае использования различных базисов они получают некоррелированные результаты.
В среднем получатель получает строку битов с 25 % ошибок, называемую сырым ключом. Эта ошибка настолько велика, что использование стандартных алгоритмов коррекции ошибок невозможно. Тем не менее, можно провести следующую процедуру, называемую согласованием базисов: для каждого переданного состояния получатель открыто сообщает, в каком базисе проводилось измерение (но не сообщает результатов измерений). Отправитель затем сообщает, в каких случаях её базис совпал с базисом получателя. Если базисы совпали, бит оставляют, если же нет, его игнорируют. В таком случае примерно 50 % данных выбрасывается. Оставшийся более короткий ключ называется «просеянным». В случае отсутствия подслушивания и шумов в канале связи отправитель и получатель будут теперь иметь полностью коррелированную строку случайных битов, которая будет в дальнейшем использоваться в схемах классической симметричной криптографии. Ошибки, вызванные шумами и прослушиванием канала нелегитимным пользователем, в каждом случае могут быть идентифицированы и устранены, однако эта проблема выходит за рамки данной работы.
Блок отправителя состоит из четырех лазерных диодов (LD), которые излучают короткие импульсы света длительностью 1 нс. Поляризация фотонов выбирается из -45, 0, +45 и 90. Для передачи одного бита активизируется один из лазерных диодов. Затем импульсы ослабляются набором фильтров для обеспечения условия однофотонности, т. е. среднее количество фотонов в импульсе выбирается менее одного. После этого фотон излучается по направлению к блоку получателя. Импульсы, достигая станции получателя, проходят через набор волновых пластинок, используемых для восстановления исходных поляризационных состояний путем компенсации изменений, внесенных волокном. Затем импульсы достигают светоделителя (BS), осуществляющего направление фотона к линейному или диагональному анализатору. Переданные фотоны анализируются в ортогональном базисе при помощи поляризационной светоделительной призмы (PBS) и двух лавинных фотодиодов (APD). Поляризация фотонов, прошедших через волновые пластинки поворачивается на 45 (с -45 до 0). В то же время, остальные фотоны анализируются второй системой «поляризационная светоделительная призма -APD» в диагональном базисе.
К этой группе относятся протоколы DPS («Дифференциальный фазовый сдвиг») [15] и COW («Когерентный однонаправленный») [16]. Они были предложены группами экспериментаторов, которые ставили задачу разработки систем, применимых на практике для эффективной рассылки ключей в оптических линиях связи на дальние расстояния. В течение длительного времени достигнутые в этих системах дальности порядка 250 км являлись рекордными [17,18].
На рисунке 1.3 показана принципиальная схема, реализующая протокол DPS.В блоке Алисы источник генерирует одиночный фотон, который разделяется по трём путям (a,b,c), а затем вновь объединяется с помощью делителей пучка (ДП).Относительные временные задержки между aи bи между bи с равны T.Коэффициенты деления ДП выбраны таким образом, чтобы амплитуда вероятности была одинаковой во всех трёх плечах. После объединения каждая из временных компонент независимо подвергается фазовой модуляции (ФМ) с базисом [0;].Боб разделяет приходящий импульс на два в соотношении 50:50. Величина временной задержки в длинном плече интерферометра выбирается равной T. Выходы делителя пучка, на котором происходит интерференция компонент импульса, находятся детекторы Д1 и Д2.
Разделение квантового и классического сигналов в спектре
Метод квантовой рассылки криптографического ключа на поднесущих частотах модулированного излучения (КРКПЧ) была предложен в работе [36] и развивался в работах [37-51]. Его достоинствами являются простота ввода и согласования оптической фазы, высокая скорость передачи данных, принципиальная возможность частотного мультиплексирования сигнала, а также простота построения согласованной схемы. Основное отличие заключается в том, что в системах КРКПЧ квантовый сигнал не генерируется непосредственно источником, а выносится на боковые частоты в результате фазовой модуляции.
