Способ испытания терминала лазерной связи с квантовым приемом информации
METHOD FOR TESTING LASER COMMUNICATION TERMINAL WITH QUANTUM INFORMATION RECEPTION

Область техники, к которой относится изобретение
Заявленное изобретение относится к способам тестирования и испытания оборудования линий лазерной связи с квантовым приемом информации.
Заявленное изобретение развивает технологию квантового приема информации, предложенную нами в патенте RU2703797C1 [1]. Технология квантового приема информации отличается от других аналогичных технологий возможностью приема информации, закодированной в оптических импульсах с малым количеством фотонов.
Изобретение применимо для тестирования терминалов оптической лазерной связи с квантовым приемом информации, в том числе через свободное пространство, например атмосферных, космических и подводных линий связи.
Изобретение применимо для тестирования терминалов оптической лазерной связи в процессе серийного производства непосредственно на месте производства без проведения полевых испытаний на больших расстояниях.
Уровень техники
Известен способ и система передачи медиа-информации по слабонаправленному оптическому каналу с квантовым приемом информации [1]. Также известен способ повышения производительности систем с квантовым приемом информации на основе твердотельного фотоумножителя при регистрации малофотонных импульсов и система измерения света, реализующая данный способ [2]. Для устройств, применяющих эти способы, неизвестна процедура испытаний передающих, приемных и приемопередающих терминалов.
Из работы «Optical test bench experiments for 1-Tb/s satellite feeder uplinks» [3] известен способ лабораторного испытания терминала оптической лазерной связи с приемником на основе лавинного фотодиода в линейном режиме с помощью волоконных аттенюаторов.
Также из работы «Ground simulation method for arbitrary distance optical transmission of a free-space laser communication system based on an optical fiber nanoprobe» [4] известен способ лабораторного тестирования терминала оптической лазерной связи с помощью управляемого аттенюатора излучения на основе оптического волокна.
Эти известные способы имеют недостаток: непригодны для использования с терминалами лазерной связи с квантовым приемом информации.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой заявленного решения является испытание терминала лазерной связи с квантовым приемом информации (ТКП) на соответствие заявленным характеристикам.
Технический результат заключается в возможности точного определения характеристик ТКП и определения соответствия конкретного образца ТКП требованиям к его основным характеристикам: скорости передачи информации, мощности передатчика, дальности связи, вероятности сырой битовой ошибки на предельной дальности связи.
Указанный технический результат достигается в способе испытания ТКП, содержащем этапы, на которых:
задают ключевые достижимые параметры и погрешности их определения: скорость передачи информации, мощность передатчика, дальность связи, вероятность сырой битовой ошибки на предельной дальности связи;
устанавливают эталонный ТКП напротив испытываемого ТКП на фиксированном расстоянии для формирования оптического канала;
устанавливают калиброванный ослабитель излучения передающего лазера эталонного ТКП для снижения среднего числа фотоотсчетов информационных импульсов, регистрируемых испытываемым ТКП, до теоретического порога надежного детектирования;
в настройках приемника испытываемого ТКП определяют порог надежного детектирования, при котором среднее число фотоотсчетов на информационный импульс не ниже порога, а вероятность ошибки детектирования информационного импульса не превышает заданную;
с использованием эталонного ТКП проверяют, что передатчик испытываемого ТКП кодирует поступающую информацию, формирует проверочные байты кодов коррекции ошибок, формирует поток оптических импульсов с заданными временными параметрами, а приемник испытываемого ТКП демодулирует падающий поток оптических импульсов, правильно декодирует поступившую информацию, исправляет возможные ошибки с помощью кодов коррекции, снижая вероятность битовой ошибки до величины, не превышающей заданную;
испытывают, что скорость передачи и приема информации испытываемого ТКП не ниже заданной;
с помощью измерителя мощности определяют мощность и с помощью последовательного расположения ПЗС-матрицы на двух фиксированных расстояниях от испытываемого ТКП измеряют расходимость излучения передающего лазера ТКП;
с помощью оптического детектора и осциллографа определяют опорную частоту следования информационных импульсов и среднее число фотонов в этих импульсах;
рассчитывают предельную дистанцию связи для этого ТКП, исходя из измеренного порога надежного детектирования;
определяют соответствие измеренных характеристик ТКП заданным.
Испытываемый ТКП считается прошедшим испытание, если измеренные характеристики совпадают с заданными в пределах установленной погрешности.
