О возможности использования pnr-snpd в системах телекоммуникационной связи

ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ НАУКА ВУЗАМ

О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ PNR-SNPD В СИСТЕМАХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СВЯЗИ1

|Г. М. Чулкова, А. В. Семёнов, М. А. Тархов, Г. Н. Гольцман, А. А. Корнеев, К. В. Смирнов

Аннотация. Рассмотрена возможность применения сверхпроводникового нанополо-скового детектора, разрешающего число фотонов (Photon-Number Resolving Superconducting Nanowire Photon Detector, PNR-SNPD), в качестве датчика приёмных модулей телекоммуникационных линий. Оценена мощность оптического импульса, необходимая для достижения приемлемо низкой доли ошибочных битов.

Ключевые слова: сверхпроводниковый нанополосковый детектор, разрешение числа фотонов, телекоммуникационные линии.

Summary. We consider an ability of applying photon number resolving superconducting nanowire detector (PNR-SNPD) as a sensor in receiving modules for teecommunication lines. We estimate power in an optical pulse requiredfor achieving bit error rate of sufficiently low order.

Keywords: superconducting nanowire detector, photon-number resolution, telecommunication lines.

244 В

се возрастающие потоки информа-

ской связи стимулируют выработку все более жестких требований к скорости и достоверности передачи информации. Создание практических сверхпроводниковых нанополосковых детекторов с разрешением числа фотонов (PNR-SNPD), принцип действия которых основан на неравновесных процессах, происходящих при поглощении фотона в сверхпроводящих наноструктурах - длинных и узких (70-100 нм) полосках ультратонкой пленки (4 нм), нанесенной на диэлектрическую подложку,

в присутствие тока, близкого к критическому, продиктовано необходимостью удовлетворения этим требованиям [1]. PNR-SNPD обладает высокой квантовой эффективностью (30%) на длинах волн 1300 и 1550 нм, уровнем темнового счета менее 10 Гц, субнаносе-кундной длительностью импульса, обеспечивающей максимальную скорость счета более 1 Ггц, нестабильностью переднего фронта импульса (джиттер) 16 пс и высокой эффективностью согласования с одномодовым оптоволокном.

Сверхпроводниковый нанополо-сковый детектор с разрешением числа

1 Научные исследования были проведены в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. и ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на 2007-2013 гг.

Преподаватель

1ЕК

2 / 2012

Физико-математические науки

фотонов (PNR-SNPD) представляет собой структуру, которая состоит из одинаковых секций полосок в виде меандра, соединенных параллельно, и подключенных к контактным площадкам через полосковые резисторы. Площадь детектора 10 х 10 мкм2.

Механизм возникновения импульса напряжения следующий: по полоске сверхпроводника протекает постоянный электрический ток, плотность которого близка к критической. При поглощении фотона в небольшой области полоски сверхпроводимость подавляется и появляется «горячее пятно», при этом происходит перераспределение тока и его плотность превышает критическую. Поскольку полоска очень узкая, «горячее пятно» перекрывает сечение полоски и возникает резистивная область, что сопровождается импульсом напряжения. В течение небольшого времени «горячее пятно» исчезает, сверхпроводимость восстанавливается, и детектор вновь готов к регистрации очередного фотона.

В момент поглощения фотона в одной из полосок появляется сопротивление. Благодаря кинетической индуктивности, которой обладают полоски, резистивная полоска не шунтируется остальными, оставшимися в сверхпроводящем состоянии, полосками, что приводит к возникновению напряжения на всей структуре. Если в двух полосках одновременно поглощаются фотоны, напряжение на структуре будет больше, создавая больший по амплитуде импульс напряжения в линии передачи. Если три фотона поглощаются тремя полосками, импульс напряжения будет еще больше, и т.д. Это дает возможность различать число поглощенных фотонов по амплитуде возникающего отклика. Последовательно с каждой полоской включен пленочный резистор, изготовленный из не-

сверхпроводящего металла. Резисторы необходимы для ограничения тока и препятствуют одновременному переключению нескольких полосок при поглощении одного фотона. Напряжение фотооткликов, соответствующих различному числу поглощенных фотонов, имеют различные амплитуды. С увеличением числа фотонов в лазерном импульсе вероятность наблюдения отклика с большей амплитудой возрастает [2].