Она состоит из модуля отправителя и модуля получателя, соединенных волоконно-оптической линией. Модуль отправителя содержит источник когерентного излучения с частотой и фазовый модулятор (ФМ).Модуль получателя также содержит фазовый модулятор, спектрально селективное светоделительное устройство (СФ), детекторы классического (Д) и однофотонного (ДОФ) излучения. Модуляторы отправителя и получателя управляются радиочастотным сигналом на частоте Отправитель и получатель могут вводить в свой сигнал дополнительную фазовую задержку Ф. При этом в оптический сигнал вводится фаза: ф(т) = а cos( p(t) + Ф) (1.1) где a - индекс модуляции. При амплитуде сигнала источника/(С) = [/el ut после модуляции сигнала получаем: UA(t) = иешш Р « ueb t+iELeiio +a)t+i0A + еХсо-пк-іФ, (1 2) где ФА и (p(t)A - фазы, вводимые отправителем. Таким образом, в спектре, формируемом модулем отправителя образуются боковые частоты, которые в дальнейшем выполняют роль квантового канала. Для детектирования сигнала получатель модулирует пришедший к нему сигнал повторно, внося в модулирующий сигнал фазовую задержку ФB, что приводит к интерференции боковых частот в спектре. Результирующий сигнал
Генерация ключа происходит аналогично другим схемам с фазовым кодированием. Ценность такого подхода заключается в том, что в отличие от классических схем устройств квантовой передачи информации, в которых модулируется непосредственно центральная длина волны оптического излучения, кодирование вводится на частоте многократно более низкой, что существенно упрощает задачу согласования информационных сигналов, избавляя от необходимости применения активных систем компенсации эффектов, вносящих фазовую задержку в сигнал в оптическом волокне. Сигнал при этом, в отличие от схем класса Plug-and-play может распространяться только в одном направлении, что снимает ряд ограничений на скорость и дальность генерации квантовых битовых последовательностей в системе.
Подход квантового кодирования на боковых частотах также позволяет существенно повысить эффективность использования линии связи за счет введения большого числа квантовых каналов в окрестности одной центральной длины волны, что позволяет реализовывать многопользовательские режимы [45-47]. Такой режим может быть реализован за счет смешения модулирующих частот.
В работе [41] была впервые экспериментально продемонстрирована квантовая передача информации на боковых частотах модулированного излучения. На рисунке 1.13 представлена схема предложенного авторами устройства. Принципиальная схема устройства квантовой передачи информации на боковых частотах модулированного излучения [41]
Световой пучок генерируется источником монохроматического излучения, в данном случае полупроводниковым лазером, на длине волны 1540 нам, который далее ослабляется с помощью аттенюатора, таким образом, чтобы энергия излучения на боковых частотах соответствовала квантовому режиму. Индекс модуляции вводится таким, чтобы энергия на боковых частотах была много меньше энергии на центральной длине волны. Таким образом, мощность излучения гармоник высших порядков становится пренебрежимо малой. Формирование модулирующего сигнала производится Генераторами, управляемыми напряжением (ГУН), установленными в модулях отправителя и получателя и синхронизированными друг относительно друга. Фазовые переключения радиочастотного сигнала осуществляются электрическими модуляторами ФP и Ф по сигналу с генераторов ГЕНP и ГЕН .
Скорость генерации квантовых битовых последовательностей составила 250 бит/с при длине линии связи 20 км, в качестве которой использовалось оптическое волокно марки sum-28 с потерями 0,18 дБ/км График зависимости нормированной скорости счета в зависимости от разности фаз модулирующих сигналов отправителя и получателя представлен на рисунке 1.9. Рисунок 1.14–График зависимости нормированной скорости счета от фазовой отстройки модулирующих сигналов отправителя и получателя [41]
Водность в эксперименте составила 91%. Величина квантового коэффициента ошибок по битам составила 4%. Частота смены фазы 10кГц. Частота модуляции 300МГц. В качестве спектрального фильтра применялся сканирующий интерферометр Фабри-Перо с полосой фильтрации 18МГц свободным спектральным интервалом 1ГГц и добротностью 55. Совокупные потери приемного блока составили 15дБ Кодирование производилось по протоколу B92.
Оценка допустимой погрешности установки фазы управляющих сигналов
Метод квантовой передачи информации на боковых частот позволяет применять различные протоколы кодирования, в том числе, обеспечивающие безопасную передачу данных по оптическим каналам связи. Тип протокола определяется требованиями к устойчивости разрабатываемых устройств к разным типам перехвата сигнала нелегитимным пользователем и может быть установлен в зависимости от выбранных параметров модуляции и типа применяемого источника излучения [57,58].