Осуществление изобретения
ТКП состоит из 2х модулей: передатчика и приемника. На приемник приходит лазерный световой пучок, диаметр которого существенно превышает размер фоточувствительной матрицы установленного детектора. По времени излучение организовано в последовательность импульсов. Носителем бита информации является один световой импульс. Специфика квантового приема информации заключается в том, что упавший на матричный детектор световой импульс за счет фотоэффекта вызывает электронные лавины (фотоотсчеты), количество которых пропорционально числу фотонов в упавшем на детектор импульсе (коэффициент пропорциональности равен значению квантовой эффективности η детектора на используемой длине волны), а времена появления лавин случайно распределены внутри длительности светового импульса. При этом каждому поглощенному фотону соответствует не более одного фотоотсчета. Детектор формирует пропорциональный количеству лавин импульсный электрический сигнал, который преобразуется в цифровой вид для его декодирования. Из-за квантовых свойств фотоэффекта процесс возникновения лавин является случайным и определяется статистикой Пуассона. Поэтому всегда существует вероятность того, что упавший на детектор импульс не инициирует ни одной лавины, т.е. возникнет ошибка пропуска информационного импульса при приеме информации. Однако для каждой наперед заданной вероятности ошибки существует такое среднее число лавин, возникающих за время длительности светового импульса, при котором вероятность пропуска будет меньше нее. Таким образом, единственным физическим параметром, определяющим ошибку при передаче информации (при условии штатного функционирования электроники) является среднее количество лавин, инициируемых информационным оптическим импульсом. Назовем этот параметр порогом надежного приема и обозначим F0.
Из приведенного анализа непосредственно следует методика испытания терминала. Сначала кратко опишем этапы испытаний, а детальное описание методики приведем ниже.
1й этап испытаний. «Испытание приемника на вероятность ошибки при установленной величине надежного детектирования F». Испытывается, что при заданном F вероятность сырой битовой ошибки perr меньше заданной (определение этой ошибки дано ниже).
В приемнике ТКП устанавливается величина надежного детектирования , где  - теоретически рассчитанный порог надежного приема. Так как F зависит только от числа фотоотсчетов (лавин), возникающих за длительность импульса, и не зависит от длительности и частоты следования (в пределах быстродействия детектора) оптических импульсов, а также от длины волны, то данный тест может быть проведен на любом из предусмотренных для установки в терминал лазеров и любых частотах следования импульсов.
2й этап испытаний «Испытание ТКП на фиксированном расстоянии для подтверждения параметров по кодированию, передаче, приему и декодированию передаваемой информации».
Испытывается весь функционал ТКП, кроме количества фотонов в информационном оптическом импульсе, падающим на детектор приемника. То есть испытывается, что передатчик испытываемого ТКП кодирует поступающую информацию, формирует проверочные байты кодов коррекции ошибок, формирует поток оптических импульсов с заданными временными параметрами, а приемник испытываемого ТКП демодулирует падающий поток оптических импульсов, правильно декодирует поступившую информацию, исправляет возможные ошибки с помощью кодов коррекции, снижая вероятность битовой ошибки до величины, не превышающей заданную. Испытывается максимальная скорость передачи и приема информации.
Схема испытания приведена на Фиг.1. Для его проведения на фиксированном расстоянии от испытываемого ТКП 1 устанавливается эталонный ТКП 2. Каждый из ТКП включает в себя передатчик 3 и приемник 4. Мощность излучателя эталонного ТКП ослабляется калиброванным аттенюатором 5 так, чтобы количество фотоотсчетов на один информационный оптический импульс было равно F. Вся информация обрабатывается подключенными к ТКП вычислительными устройствами 6, между которыми ведется обмен данными по независимому каналу для оценки корректности работы ТКП. Т.к. информация закодирована во временных положениях световых импульсов, которые жестко совпадают с временами возникающих за счет фотоэффекта лавин, то все проблемы декодирования информации переносятся со световых импульсов на электрические. Следует отметить, что в гейгеровском режиме работы ячеек детектора все лавины одинаковые и не зависят ни от длины волны, ни от числа фотонов в импульсе. Единственное, что требуется от световых импульсов, это инициировать достаточное для реализации заданной ошибки количества лавин, то есть обеспечить нужное значение параметра F.
Отсюда следует, что испытание приемника ТКП может быть проведено на любом расстоянии и любых длинах волн излучателя эталонного ТКП. Причем на основании этого испытания может быть выдано заключение о соответствии ТКП требованиям для его работы на любых длинах волн, попадающих в область чувствительности матрицы детектора и на любых расстояниях, т.к. его функционирование не зависит от этих параметров.
3-й этап испытаний. Определение расходимости лазерного излучения передатчика ТКП. Расходимость определяется установленной в передатчике терминала оптикой. Измерение расходимости необходимо для определения среднего количества фотонов в одном информационном оптическом импульсе, которые дойдут до детектора приемника, установленного на расстоянии L от передатчика.
