Однофотонные детекторы для атмосферных оптических линий связи

Б. Санджинетти, Э. Амри, Ф. Ричоу, IDQ

В системе атмосферной оптической линии связи (АОЛС), работающей в условиях больших оптических потерь, в качестве приемника можно использовать однофотонные детекторы. Если сигнал, поступающий на детектор, ослаблен до уровня одиночного фотона, то его можно будет обнаружить. Рассмотрены параметры, которые важны для бюджета линии связи и помех, присутствующих в системе атмосферных линий связи и представлены однофотонные детекторы.

Введение

Увеличение спроса на высокоскоростной доступ в Интернет, видеоконференции, потоковое вещание в реальном времени, изображения в режиме реального времени и информационные технологии в целом вызвали давление на существующие спутниковые системы связи, работающие на радиочастотах. Оптические технологии рассматриваюися как альтернатива, которая может значительно улучшить работу атмосферных линий связи (например, радиосвязи), благодаря ее передовому состоянию. Действительно, национальные лаборатории и промышленность сосредоточили свои усилия на разработке и коммерциализации оптических систем для атмосферных линий связи (FSO – Free Space Optics или АОЛС – атмосферные оптические линии связи) [1]. К преимуществам, предлагаемым системами АОЛС, относятся: более высокая рабочая частота по сравнению с системами радиосвязи, обеспечивающая увеличение пропускной способности канала или скорости передачи данных. (Скорости передачи данных, предоставляемые АОЛС, могут варьироваться от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с [2].) Другим преимуществом является то, что связь АОЛС работает на меньших длинах волн, чем радиосвязь, генерируя луч с меньшей расходимостью и, следовательно, обеспечивая более высокую точность и интенсивность для заданной передаваемой мощности [2, 3].

Кроме того, системы АОЛС обеспечивают отсутствие помех между различными каналами передачи данных, что позволяет использовать большое количество каналов [2–4]. Оптические системы, как правило, недорогие, надежные, имеют небольшой потребляемый ток и все доступны в компактных размерах, а это главные желательные качества для компонентов системы. Системы АОЛС состоят из трех основных элементов: излучателя (лазер), приемника (детектор) и беспрепятственной прямой видимости между ними, то есть канала связи, через который отправляются оптические сигналы (рис. 1). Системы связи АОЛС могут использоваться в таких сценариях, как спутниковая связь, военные приложения, доступ "последней мили", связь внутри административно-производственного корпуса, аварийное восстановление и т. д.

Однако АОЛС-связь также сталкивается с техническими проблемами. Во-первых, для выравнивания по мощности элементов этих систем требуется система наведения и отслеживания между излучателем и приемником [3, 4]. Системы наведения дорогостоящие, и цена систем определяется их точностью и стабильностью. Плохая система наведения приведет к небольшому перекрытию между излучаемым сигналом и эффективной площадью детектора, и соответственно вызовет оптические потери сигнала. Во-вторых, если расстояние между излучателем и приемником слишком велико или климатические условия не благоприятны (например, из-за дождя или тумана), детектор не получит достаточную мощность от входящих оптических сигналов. В этом случае связь будет затруднена большими оптическими потерями в канале связи. Безусловно, одной из основных проблем, с которыми сталкивается АОЛС-связь, является ее зависимость от погодных условий, которая определяет оптические потери канала связи. Очень желательна возможность создать систему АОЛС-связи, которая способна работать в режиме низкой мощности (или, аналогично, в режиме с высокими оптическими потерями). В частности, такая система АОЛС будет более устойчива к ограничениям из-за погодных условий. В качестве альтернативы существуют системы связи, которые, как правило, выгадывают на фоне имеющихся проблем оптических линий, связанных с низкой мощностью. В их основе лежит тот факт, что операция с малой потребляемой мощностью позволяет добавить коэффициент скрытности в коммуникацию, которая может быть использована для ее защиты, препятствуя перехвату оптических сигналов. Работа системы АОЛС в режиме больших оптических потерь возможна только с использованием однофотонных детекторов (ОФД) в качестве приемника. Если сигнал, поступающий на детектор, ослаблен до уровня одиночного фотона, то его все еще возможно обнаружить, используя ОФД.