Чтобы в протяженных линиях связи, содержащих множество усилителей и мультиплексоров, накопленная ошибка не превысила допустимую норму, BER (доля ошибочных битов) каждого устройства должен быть не хуже 10-11. Основным фактором, определяющим уровень ошибок соединения, является чувствительность и быстродействие приемного модуля оптического терминала.

Применяемые в настоящее время лучшие р-т диоды и лавинные фотодиоды обеспечивают BER на уровне 10-10 - 1012 в оптическом интерфейсе 2,5 Гбит/ с - 9,95 Гбит/с при чувствительности -28 дБм и -15 дБм соответственно. Это означает, что каждый бит информации передается оптическим импульсом, содержащим 104-105 фотонов. Чувствительность приемников ограничивает длины оптоволоконных линий связи между ретрансляторами. Наименьшим ослаблением оптического сигнала обладают оптоволоконные линии на одномодовых волокнах, но и в таких магистралях мощность передаваемых импульсов ослабляется в среднем в 100 раз на каждые 100 км. Актуальной, таким образом, является разработка высокочувствительных приемных модулей, способных обеспечивать требуемые BER при работе с предельно слабыми сигналами.

Число фотонов в оптическом импульсе, необходимое для достижения

245

2 / 2012

Преподаватель

]ЕК

фундаментальная наука вузам

246

м

Рис. Зависимость доли ошибочных битов от уровня дискриминации. Среднее число отсчетов в фазе логической «1» - 35 (пунктирная кривая) и 50 (сплошная кривая). Среднее число отсчетов в фазе логического «0» положено равным 0.5.

требуемой BER при использовании PNR- SNPD в качестве детектора приемного модуля, может быть оценено по формулам теории вероятности как

N ~1п10 ^ БЕК / ££, где QE - квантовая эффективность детектирования. Для лучших стандартных SNPD (работающих только в одно-фотонном режиме) эта величина достигает 30%. Полагая QE=10%, получаем, что для достижения BER на уровне 10-11 требуется иметь в оптическом импульсе и 250 фотонов, что в среднем на 2 порядка меньше, чем при использовании существующих приемных модулей.

Для справедливости приведенной оценки необходимо, чтобы среднее число отсчетов детектора в логическом нуле было мало по сравнению с единицей. Благодаря крайне низкому уровню собственных темновых срабатываний ЯОТБ, единственной причиной таких отсчетов в случае PNR-SNPD остаются паразитные фотоны, приходящие на детектор в фазе логического нуля, то есть шумы оптической передающей линии. Для современ-

ных линии стандартом является отношение мощностей, соответствующих уровням логического нуля и логической единицы не менее 15 дБ. При среднем числе фотонов в фазе логической единицы N « 250 среднее число фотонов в фазе логического нуля составит 10-3N « 0.25, а среднее число отсчетов детектора в логическом нуле - QE*10-3N « 0.025 << 1, что подтверждает самосогласованность приведенной оценки для N.

Точное значение BER зависит от уровня дискриминации M - числа отсчетов детектора, принимаемого в качестве граничного значения между 0 и 1. При слишком низком значении уровня дискриминации велико число ошибок ложной регистрации «1» в логическом «0», при слишком высоком - велико число ошибок пропуска логической «1». Результаты численного расчета зависимости BER от уровня дискриминации приведены на рисунке. Кривые построены для среднего числа отсчетов в логической единице 35 и 50. Видно, что требуемый уровень BER=10-11 достигается при 50 отсчетах в импульсе при M=10.

Таким образом, применение PNR-SNPD позволит значительно снизить количество необходимых ретрансляторов в оптических передающих линиях связи благодаря увеличению не менее чем в 102 раз чувствительности приемных модулей.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Divochiy A., Marsili F., Bitauld D., et al. Superconducting nanowire photon-number-resolving detector at telecommunication wavelengths // Nature Photonics. 2. 302. 2008.

2. Korneev A., Divochiy A., Tarkhov M., et al. New advanced generation of superconducting NbN-nanowire single-photon detectors capable of photon number resolving // Journal of Physics: Conference Series 97. 012307. 2008. |

Преподаватель

1EK

2 / 2012