МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР ОДИНОЧНЫХ ФОТОНОВ Российский патент 2024 года по МПК G01J1/42 G01J11/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее техническое решение относится к области измерительной техники, в частности, к детекторам одиночных фотонов (ДОФ), используемых в системах квантового распределения ключей (КРК) шифрования.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В качестве прототипа можно рассмотреть конструкцию ДОФ, описанного в патенте RU 196655 U1 (ООО «КуРэйт», 11.03.2020). ДОФ содержит корпус с установленным внутри лавинным фотодиодом, и содержит: сигнальную плату, на которой установлены генератор стробов, формирователь выходного импульса, источник напряжения смещения лавинного фотодиода и формирователь мертвого времени; плату контроллера, содержащую регулятор температуры и систему управления; охлаждающий контур, содержащий датчик температуры и термоэлектрический преобразователь; лавинный фотодиод, расположенный на гибкой плате, причем гибкая плата расположена внутри охлаждающего контура и содержит по меньшей мере один каскад усиления сигналов лавинного фотодиода.

[0003] Недостатком такого решения является то, что системы КРК используют кодирование в ортогональном базисе сигналов и для получения максимальной скорости генерации ключа всегда применяется два детектора одиночных фотонов - на каждое состояние в базисе. Применение двух и более такого рода ДОФ в стойке приводит к технологическому усложнению аппаратной составляющей для целей получения требуемой скорости генерации ключа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Для решения существующей вышеописанной технической проблемы предлагается новая не имеющая аналогов конструкция многоканального ДОФ, содержащего два и более лавинных фотодиодов, объединенных в едином корпусе.

[0005] Техническим результатом является повышение скорости выработки ключа, за счет синхронизации работы детекторов одиночных фотонов в рамках единого устройства.

[0006] Дополнительным техническим результатом является улучшение массогабаритных параметров ДОФ и устранение излишних кабельных соединений между детекторами, а также снижение возможности утечки ключа вследствие неравномерного распределения послеимпульсов от лавинных фотодиодов ДОФ.

[0007] Заявленное решение представляет собой многоканальный детектор одиночных фотонов (ДОФ), содержащий корпус, в котором установлены:

генератор смещения лавинного фотодиода;

формирователь выходного импульса;

формирователь импульса восстановления;

регулятор температуры;

систему управления;

по меньшей мере два ДОФ, установленных в охлаждаемом объеме, каждый из которых содержит лавинный фотодиод, нагрузочный резистор и усилитель, при этом внутри охлаждаемого объема размещены датчик температуры и термоэлектрический преобразователь;

при этом усилители ДОФ соединены с компараторами, и

в случае срабатывания одного ДОФ, от упомянутого ДОФ выполняется передача сигнала, равного длительности импульса восстановления, на второй ДОФ, который в ответ на получение упомянутого сигнала осуществляет блокировку компаратора, и формирует импульс восстановления своего лавинного фотодиода.

[0008] В одном из частных примеров осуществления, формирователь импульса восстановления имеет количество выходов по количеству установленных фотодиодов в охлаждаемом объеме.

[0009] В другом частном примере осуществления все выходные импульсы формирователя импульса восстановления формируются одновременно по приходу импульса на один из входов.

[0010] В другом частном примере осуществления лавинные фотодиоды выполнены из соединения, выбираемого из группы: InGaAs/InP, InGaAs/InAlAs, Si/Ge или Si.

[0011] В другом частном примере осуществления ДОФ вне охлаждаемого объема устанавливается дополнительный усилительный каскад.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0012] На Фиг. 1 представлена схема заявленного устройства.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] На Фиг. 1 представлена схема заявленного ДОФ (100). В общем случае ДОФ (100) содержит корпус (не показан), внутри которого располагается охлаждаемый объем (10), содержащий два или более лавинных фотодиода (101, 111), аноды которых подключены к нагрузочным резисторам (102, 112) и усилителям (103, 113). Внутри охлаждаемого объема (10) располагаются также датчик температуры (130) и термоэлектрический преобразователь (140), которые подключены к регулятору температуры (170) и системе управления (160). Вне охлаждаемого объема (10) соответствующие усилители (103, 113) подключены к компараторам (105, 115). ДОФ (100) также содержит блок формирования выходного импульса (120) и блок формирования импульса восстановления (150).