В случае положительных результатов 1го и 2го тестов и расчета, что при измеренной мощности и расходимости излучателя ТКП количество инициируемых лавин в детекторе приемника на расстоянии L не ниже заданного значения параметра F, ТКП считается прошедшим испытания.
Физическим носителем битовой информации является время прихода светового импульса. Задача детектора вместе с алгоритмами обработки сигналов заключается в том, чтобы зарегистрировать наличие импульса и время его прихода. Если временная точность детектирования превышает джиттер системы детектирования, то единственным параметром, влияющим на величину ошибки при передаче информации является только ошибка в обнаружении факта наличия импульса. Эта ошибка связана с фундаментальной квантовой природой фотодетектирования, так как за счет стохастического характера фотоэффекта при фиксированной средней мощности излучения количество фотоотсчетов флуктуирует согласно статистике Пуассона [5]:
Здесь m - число фотоотсчетов,  - среднее число фотоотсчетов, связанное со средней энергией информационного оптического импульса через коэффициент пропорциональности η – квантовую эффективность детектора.
1
2
При детектировании лазерных импульсов существует вероятность ложного срабатывания p и пропуска детектируемого импульса p. Это приводит к подмене правильного значения бита на противоположное. Вероятность ошибки для используемой кодировки можно выразить как
err
1
2
p = p + p
err
пор
1
1
err
2
4
3
4
Вероятность ложного срабатывания определяется наличием шумовых фотоотсчетов в детекторе. В качестве примера рассчитаем порог  при p = 0.001. Считая распределение шума Пуассоновским, мы можем задать порог m принятия решения о наличии импульса равным 6 фотоотсчетам, что приводит к вероятности ложного срабатывания p = 6e. Как следует из формулы выше, при такой вероятности p для обеспечения вероятности сырой битовой ошибки p ≈ 1e, на p будет приходиться 3e вероятности общей ошибки, что соответствует 18 фотоотсчетам на импульс. Отсюда порог .
Таким образом, для ТКП вероятность ошибки определяется только одним параметром - количеством фотоотсчетов (лавин), возникающих за время действия информационного оптического импульса, и не зависит ни от длины волны, ни от частоты следования этих импульсов.
Для определения предельной дистанции связи воспользуемся моделью гауссовского луча. Распространение в пространстве лазерного излучения с высокой степенью точности можно аппроксимировать гауссовским пучком (Фиг.2).
Его интенсивность при распространении в пространстве определяется формулой
0
0
2
2
2
I (r, z) = I (w/w (z)) exp(-2r/w (z))
где ; Θ = 2θ; , а .
Учитывая, что полная мощность ; а интенсивность на расстоянии z определяется как , выражая в последней формуле w (z) через , а  через θ, с точностью до членов первого порядка малости получим формулу, выражающую интенсивность гауссовского пучка через {}:
0
которую для интересующих нас больших расстояний z = L между терминалами можно упростить (zθ >> w):
0
0
2
2
I (0, z) ≅ 2P/πLθ.
Как уже упоминалось, нас интересует количество фотоотсчетов на бит (информационный оптический импульс). Эта величина была обозначена выше как F. Чтобы получить выражение для F, достаточно  умножить на длительность светового импульса τ, несущего бит информации, что эквивалентно делению на величину битрейта , умножить на площадь лазерного пятна в месте нахождения детектора и на квантовую эффективность приемника на используемой длине волны, и разделить на энергию кванта. В итоге получаем окончательное выражение для количества фотоотсчетов на бит
где  - мощность лазера;  - энергия фотона на частоте лазерного излучения; L - расстояние между терминалами;  - битрейт;  - площадь детектора; η(λ) - квантовая эффективность детектора на частоте работы лазера; θ - расходимость лазерного луча.
Пример использования изобретения
Проиллюстрируем применение процедуры испытания на примере Устройства для передачи данных по слабонаправленному оптическому каналу и приема информации с помощью кремниевого фотоумножителя по технологии квантового приема информации. Основные целевые характеристики Устройства: скорость передачи данных 10 Мбит/с, дальность связи 1 км, длины волн излучателей, предусмотренных для установки в Устройство - 0.45 и 0.85 мкм, кодирование информации осуществляется позиционно-импульсной модуляцией (PPM), в качестве кодов коррекции ошибок применяются коды Рида-Соломона.