Бюджет линии связи и помехи

Любая система связи требует бюджета линии связи и оценки помех в системе. В этом разделе мы представим параметры, которые важны для бюджета линии связи и помех, присутствующего в системе АОЛС. В зависимости от приложения канал связи реализуется через атмосферу или сочетание атмосферы и пространства. Когда сигнал передается по каналу связи, он ослабляется из-за различных физических эффектов, приводящих к оптическим потерям. Затухание происходит независимо от того, установлен ли канал в пространстве или в атмосфере, хотя существуют и иные различные причины. В пространстве затухание обусловлено дивергенцией. В атмосфере затухание обусловлено поглощением и рассеянием, которое, в свою очередь, зависит от длины волны и среды передачи (дождя, тумана и т. д.). Помехи, присутствующие в системе АОЛС, могут быть вызваны внутренними помехами компонентов системы или фоновым излучением. Фоновые помехи будут зависеть от местоположения и ориентации системы АОЛС, а также от сезонного и суточного времени работы. В следующих разделах дается краткое описание влияния на производительность системы связи АОЛС каждого из этих параметров.

Длина волны

Выбор длины волны лазера на излучателе зависит главным образом от трех факторов: поглощения (или потерь) по каналу связи, технологии, доступной для модуляции лазера, и технологии, доступной для обнаружения оптических сигналов. Когда сигнал проходит через пространство, то поглощение отсутствует, поэтому вакуум не накладывает никаких ограничений на выбор длины волны. Однако в атмосфере фотоны поглощаются и рассеиваются молекулами, вызывая оптические потери. Различные длины волн подвергаются различному поглощению, но есть окно прозрачности для передачи на длинах волн видимого света (400–800 нм) и в ближнем ИК-диапазоне (около 1 550 нм), что позволяет выбирать эти волны в качестве наиболее подходящих для АОЛС-связи. Известно, что коэффициент пропускания для длины волны 1 550 нм в атмосфере выше, чем для видимого света (рис. 2), и это делает данную длину волны подходящей для АОЛС-связи.

Другим фактором, зависящим от длины волны, который вызывает потерю, является рассеяние. В видимом и УФ-диапазоне молекулы воздуха и аэрозольные частицы вызывают релеевское рассеяние. На ближнем ИК-диапазоне аэрозольные частицы, такие как туман и дым, будут вызывать рассеяние Ми. Поскольку АОЛСсвязь сильно зависит от погодных условий, необходимо выяснить, есть ли какие-либо преимущества в использовании видимых или ближних инфракрасных волн в неидеальных условиях.

Для легкого тумана ослабление, обусловленное рассеянием, меньше для 1 550 нм, чем для более коротких длин волн, таких как 850 нм [2]. Это делает волны длиной 1 550 нм более подходящими для реализаций АОЛС в этих условиях.

Фактически, ИК-длины волн обеспечивают два дополнительных преимущества перед видимым светом в использовании для АОЛС-связи. Во-первых, выбор длины волны должен соответствовать международным требованиям безопасности относительно допустимой выходной мощности лазера [5]. Желательна наивысшая возможная мощность, поскольку это увеличивает вероятность передачи сигнала в канале связи. Для более высокой вероятности передачи можно достичь более высокого расстояния связи. Аналогично, если расстояние между излучателем и приемником фиксировано, увеличение мощности излучения лазера увеличивает отношение сигнала к шуму. Согласно международным стандартам лазерной безопасности, лазер класса 1 безопасен при любых условиях нормального использования, а лазер класса 1М безопасен для любых условий использования, кроме случаев, когда он проходит через увеличительную оптику, например, микроскопы и телескопы. Для лазеров класса 1 максимальная допустимая выходная мощность непрерывного излучения составляет 10 мВт для 1 550 нм и около 1 мВт для 760 нм [5, 6], что благоприятствует инфракрасной длине волны. Второе преимущество инфракрасных длин волн связано с инфраструктурой. Существующие сети связи, основанные на оптическом волокне, работают для длин волн ближнего инфракрасного диапазона, в частности для 1 310 нм и 1 550 нм. Обширная сеть связи состоит из волоконных линий, которые распространяются по всему миру, соединяя разные страны. Выбор для работы с сигналами на длине волны 1550 нм является естественным выбором для установления интерфейса между связью АОЛС и существующими системами связи на основе оптоволокна.