[0014] Лавинные фотодиоды (101, 111) могут выполняться на основании известных технологий, например, из таких соединений, как: InGaAs/InP, InGaAs/InAlAs, Si/Ge или Si.

[0015] Температура внутри охлаждаемого объема (10) поддерживается за счет отвода тепла термоэлектрическим преобразователем (140). Изменением напряжения на преобразователе (140) обеспечивается точное значение температуры внутри этого объема. Регулятор температуры (170) по сигналу от датчика температуры (130) изменяет напряжение на термоэлектрическом преобразователе (140) с целью поддержания точного значения температуры внутри охлаждаемого объема (10). Система управления (160) взаимодействует с внешней системой, в которой работает ДОФ (100) и предназначена для установки и регулировки параметров работы его компонентов (температура стабилизации, коэффициенты PID-регулятора, условия включения аварийных режимов), а также для информирования внешней системы о состоянии ДОФ (100). Такими параметрами могут быть, например, напряжение смещения 70 В, амплитуда сигнала стробирования 6 В пик-пик, температура лавинного фотодиода -45 градусов Цельсия. Внешнее управление обеспечивается с помощью интерфейса USB при подключении к внешнему вычислительному устройству, например, компьютеру.

[0016] Генератор смещения (180) имеет возможность регулировки выходного напряжения посредством системы управления (160), а также формирует постоянное напряжение смещения лавинных фотодиодов (101, 111) для обеспечения возможности формирования лавинного фототока.

[0017] ДОФ (100) содержит два или несколько оптоволоконных входов, подключаемых к лавинным фотодиодам (101, 111). Однофотонный сигнал, пришедший на детектор (100), вызывает протекание через фотодиоды (101, 111) лавинного фототока и последующее формирование импульса напряжения на нагрузочном резисторе фотодиодов (102, 112). Усилитель (103, 113) предназначен для повышения амплитуды импульса напряжения. Результирующий сигнал попадает на вход компараторов (105, 115).

[0018] Дополнительно вне охлаждаемого объема (10) может устанавливаться дополнительный усилительный каскад, который выполнен в виде широкополосного усилителя и применяется для улучшения соотношения сигнал-шум в случае, когда текущего соотношения сигнал-шум недостаточно для адекватного различия лавинного сигнала. Из-за технологического разброса параметров чувствительных элементов (фотодиодов) разных производителей амплитуда лавинного сигнала может сильно разниться, для чего потребуется дополнительное усиление.

[0019] Каждый компаратор (105, 115) формирует короткий импульс, который поступает на вход блока формирования выходного импульса (120) и на вход блока формирования импульса восстановления (150), который имеет количество выходов по количеству установленных фотодиодов в охлаждаемом объеме (10). Выходной сигнал формируется в виде импульса, соответствующего входному однофотонному сигналу. Импульс восстановления подается на нагрузочные резисторы (102, 112) и с его помощью на соответствующем фотодиоде (101, 111) на некоторое время падает напряжение смещения, что переводит его в состояние, при котором не протекает лавинный фототок при приходе однофотонного сигнала. Это необходимо для восстановления структуры фотодиодов (101, 111) после протекания лавинного фототока.

[0020] Заявленная архитектура многоканального ДОФ (100) позволяет осуществлять синхронизацию входящих в состав двух и более ДОФ для улучшения скорости выработки ключа, снижения вероятности послеимпульса на детекторах и нивелирования возможности атаки на мертвое время ДОФ. Это достигается за счет того, что в случае срабатывания одного ДОФ, от упомянутого ДОФ выполняется передача сигнала, равного длительности импульса восстановления, на второй ДОФ, который в ответ на получение упомянутого сигнала осуществляет блокировку компаратора, и формирует импульс восстановления своего лавинного фотодиода. Это может быть реализовано за счет включения в схему ДОФ (100) элементов ИЛИ (104, 114), каждый из которых связан с соответствующим детектором, входящим в состав ДОФ (100).

[0021] Предложенная конфигурация многоканального ДОФ (100) позволяет отказаться от использования своего регулятора температуры, датчика температуры, термоэлектрического преобразователя для каждого фотодиода (101, 111). При использовании интегрированного прибора фоточувствительного диода, включающего термоэлектрический преобразователь, датчик температуры и собственно лавинный фотодиод в микроминиатюрном исполнении достигается эффект от расположения их на общем радиаторе и использования общего двухканального регулятора температуры (170).