0
1
0
10
Процедура испытаний Устройства, как описывалось выше, состоит из трех этапов. На первом этапе определяется количество фотоотсчетов F, необходимое для надежного детектирования информационных оптических импульсов. Здесь мы не стремимся достичь рассчитанного выше теоретического значения порога надежного детектирования F=18 фотоотсчетов на импульс, а сразу же, чтобы увеличить надежность работы Устройства, устанавливаем двойной запас по этому параметру, выбрав в качестве критерия работоспособности Устройства пороговое значение F=40 фотоотсчетов на информационный импульс. Испытания проводятся на длине волны 0.45 мкм на кремниевом фотоумножителе Hamamatsu S133603050PE при скорости передачи данных 1 Мбит/с и временных константах PPM кодирования нулевого бита T = 500 нс и единичного бита T = 1000 нс, при длительности импульса 25 нс и расстоянии между терминалами (между приемником и передатчиком), равным 1 м. Испытание показывает, что при выбранном пороге принятия решения о наличии импульса в 6 фотоотсчетов и среднем количестве фотоотсчетов за импульс равном 40, вероятность выходной ошибки после ее коррекции кодами РидаСоломона, заложенными в алгоритм обработки, не превышает 1e. Это означает, что при эксплуатации Устройства при любых других значениях битрейта, на любых других расстояниях между терминалами, на любой другой длине волны, и, наконец, при любых расходимостях лазерного луча передатчика, необходимо лишь подстроить мощность передающего лазера P до такой величины, чтобы при падающей на детектор интенсивности излучения, один информационный импульс инициировал в среднем не менее 40 фотоотсчетов (лавин).
Второй этап испытаний проводится на расстоянии 10 м и на длине волны 0.45 мкм. Подтверждается, что устройство способно обрабатывать потоки информации с требуемой ошибкой на скорости 10 Мбит/с.
Чтобы подтвердить характеристики Устройства, остается подтвердить, что на расстоянии 1 км при длинах волн излучателя 0.45 и 0.85 мкм один информационный импульс создает не менее 40 лавин (F = 40). Как уже отмечалось, для этого достаточно оценить, что создаваемое излучателем среднее количество фотонов на импульс на расстоянии 1 км достаточно для инициации в среднем 40 фотоотсчетов на импульс при битрейте 10 Мбит/с.
Далее, согласно п. 3 процедуры испытаний производятся измерения мощности и расходимости излучения передатчика для проверки достижение необходимого значения F для двух конфигураций Устройства на расстоянии 1 км:
дет
b
В Устройстве устанавливается лазерный диод LP450SF15 с длиной волны 0.45 мкм и средней мощностью 5 мВт. Для оценки количества фотоотсчетов на 1 км в формулу (4) необходимо подставить измеренное значение расходимости 2θ = 1.5°, размер апертуры детектора S = 24 × 24 мм, значение квантового выхода на длине волны 0.45 мкм, равного 40%, а также R = 12.5 МГц, что соответствует скорости передачи информации ~ 10 Мбит/с из-за наличии в передаваемых пакетах служебной информации, включая коды РидаСоломона. В этом режиме эксплуатации F ≃ 800 фотоотсчетов, что превышает порог надежного приема F в 20 раз.
В Устройстве устанавливается лазерный диод LP850SF80 с длиной волны 0.85 мкм и средней мощностью 10 мВт. С теми же параметрами пучка и значением квантового выхода 5% на длине волны 0.85 мкм F ≈ 370 фотоотсчетов, что превышает порог надежного приема F примерно в 10 раз. Для 0.85 мкм количество фотонов в импульсе той же энергии в два раза больше, чем для 0.45 мкм.
[1] С.А. Магницкий, П.П. Гостев. RU2703797C1. Способ и система передачи медиа-информации с беспилотных воздушных средств на пункт сбора данных по слабонаправленному оптическому каналу с квантовым приемом медиапотока
[2] П.П. Гостев, А.Н. Кузнецов, С.А. Магницкий, Патент RU 2742597 С1 08.02.2021. Способ повышения производительности твердотельного фотоумножителя при регистрации малофотонных импульсов и система измерения света, реализующая данный способ.
[3] Elayoubi K., Rissons A., Belmonte A. Optical test bench experiments for 1-Tb/s satellite feeder uplinks //Laser Communication and Propagation through the Atmosphere and Oceans VII. - International Society for Optics and Photonics, 2018. - Т. 10770. - С. 1077006.
[4] Wang J. et al. Ground simulation method for arbitrary distance optical transmission of a free-space laser communication system based on an optical fiber nanoprobe //IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking. - 2017. - Т. 9. - №. 12. - С. 1136-1144.
[5] Bondurant R. S. et al. Photon-counting statistics of pulsed light sources //Optics letters. - 1982. - Т. 7. - №. 11. - С. 529-531.