Расходимость

Другой источник потерь в системе связи АОЛС – расходимость луча. Это явление ведет к росту размера пятна луча с увеличением расстояния от апертуры, из которой исходит луч. Расходимость луча увеличивается с длиной волны и уменьшается с ростом размера линзы излучателя. В качестве примера, если учитывать только расходимость, рассмотрим случай, когда луч выходит в пространство на длине волны 1550 нм через линзу с апертурой 0,1 м. Луч будет расширяться до 11 м в диаметре при дальности передачи 600 км. Оптические потери будут возникать, если диаметр телескопа на приемнике не будет соответствовать диаметру луча из-за обрыва сигнала (таблицу 1). Предложение об использовании большого телескопа, приемное зеркало которого соответствовало бы диаметру луча после его распространения на большое расстояние, выглядит нереалистично. К сожалению, расхождение не является единственным источником расходимости луча. Атмосферная турбулентность также вызывает расходимость луча, увеличивая оптическую потерю канала.

Таблица 1. Бюджет линии связи для спутника LEO, находящегося на 600 км орбите и с излучателем Ø = 0,1 м

Ошибка наведения

Если излучатель и приемник движутся относительно друг к другу, например, в сценарии движения спутника относительно наземной станции, система АОЛС также должна иметь возможности выравнивания. Это достигается с помощью системы наведения, сбора и отслеживания (НСО). Система НСО использует два оптических луча для выполнения выравнивания, необходимого в системе АОЛС. Внутренняя ошибка наведения системы НСО приведет к оптическим потерям в системе АОЛС. В то время как расходимость приводит к росту оптических потерь при использовании более длинных волн, ошибка наведения также увеличивают потери. Это объясняется тем, что для большей длины волны расхождение приведет к увеличению размера луча на земле, компенсируя плохую точность наведения. В табл.1 представлены соответствующие значения оптических потерь из-за расхождения и ошибки наведения для двух разных длин волн. Значение 10 μрад для ошибки наведения, которое мы использовали в этом примере, является сложным, хотя возможным на микроспутнике [8]. Шестимодульный спутник CubeSat может быть оснащен системой наведения и слежения с ошибками наведения ±90 μрад [9], это приведет к оптическим потерям –29 дБ и –35 дБ для 1 550 нм и 760 нм, соответственно.

Атмосферная турбулентность

Еще одним фактором, который ведет к потерям в системе АОЛС-связи, является атмосферная турбулентность. Турбулентность обусловлена локальными колебаниями температуры и вызывает флуктуации показателя преломления в канале связи. Атмосферная турбулентность выражается в колебаниях интенсивности; в рассеянии луча и флуктуациях оптической оси луча [8]. Эти эффекты рассеяния и флуктуации луча являются источниками потерь. Флуктуации в виде блуждания луча можно эффективно рассматривать как распространение луча, поскольку оно вызывает пространственные колебания луча. Флуктуации интенсивности являются результатом распространения сигнала в атмосфере и известны как сцинтилляция. Такие флуктуации могут быть пространственными (спекл) или временными (мерцание). Установление канала связи со спутником может выполняться в двух разных конфигурациях. Сигнал может излучаться со спутника на наземную станцию (нисходящий канал связи) или от наземной станции на спутник (восходящий канал связи). Преимущество восходящего канала связи заключается в том, что он позволяет использовать более крупную систему передатчиков и дает возможность для модернизации после запуска платформы. Однако в восходящем канале доминирующим фактором для потерь является рассеяние пучка из-за турбулентности [2, 8]. Это объясняется тем, что влияние турбулентности атмосферы происходит ближе к Земле, в нижних слоях атмосферы, в ее первых 20 км. Напротив, нисходящий канал связи имеет то преимущество, что он намного менее чувствителен к распространению луча из-за атмосферной турбулентности. Для нисходящей линии связи доминирующим фактором оптических потерь является расходимость. По этой причине существенное преимущество имеет размещения излучателя на спутнике, а не на наземной станции. Эта конфигурация также оптимальна для размещения большого приемного телескопа на наземной станции для уменьшения потерь из-за обрыва сигнала. В дополнение к оптическим потерям атмосферная турбулентность вызовет временную дисперсию оптических импульсов, временной джиттер на 600 км спутниковой траектории оценивается примерно в 50 пс [8,10]. В табл.1 представлен бюджет ссылок для спутника, расположенного на низкой околоземной орбите, на высоте 600 км. Предполагается, что апертура излучателя составляет 0,1 м, а погрешность позиционирования системы – 10 μрад. Предполагается, что эффективность обнаружения составляет 20% для детекторов при длине волны 1550 нм и 70% для длины волны 760 нм. Мы предполагем эффективность сбора оптической системы на приемнике 50%.