[0022] Тракты, образованные из усилителя и компаратора остаются индивидуальными для каждого лавинного фотодиода, и при совместной компоновке их в пределах одного устройства достигается эффект от оптимизации цепей питания и управления.

[0023] Формирователь выходного импульса (120) в предложенном решении общий для двух (или более) фотодиодов, что позволяет как получить эффект от оптимизации цепей питания и управления, так и выполнить защиту системы КРК от атаки с использованием мертвого времени, например, таким же способом как это описано в статье Weier Н. et al. Quantum eavesdropping without interception: an attack exploiting the dead time of single-photon detectors (New Journal of Physics. - 2011. - T. 13. - №. 7. - C. 073024). Однако, предлагаемый подход в вышеуказанной статье, не предполагает такой защиты и при их использовании в конечной системе необходимо организовать такой вид защиты с помощью внешнего, по отношению к детектору, устройства.

[0024] Блок формирования импульса восстановления (150) в предложенной конструкции ДОФ (100) также объединен для входящих в состав фотодиодов. Такое решение также позволяет эффективно организовать защиту от атак с использованием мертвого времени ДОФ (100) и при этом получить защиту от возможной утечки ключа вследствие неравномерного распределения послеимпульсов от двух диодов.

[0025] Предложенная конструкция ДОФ (100) может содержать и более двух фотодиодов, сохраняя компоновку основных узлов и принципа их размещения согласно схеме, предложенной на Фиг. 1.

[0026] Представленное описание заявленного решения раскрывает лишь предпочтительные примеры его реализации и не должно трактоваться как ограничивающее иные, частные примеры его осуществления, не выходящие за рамки объема правовой охраны, которые являются очевидными для специалиста соответствующей области техники.

Настоящее техническое решение относится к области измерительной техники, к детекторам одиночных фотонов (ДОФ). Заявленное решение представляет собой многоканальный ДОФ, содержащий корпус, в котором установлены: генератор смещения лавинного фотодиода; формирователь выходного импульса; формирователь импульса восстановления; регулятор температуры; систему управления; по меньшей мере два ДОФ, установленных в охлаждаемом объеме, каждый из которых содержит лавинный фотодиод, нагрузочный резистор и усилитель, при этом внутри охлаждаемого объема размещены датчик температуры и термоэлектрический преобразователь; при этом усилители ДОФ соединены с компараторами; установлены элементы ИЛИ, каждый из которых соединен через соответствующий компаратор со своим ДОФ, и в случае срабатывания одного ДОФ от упомянутого ДОФ выполняется передача сигнала, равного длительности импульса восстановления, на второй ДОФ, который в ответ на получение упомянутого сигнала осуществляет блокировку компаратора и формирует импульс восстановления своего лавинного фотодиода. Технический результат - повышение скорости выработки ключа за счет синхронизации работы детекторов одиночных фотонов в рамках единого устройства. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Многоканальный детектор одиночных фотонов (ДОФ), содержащий корпус, в котором установлены: генератор смещения лавинного фотодиода; формирователь выходного импульса; формирователь импульса восстановления; регулятор температуры; система управления; по меньшей мере два ДОФ, установленных в охлаждаемом объеме, каждый из которых содержит лавинный фотодиод, нагрузочный резистор и усилитель, при этом внутри охлаждаемого объема размещены датчик температуры и термоэлектрический преобразователь; при этом усилители ДОФ соединены с компараторами; установлены элементы ИЛИ, каждый из которых соединен через соответствующий компаратор со своим ДОФ, и в случае срабатывания одного ДОФ от упомянутого ДОФ выполняется передача сигнала, равного длительности импульса восстановления, на второй ДОФ, который в ответ на получение упомянутого сигнала осуществляет блокировку компаратора и формирует импульс восстановления своего лавинного фотодиода.

2. Детектор по п. 1, характеризующийся тем, что формирователь импульса восстановления имеет количество выходов по количеству установленных фотодиодов в охлаждаемом объёме.

3. Детектор по п. 1, характеризующийся тем, что все выходные импульсы формирователя импульса восстановления формируются одновременно по приходу импульса на один из входов.

4. Детектор по п.1, характеризующийся тем, что лавинные фотодиоды выполнены из соединения, выбираемого из группы: InGaAs/InP, InGaAs/InAlAs, Si/Ge или Si.

5. Детектор по п.1, характеризующийся тем, что вне охлаждаемого объема устанавливается дополнительный усилительный каскад.