METHOD FOR TEMPORARILY DEMULTIPLEXING A SIGNAL IN OPTICAL LASER COMMUNICATION WITH QUANTUM INFORMATION RECEPTION AND A SYSTEM THAT IMPLEMENTS THIS METHOD
Способ временного демультиплексирования сигнала в оптической лазерной связи с квантовым приемом информации и система, реализующая данный способ

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение применимо, в частности, в области оптической связи, где в качестве приемного детектора используются твердотельные фотоумножители
Заявленное изобретение относится к способам временного демультиплексирования для приемников оптических линий связи с квантовым приемом информации на основе массива многопиксельных фотодетекторов, в особенности твердотельных фотоумножителей (в частности SiPM (Si-ФЭУ), GMAPD Array, SPAD Array), при регистрации потока фотонов, обладающего следующими свойствами: поток организован по времени в виде упорядоченной последовательности малофотонных оптических импульсов (ниже будем называть малофотонными импульсами); временной промежуток между ближайшими малофотонными импульсами меньше, чем мертвое время отдельной микроячейки твердотельного фотоумножителя. Оно относится также к системе измерения света, реализующей этот способ.
Заявленное изобретение развивает технологию квантового приема информации, предложенную нами в патенте RU 2703797 C1 [1], и технологию повышения производительности систем с квантовым приемом информации на основе твердотельного фотоумножителя при регистрации малофотонных импульсов [2].
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, использующих эти технологии, не реализован потенциал по увеличению их производительности за счет использования для приема информации массивов независимых многопиксельных фотодетекторов.
Из уровня техники известны способы повышения производительности систем оптической лазерной связи за счет мультиплексирования потоков данных [3]. Один из известных способов состоит во временном мультиплексировании сигналов [4], которое заключается в объединении сдвинутых друг относительно друга потоков информационных импульсов для повышения опорной частоты суммарного информационного сигнала. В волоконной оптической связи для демультиплексирования такого сигнала применяются волоконные интерферометры [4].
Эти известные способы демультиплексирования [3,4] имеют недостатки: не применимы в оптической связи через свободное пространство из-за случайных изменений фазы сигнала при его заведении из открытого пространства в волокно детектора, не применимы в оптической связи с квантовым приемом информации из-за возникающих ошибок при интерференции малофотонных импульсов.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой заявленного решения является создание способа временного демультиплексирования потоков оптических малофотонных импульсов с высокой опорной частотой для приемников на основе массива многопиксельных фотодетекторов в оптических линиях связи с квантовым приемом информации.
Технический результат заключается в решении указанной технической проблемы и достигается в способе временного демультиплексирования для приемников на основе массива многопиксельных фотодетекторов в оптических линиях связи с квантовым приемом информации и включает этапы, на которых:
- организуют массив многопиксельных детекторов - детекторное поле (ДП), - в виде круга;
- устанавливают высокоскоростной отклоняющий элемент (ОЭ) так, чтобы он мог направлять луч на каждый детектор из ДП, время перенаправления пучка между детекторами было меньше, чем промежуток между следующими друг за другом малофотонными оптическими импульсами, а время удержания луча на отдельном фотодетекторе было больше, чем длительность отдельного малофотонного оптического импульса;
- формируют поток малофотонных оптических импульсов так, чтобы он падал на ОЭ вдоль линии нулевого отклонения пучка;
- модулируют угол отклонения потока малофотонных оптических импульсов так, чтобы частота их падения на отдельный многопиксельный фотодетектор не превышала максимально возможную частоту регистрации им малофотонных оптических импульсов, и каждый оптический импульс регистрировался отдельным детектором.
Дополнительной особенностью является возможность организации детекторного поля в виде сектора криволинейной поверхности вращения с фокусом в месте установки ОЭ.