Шум

Шум накладывает ограничение на отношение сигнал-шум, которое может быть достигнуто. Двумя основными источниками шума в системе АОЛС, использующей однофотонные детекторы, являются собственный темновой ток, скорость счета и фоновое излучение. Количество ложных отсчетов из-за фонового освещения будет зависеть от длины волны, выбранной для связи, и местоположения наземного терминала (городская или сельская среда). Тем не менее, фоновые эффекты могут быть минимизированы, если в системе используются временные и спектральные фильтры. Использование оптического волокна в сочетании с детектором сводит к минимуму возможность обнаружения, происходящего от рассеянных фотонов. Временная фильтрация может быть выполнена путем синхронизации открытия (активации) детекторов с приходом сигнала. Конкретная реализация временной фильтрации легко достигается за счет использования оконных фильтров или методов автокорреляции (с ID800) при обработке сигналов на компьютере. Используя этот метод, можно добиться, например, частоты повторения 1 МГц, ширины импульса 100 пс, отношения сигнал-шум 40 дБ. Наконец, спектральный фильтр позволит уменьшить количество ложных отсчетов. Обычный фильтр на 1 нм может быть использован для выбора адекватного спектрального окна, выбранного для связи. Дополнительным аргументом в пользу выбора длин волн ближнего инфракрасного диапазона является эффект рассеяния. Ложные подсчеты, обусловленные рассеянием, будут менее вероятными для волн ближнего инфракрасного диапазона, чем видимые длины волн, поскольку вероятность рассеяния растет пропорциональновеличине λ–4.

Однофотонные детекторы

Однофотонные детекторы (ОФД) являются хорошим решением задачи обнаружения сигналов низкой интенсивности в системах АОЛС-связи. Исходя из их названия, ОФД способны обнаруживать присутствие одного фотона с предельной точностью синхронизации (до 50 пс). Эта высокая точность синхронизации помогает отличить синхронные сигналы от шума, который имеет случайное время прибытия. Альтернативно, несколько битов могут быть закодированы на одном фотоне, например, с использованием фазово-импульсной модуляции (ФИМ), можно кодировать биты на один фотон, если он отправляется во время, и детектор имеет разрешение r. Например, 14 битов могут быть закодированы в одном фотоне, если один отправляется каждые 1,6 μс, а детектор имеет разрешение 100 пс. В этом примере (рис.5) 8 Мбит/с могут быть отправлены с мощностью приблизительно 1 пВт (–90 дБм) мощности приемника (использование 10% эффективности детектора, длина волны 1550 нм).

Более простое кодирование состоит в отправке лазерного импульса как "1" и отсутствии лазерного импульса как "0". Например, можно отправлять бит каждые 2 μс, достигая битовой скорости 500 Кбит/с. Поскольку биты могут передаваться синхронно, любое обнаружение за пределами ожидаемого временного интервала может быть помечено как шум, устраняя ошибки из-за шума. Мы провели испытание такого типа кодирования, используя настройку, показанную на рис.3. Результаты можно увидеть на рис.4.

В зависимости от конкретного используемого протокола, условий шума и бюджета линии связи, выбор оптимального детектора может отличаться. Самое важное решение состоит в выборе между автономным или закрытым детектором.

Автономные детекторы

Этот тип детектора активен все время, как только детектируется фотон, однако детектор разряжается и остается выключенным на определенное время (обычно 1 μс – 10 μс). Этот эффект ограничивает максимальное количество отсчетов, которое может иметь детектор (например, до 1 МГц/с). Если имеется сильный компонент шумового воздействия (например, рассеянный свет), несколько возможных значений будут учитываться шумом вместо сигнала. Хотя шум может быть устранен при последующей обработке, например, учитывая время прибытия фотонов, наличие доминантной составляющей шума ограничит максимальное количество отсчетов сигналов, которые могут быть измерены. Преимущество автономных детекторов заключается в том, что вся синхронизация может быть выполнена при последующей обработке, например, с использованием модуля отметки времени, такого как ID800.

ID220, ID230 и ID280 являются автономными детекторами для инфракрасного спектра, в то время как ID100 и ID120 являются автономными детекторами видимого света.

Таблица 2. Детекторы ID для атмосферных оптических линий связи

Стробируемые детекторы

Стробируемые детекторы могут быть установлены как активные или неактивные в соответствии с внешним сигналом синхронизации, и могут быть установлены в активное состояние в течение периодов, составляющих 1 нс. Любой сигнал или шум, который поступает за пределы шлюза, не влияет на устройство, поэтому на него не влияет "мертвое время". Это позволяет осуществлять обмен данными по шумному каналу, где сигнал зашумлен, но может быть отобран путем соответствующей синхронизации детекторов. Стробируемые детекторы, такие как ИК-устройство ID210 или устройство видимого света ID110, имеют свободный режим, однако их работа в этом режиме ниже (например, более высокий уровень шума), чем у оригинальных автономных устройств, таких как ID220 или ID230.

