Решения для построения схемы КРК по протоколу на боковых частотах
В продолжение схемы реализации квантового распределения ключа (КРК) по протоколу BB84 необходимо отметить, что применение данного протокола не заканчивается на использовании поляризационных состояний фотонов. Он может быть применим и к другим, например, частотным параметрам. Существует схема обмена квантовым ключом, в которой в качестве носителей информационных битов выступают фотоны близких частот.
Принцип работы протокола следующий:
- Лазерный источник со стороны Алисы излучает сигнал с оптической частотой ω, который модулируется в фазовом модуляторе электрическим сигналом с частотой Ω. Таким образом на выходе с блока ФМ модуля Алисы имеются оптические спектры, состоящие из центрального пика ω и двух побочных частотах ω-Ω и ω+Ω с фазовым сдвигом ϕа, выбранным случайным образом из четырёх состояний в соответствии с протоколом BB84.
- Сигнал ослабляется аттенюатором и передаётся на приёмную сторону в модуль Боба.
- На стороне Боба принятый сигнал проходит через ещё один фазовый модулятор, где вводится случайный фазовый сдвиг ϕb согласно протоколу.
- Сигнал передается в оптический спектральный фильтр, который отделяет несущую частоту от побочных частот.
- После спектрального фильтра две побочные частоты ω-Ω и ω+Ω поступают на вход детектора одиночных фотонов.
- Если Алиса и Боб ввели одинаковые фазовые сдвиги (ϕа-ϕb=0), то наблюдется конструктивная интерференция. Если же разность фазовых сдвигов была кратна π, то наблюдается деструктивная интерференция.
- Исходя из того, какого рода произошла интерференция, Боб с Алисой сохраняют те или иные биты и просеивание ключа проводится до полного его восстановления в соответствии с протоколом BB84.
Лазерные диоды
Основным типом лазеров, применяемых для генерации оптической несущей – это лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB лазерные диоды).
На что обращать внимание при выборе диодов для передачи с помощью внешних модуляторов? В первую очередь это:
- Центральная длина волны и её стабильность
- Режим работы: Стабильный непрерывный (CW) или импульсный (Pulse)
- Ширина полосы излучения
- Мера подавления боковых мод (SMSR-параметр)
- Величина относительного шума интенсивности (RIN-параметр)
Подходящие решения
|
Полоса 1-10 МГц | Мощность 10 мВт |
SMSR 45 дБ |
RIN -133 Дб/Гц |
PM выход FC/SPC |
|
|
Лазерный DWDM диод c низким RIN | Полоса <1 МГц |
Мощность 25 мВт |
SMSR >30 дБ |
RIN -160 Дб/Гц |
PM (SM) выходы FC/APC |
|
Полоса 0.5 нм |
Мощность 1-4 мВт |
SMSR >35 дБ |
RIN -155 Дб/Гц |
SM выход Различные коннекторы |
Фазовые электрооптические модуляторы
Электрооптический фазовый модулятор – один из главных компонентов КРК-системы, работающей по протоколу на боковых частотах. Именно он приводит к созданию боковых частот, отстоящих от центральной несущей на то или иное частотное расстояние.
На что обращать внимание при выборе ЭОМ для такой системы КРК? В первую очередь это:
- Диапазон рабочих длин волн
- Частотная полоса модуляции
- Напряжения смещения и управления
- Вносимые потери
Также имеет смысл обратить внимание на дополнительные опции:
- Тип оптических пигтейлов (одномодовые или с сохранением поляризации)
- Тип входного и выходного коннекторов
- Максимальную входную оптическую мощность
Подходящие решения
Оптические фильтры
Оптический фильтр в системе КРК на боковых частотах предназначен для того, чтобы избавиться от центральной несущей компоненты на приёмной стороне. Как правило, выбирают перестраиваемые узкополосные фильтры, которые позволяют производить точную подстройку под несущую длину волны. Данный способ предпочтительнее нежели использование статичных фильтров, так как последние обладают определённым допуском на точность расположения окна прозрачности на частотной оси измерения, что в случае оперирования очень узкими спектральными линиями может привести к выходу фильтра за пределы рабочих длин волн за счёт этого допуска.
На что обращать внимание при выборе перестраиваемых оптических фильтров для такой системы КРК? В первую очередь это:
- Спектральный диапазон фильтрации
- Диапазон частотной перестройки
- Точность частотной подстройки
- Вносимые потери
Также имеет смысл обратить внимание на дополнительные опции:
- Тип оптических пигтейлов (одномодовые или с сохранением поляризации)
- Тип входного и выходного коннекторов
- Максимальную входную оптическую мощность
Подходящие решения
Детекторы одиночных фотонов
Для регистрации одиночных фотонов той или иной поляризации необходимы детекторы одиночных фотонов. В основе таких детекторов лежат лавинные фотодиоды, оптимизированные для работы в режиме Гейгера (SPADы). Принцип их работы заключается в регистрации образующегося электронного лавинного пробоя из-за инициировавшего этот пробой поглощённого фотона.
Детекторы одиночных фотонов бывают как на видимый диапазон (материал Si), так и на ближний ИК (материал InGaAs или сверхпроводящие нанопроволоки SNSPD).
На что обращать внимание при выборе детекторов для приёма одиночных фотонов? В первую очередь это:
- Диапазон рабочих длин волн
- Квантовая эффективность
- Частота темнового счёта
- Режим работы (стробируемый/gated/синхронный или free-running/асинхронный)
- Тип детекторы (компонент или модуль)
Также имеет смысл обратить внимание на дополнительные опции:
- Тип оптического ввода (волоконный или free-space)
- Возможность регулирования квантовой эффективности и/или частоты темнового счёта
- Частота стробирования (при наличии данной функции)
Подходящие решения
|
Диапазон длин волн 1100-1600 нм |
Квантовая эффективность до 70% |
Частота темнового счета 500/2000 Гц |
|
|
Диапазон длин волн 1100-1600 нм |
Квантовая эффективность до 70% |
Частота темнового счета 500/2000 Гц | |
|
|
Диапазон длин волн 1100-1600 нм |
Квантовая эффективность до 70% |
Частота темнового счета 2 кГц |
Детектор фотонов IDQube | Диапазон длин волн 900-1700 нм | Квантовая эффективность до 25% | Частота темнового счёта от 800 Гц | |
SNSPD детектор ID281 | Диапазон длин волн 400-2500 нм | Квантовая эффективность до 90% | Частота темнового счёта < 1 Гц | |
Детектор фотонов ID120 | Диапазон длин волн 350-1000 нм | Квантовая эффективность до 80% | Частота темнового счёта < 200 Гц |