Указанный результат достигается также в системе временного демультиплексирования сигнала для приемников оптических линий связи с квантовым приемом информации, реализующей данный способ и содержащей:
- высокоскоростной отклоняющий элемент, установленный так, что по линии нулевого отклонения пучка на него падает достаточно хорошо сколлимированное излучение, содержащее поток оптических малофотонных импульсов;
- массив многопиксельных фотодетекторов в виде круга либо сектора криволинейной поверхности вращения с фокусом в месте установки ОЭ;
- блок сбора и обработки информации, необходимый для генерации информационного потока из последовательности событий фотодетектирования.
Заявленное изобретение поясняется с использованием чертежей, где:
Фиг. 1. Система временного демультиплексирования последовательностей оптических импульсов.
Фиг. 2. Сравнение быстродействия системы при отклонении пучка по формуле (1) (метка 1) и по формуле (2) (метка 2).
Фиг. 3. Сравнение траекторий пучка на ДП при его отклонении по формуле (1) (метка 1) и по формуле (2) (метка 2).
Фиг. 4. Сравнение траекторий пучка на ДП при его отклонении по формуле (2) (метка 1) и по формуле (3) (метка 2).
Фиг. 5. Сравнение быстродействия системы при отклонении пучка по формуле (1) (метка 1), по формуле (2) (метка 2) и по формуле (3) (метка 3)
Осуществление изобретения
Способ, являющийся предметом данного изобретения, позволяет эффективно объединять относительно медленные детекторы для формирования быстрых систем приема последовательностей оптических импульсов и обладает следующими преимуществами:
- Не требует коррекции волнового фронта для проведения временного демультиплексирования;
- Не требует интерференционной волоконной техники;
- Применим в оптической связи через свободное пространство, в частности, в космосе, в атмосфере, в воде.
Принцип работы системы временного демультиплексирования сигнала для приемников оптических линий связи с квантовым приемом информации состоит в следующем: пучок света, состоящий из последовательности малофотонных оптических импульсов с определенным периодом следования падает нормально вдоль линии нулевого отклонения на отклоняющий элемент 1 (работающий по принципу, например, acousto-optic beam steering [5], electro-optic beam steering [6]), который отклоняет пучок на определенный угол, зависящий от времени по закону спирали, которая сначала расходится от центра детекторного поля (массива многопиксельных детекторов) 2 к его краю, а затем сходится в обратном направлении. Частота модуляции угла отклонения выбирается такой, что на один детектор не может попасть два или более последовательных импульса, то есть время прохождения пучком детектора от края до края соответствует периоду следования оптических импульсов. Информация о зарегистрированных импульсах агрегируется блоком сбора и обработки информации 3, который собирает всю информацию о зарегистрированных на детекторном поле импульсах и формирует из нее битовый поток - то есть информацию, которая и была передана в потоке оптических импульсов.
Благодаря тому, что детекторов много, каждый детектор регистрирует информационные импульсы относительно редко. Для определения предельных возможностей предлагаемого способа и рассматриваемой системы можно написать уравнение, связывающее характеристики потока импульсов (период ), характеристики ОЭ (угол поперечного отклонения  при повороте пучка на 1 радиан), детектора (его сторона  и мертвое время микроячейки детектора ) и детекторного поля (радиус , расстояние до ОЭ ).
Рассмотрим простейшую конфигурацию системы, когда детекторное поле (ДП) представляет собой круг, а алгоритм отклонения пучка представляет собой архимедову спираль, то есть гладкую спираль с монотонным ростом расстояния от точки спирали до её центра. Тогда координаты места падения пучка на ДП описываются параметрическим уравнением в полярных координатах (полярный радиус r, полярный угол ϕ):
При этом сначала r увеличивается от 0 до R, а потом снова уменьшается до 0. За один полный оборот (2π) расстояние должно измениться примерно на размер стороны детектора (если считать, что они расположены вплотную), то есть
Это соотношение дает нам ограничение на расположение ДП относительно ОЭ с учетом допустимой скорости отклонения пучка: чем больше d, тем больше будет L.