Сверхпроводящие детекторы

Сверхпроводящие нанопроволочные однофотонные детекторы (СПНОД), такие как ID280, обеспечивают высокую эффективность и быстрое обнаружение, однако их сверхпроводящий характер требует, чтобы они работали при <2,5 К, то есть в криостате. Эти детекторы обеспечивают высокую производительность, но стоят дорого и могут нуждаться в большем техническом обслуживании, чем стандартные устройства InGaAs.

Компания IDQ предлагает ОФД, который работает как для видимого света, так и для ближней инфракрасной области спектра. Детекторы могут работать как в автономном режиме, так и в стробируемом режиме. ОФД характеризуются низким внутренним шумом, что обеспечивает хорошее соотношение сигнал-шум и, следовательно, является подходящим для систем связи. Кроме того, ОФД обеспечивают временное разрешение 200 пс обнаруженного сигнала, что особенно полезно для реализаций протоколов связи на основе информации синхронизации, такой как протокол фазово-импульсной модуляции. ОФД производства IDQ могут быть соединены с устройствами атмосферных оптических линий связи или соединены через оптическое волокно (одномодовое или многомодовое). Хотя установление связи сигнала в детекторе может быть сложной задачей, такая связь уже была продемонстрирована. В ходе демонстрации проекта "Лунная лазерная связь" было продемонстрировано взаимодействие лазерного излучения от геосинхронного спутника на расстоянии 300 000 км, на ОФД, расположенный на наземной станции. Спутник излучал свет на ближней инфракрасной длине волны. На наземной станции четыре телескопа, каждый диаметром 0,4 м, связали лазерный свет четырьмя многомодовыми волокнами, соединяющимися в однофотонный детектор [11, 12].

References

1. https://www.nasa.gov/directorates/heo/scan/engineering/technology/txt_opticalcomm_start.htm
2. H.Kaushal, G.Kaddoum, " Free Space Optical Communication: Challenges and Mitigation Techniques", arXiv:1506.04836, 2015.
3. David G.Aviv, "Laser Space Communications", Artech House, 2006.
4. B.G.Boone, J.R.Bruzzi, B.E.Kluga, W.P.Millard, K.B.Fielhauer, D.D.Duncan, D.V.Hahn, C.W.Drabenstadt, D.E.Maurer, and Robert S.Bokulic, "Optical Communications Development for Spacecraft Applications", JOHNS HOPKINS APL TECHNICAL DIGEST, VOLUME25, NUMBER4 (2004).
5. "Safety and laser products – Part 1: Equipment classification and requirements", International Electrotechnical Commission, (IEC‑60825–1), Ed. 3, 2007.
6. Spectroscopy of Rocks and Minerals, and Principles of Spectroscopy, Roger N.Clark, 1999.
7. https://en.m.wikipedia.org/wiki/Laser_safety
8. J.-P. Bourgoin, E.Meyer-Scott, B.L.Higgins, B.Helou, C.Erven, H.Hübel, B.Kumar, D.Hudson, I. D’Souza, R.Girard, R.Laflamme and T.Jennewein, "A comprehensive design and performance analysis of low Earth orbit satellite quantum communication", New Journal of Physics, Vol. 15, 069502, 2014.
9. B.Udrea, M.Nayak, F.Ankersen, "Analysis of the Pointing Accuracy of a 6U CubeSat Mission for Proximity Operations and Resident Space Object Imaging", 5th International Conference on Spacecraft Formation Flying Missions and Technologies, 2013.
10. L.C.Sinclair, F.R.Giorgetta, W.C.Swann, E.Baumann, I.Coddington, and N.R.Newbury, "Optical phase noise from atmospheric fluctuations and its impact on optical time-frequency transfer", Phys. Rev. A, 89:023805, 2014.
11. . Presentation to the JHU Aerospace Affinity Group.
12. K.E.Wilson, D.Antsos, L.C.Roberts Jr., S.Piazzolla, L.P.Clare, A.P.Croonquist, "Development of the Optical Communication Telescope Laboratory: A Laser communication relay demonstration ground station", Proc. International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2012.

Скачать