В работах [42,43] был предложен протокол BB84 с классическим опорным сигналом. Его особенностью является возможность блокировки разделения многофотонных состояний в системе за счет контроля центральной длины волны. Среднее число фотонов в квантовом канале, при этом может быть увеличено до 1 за счет отсутствия возможности нелегитимного пользователя произвести блокировку опорного сигнала. Доля информации нелегитимного пользователя, определяемая выражением (2.11) может быть исключена из протокола передачи
Для формирования протокола четырех состояний, аналогичного протоколу BB84, в устройстве квантовой передачи информации на боковых частотах модулированного излучения с фазовой модуляцией оптического сигнала кодирование квантового бита производилось одним из четырех возможных фазовых сдвига радиочастотных модулирующих сигналов в двух базисах: [0, ];
Сравнение протоколов двух и четырех состояний приведено в таблице 3. Отправитель случайным образом выбирает фазу высокочастотного модулирующего сигнала в одном из двух возможных базисов и вносит соответствующую модуляцию. Повторная модуляция реализуется в комбинации возможных вариантов: в случае, если базисы совпали, на приемной стороне наблюдается конструктивная или деструктивная интерференция в зависимости от выбранной фазы. Данный отсчет попадает в итоговую битовую последовательность. В случае, если базисы не совпали, на приемной стороне на боковых частотах при любом из двух возможных значений фазы наблюдается средний уровень сигнала, что соответствует равной вероятности появления фотона в обоих вариантах выбора базиса отправителей. Отсчет в таком случае не учитывается.
В результате приведенного во второй главе исследования разработаны и экспериментально проверены основные подходы к формированию квантового канала в системе. Продемонстрирован режим кодирования и декодирования сигнала на частоте модуляции 4,2 ГГц. Предложена система спектрального разделения сигнала, обеспечивающая вклад центральной длины волны в квантовый коэффициент ошибок по битам на уровне менее 0,1%
Проведены эксперименты по передаче квантовых состояний в динамическом режиме с частотой смены фазы 100 МГц. Был продемонстрирован устойчивый прием таких посылок и их высокая различимость. Квантовый коэффициент ошибок по битам при этом составил менее 0,3%
Для систем квантовой передачи информации на боковых частотах с фазовой модуляцией сигнала был предложен протокол четырех состояний, отвечающий требованиям к протоколу «BB84 с сильным опорным сигналом», что обеспечило возможность реализовывать режимы передачи, защищенный от перехвата сигналов нелегитимным пользователем.
Формирование протокола осуществляется за счет синхронного переключения высокочастотных управляющих сигналов на модуляторах отправителя и получателя. Результат интерференции оптического излучения на боковых частотах эквивалентен действию суммы двух электрических сигналов, подаваемых на модуляторы. Видность интерференционной картины на приемной стороне, при этом, зависит от точности сложения радиочастотных модулирующих электрических полей, полученных в синфазном и противофазном случаях. Эффективность сложения таких полей, при этом, определяется точностью установки фаз сигналов, а также его джиттером. На рисунке 3.1приведены осциллограммы модулирующих сигналов в случае совпадения и несовпадения фаз на модуляторах отправителя и получателя. Частота приведенного модулирующего сигнала 4,2 ГГц, амплитуда модулирующих сигналов 2,4 В Изменение амплитуды управляющего сигнала позволяет варьировать индекс модуляции в диапазоне от 0 до 20 %
Исследование параметров скорости и дальности передачи квантовых битовых последовательностей
Отпико-электронное устройство квантовой передачи на боковых частотах состоит из двух модулей, принципиальная схема которых представлена на рисунке 5.1. Рисунок 5.1 – Схема оптико-электронного устройства квантовой передачи информаци с компенсацией поляризационных искажений к оптической синхронизации. ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема, ГЕН – генератор частоты, ФАПЧ – устройство фазовой автоподстройки частоты, ЭФМ – электрический фазовый модулятор, ЭФ – электрический фильтр, ПК – Персональный компьютер, Д – детектор. Лазер 1, испускает монохроматическое излучение на телекоммуникационной длине волны, которое подается через волоконно-оптический изолятор на фазовый модулятор. Изолятор используется для подавления излучения, отраженного от кристалла модулятора, нарушающего работу системы стабилизации мощности и длины волны лазера. Модулятор управляется радиочастотным сигналом, который формируется устройством фазовой автоподстройки частоты(ФАПЧ), умножающим частоту опорного генератора до необходимой частоты модуляции. В качестве опорного генератора используется генератор, управляемый напряжением (ГУН). Формирование команд переключения фазы осуществляется платой управления на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Команды управления подаются на фазовый модулятор электрических сигналов, который осуществляет переключение фазы модулирующего радиочастотного сигнала, формируя квантовые состояния. Мощность излучения в квантовом канале регулируется управляемым аттенюатором, таким образом, чтобы статистика фотонных посылок на сформированных боковых частотах соответствовала квантовому режиму. Сигнал, сформированной мощности и спектра отправляется в квантовый канал. Синхронизационный сигнал, передаваемый модулем отправителя, формируется модуляцией интенсивности излучения синхронизационного лазера, сигналом, формирующимся опорным генератором.