Для оценки границы быстродействия такой системы найдем минимальное время между срабатываниями отдельного детектора. Этот детектор будет находиться на границе круга, так как лазерный пучок между его последовательными засвечиваниями будет проходить только один полный круг, то есть 2πR. Мы считаем, что пучок движется с постоянной скоростью, проходя за время τ расстояние, примерно равное d, поэтому время между последовательными срабатываниями одного и того же детектора на границе ДП равно:
Если , то при достаточно коротких оптических импульсах система будет работать. Пусть мертвое время  с (10 нс), d = 1 мм. Рассмотрим предельный случай . При этом минимальный период следования оптических импульсов, при котором система будет обрабатывать их без ошибок может быть вычислен следующим образом:
То есть максимальная частота следования  пропорциональна R. Эта зависимость изображена на Фиг. 2 и помечена цифрой 1. Видно, что для круга радиусом 10 см достижима частота более 60 ГГц (точнее 20π ГГц). Преодолеть это ограничение можно, если построить перемещение пучка таким образом, что пучок не достигнет того же детектора на последнем ряду ДП, а перейдет на внутренний ряд ДП. Это позволяет повысить предельную частоту в 1.5 раза до 30π ГГц (см. график с меткой 2 на Фиг. 2). Этого можно достичь при использовании модифицированного паттерна перемещения пучка, изображенного на Фиг. 3 с меткой 2 в сравнении с архимедовой спиралью (см. Фиг. 3 с меткой 1). Этот паттерн описывается параметрическим уравнением:
Дополнительно повысить скорость можно, если при расширении спирали учитывать одну полуокружность паттерна, описанного предыдущей формулой, а при её сужении - другую. При таком алгоритме перемещения пучка минимальное время между срабатываниями отдельного детектора существенно увеличивается: за цикл сужения и расширения каждый детектор сработает только один раз. Такой модифицированный паттерн описывается параметрическим уравнением:
На Фиг. 4 он изображен вместе с предыдущим (который помечен цифрой 1) и помечен цифрой 2. Траектория движения пучка за цикл представляет собой набор концентрических окружностей с радиусами от 0 до R и разностью между радиусами последовательных окружностей d. То есть время между последовательными срабатываниями будет равно
Если подставить сюда параметры, которые применялись для расчетов выше, то получим, что
Квадратичная зависимость  от R приводит к более быстрому росту производительности системы, чем в предыдущих случаях, позволяя теоретически достичь для кругового ДП радиусом 10 см частоты приема π ТГц. Заметим, что это достижимо при быстродействии отдельного детектора всего 100 МГц.
Таким образом, применение оптимизированного алгоритма перемещения пучка по ДП, а также самой структуры ДП, может привести к значительному повышению предельной частоты следования оптических импульсов, а значит и пропускной способности системы связи.
Применение способа повышения производительности, описанного в патенте [2], позволяет снизить мертвое время отдельного детектора по крайней мере до 1 нс, при этом при тех же параметрах  вырастает до 10π ТГц.
[1] С.А. Магницкий, П.П. Гостев. RU 2703797 C1 22.10.2019. 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 C1 08.02.2021.
Способ повышения производительности твердотельного фотоумножителя при регистрации малофотонных импульсов и система измерения света, реализующая данный способ.
[3] Sharma V. et al. Review on multiplexing techniques in optical communication systems // European Scientific Journal. - 2015.
[4] Glesk I. et al. Ultra-fast all-optical switching in optical networks // Progress in optics. - 2003. - Т. 45. - С. 53-118.
[5] Safavi-Naeini Amir-Hossein, et al. Acousto-Optic Beam Steering System, United States Patent Application 20200192184, 18.06.2020.
[6] Davis S. et al. Electro-optic steering of a laser beam //SPIE Newsroom. - 2011. - Т. 13.