Сигнал из квантового канала поступает в модуль получателя. Модуль компенсации поляризационных искажений осуществляет повторную модуляцию модулированного отправителем сигнала, разделяя поляризационные компоненты поляризационным светоделителем. Далее повторно модулированное излучение соединяется поляризационным соединителем и подается на спектральный фильтр, где происходит разделение центральной длины волны и боковых частот. Боковые частоты, содержащие квантовый канал детектируются детектором одиночных фотонов (ДОФ). Управляющие сигналы модуля получателя формируются аналогично модулю отправителя. Посредством модуля управления на основе ПЛИС. Источником сигнала для устройства ФАПЧ модуля получателя служит сигнал ГУН. Управление ГУН осуществляется его подстройкой синхронизационным сигналом, приходящим с модуля отправителя по каналу синхронизации. Обработка данных, включая реализацию алгоритмов формирования квантовых битовых последовательностей, согласования данных и др. производится посредством персональных компьютеров, установленных на стороне отправителя и получателя. 5.2. Экспериментальный стенд
Экспериментальный стенд был реализован в виде серверной стойки формата 19”, в которую было смонтировано оборудование отправителя, получателя и детекторная система рисунке 5.2.
В качестве источника излучения применялся полупроводниковый DFB-лазер с длиной волны 1550,12 нм, спектральной шириной 1 МГц и мощностью оптического излучения 10 мВт Стабилизация длины волны лазерного излучения обеспечивала долговременную стабильность длины волны лазера в полосе +-1ГГц. Частота модулирующего радиочастотного сигнала составляла 4,2ГГц, фаза которого менялась в двух базисах [0;] и [/2;3/2] с частотой 100 МГц. Для модуляции сигнала в модуле отправителя использовался фазовый модулятор бегущей волны на основе кристаллов LiNbO3 с полосой 10 ГГц и потерями 4 дБ. Амплитуда модулирующего сигнала составила 3,6В, что соответствовало индексу модуляции 0,05. Подавление обратных отражений от фазового модулятора осуществлялось изолятором с коэффициентом изоляции 30 дБ. Аттенюация сигнала осуществлялась в диапазоне 50-70 дБ, для установки однофотонного уровня сигнала, что соответствовало мощности излучения на боковых частотах 12,8 пВт при суммарной мощности излучения 257 пВт.
Для модуляции сигнала, поступающего в модуль получателя использовались электрооптические фазовые модуляторы бегущей волны с потерями 2, 5 дБ, полосой 10ГГц. Амплитуда модулирующего сигнала составляла 2,4 В, что обеспечивало индекс модуляции, эквивалентный индексу модуляции в модуле отправителя. Различие амплитуд модулирующих сигналов в модулях отправителя и получателя обусловлено разными значениями напряжения смещения фазы оптического сигнала на , характеризующего восприимчивость модулятора. Поляризационный светоделитель в приемном модуле характеризовался потерями 1 дБ и делением поляризационных мод сигнала с изоляцией 30 дБ. Поляризационный соединитель имел потери 1 дБ и изоляцию каналов равную 30 дБ.
Разделение боковых частот и центральной длины волны производилось спектральным фильтром на основе брэгговской решетки записанной в оптическом волокне, коэффициент отражения которого в полосе фильтрации составлял 99,99%, что обеспечивало подавление центральной длины волны на 40 дБ. Полоса отражения составляла 7,5 ГГц. Потери излучения на фильтре составили 1,5 дБ. Применяемый тип соединительных элементов – FC/APC. Суммарные потери модуля получателя с учетом потерь на соединительных элементах – 6,4 дБ.
Детектирование однофотонных импульсов производилось сверхпроводниковым детектором одиночных фотонов с квантовой эффективностью 20%, скоростью темнового счета 10 Гц и джиттером 50 пс при температуре детектора 2,5 К, что обеспечивалось гелиевым криостатом замкнутого цикла. [60]