pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2020-11-1-70-81pimi-641Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsМетодика снижения потерь информации в асинхронном двоичном однофотонном канале связи с приёмником на основе счётчика фотоновMethod of Achieving the Least Loss of Information in an Asynchronous Binary Single-Photon Communication Channel with a Receiver Based on a Photon CounterТимофеевА. М.TimofeevA. M.

Адрес для переписки:  А.М. Тимофеев – Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, ул. П. Бровки, 6, г. Минск 220013, Беларусь.    e-mail: tamvks@mail.ru

Address for correspondence: A.M. Timofeev – Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, Brovki str. 6, Minsk, 220013, Belarus.    e-mail: tamvks@mail.ru

ftamvks@mail.ruБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиБеларусьBelarusian State University of Informatics and RadioelectronicsBelarus2020170320201117081Copyright © Тимофеев А.М., 20202020Тимофеев А.М.Timofeev A.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/641

Приёмные модули однофотонных систем связи при измерении маломощных оптических сигналов должны обеспечивать наименьшие потери передаваемой информации. В этой связи целесообразно использовать счётчики фотонов, которые являются высокочувствительными, однако характеризуются ошибками регистрации данных. Цель работы – разработать методику определения интенсивности регистрируемого оптического излучения в канале однофотонной связи с приёмным модулем на основе счётчика фотонов, позволяющую уменьшить вероятность ошибочной регистрации передаваемых двоичных символов.

Разработаны методика снижения потерь информации в асинхронном двоичном однофотонном канале связи с приёмником на основе счётчика фотонов и устройство, её реализующее. Данная методика основана на использовании статистических распределений смеси числа темновых и сигнальных импульсов, полученных на выходе счётчика фотонов при регистрации двоичных символов «0» Pst 0 (N) и «1» Pst 1 (N). Сущность методики заключается в определении интенсивностей оптических сигналов для передачи двоичных символов («0» и «1») и пороговых уровней N1 и N2 импульсов, зарегистрированных на выходе счетчика фотонов. 

Методика позволяет определить нижний и верхний пороговые уровни зарегистрированных импульсов, а также интенсивности оптических сигналов при передаче двоичных символов, обеспечивающие уменьшение вероятности ошибочной регистрации двоичных данных.

Receiving modules of single-photon communication systems should provide the smallest loss of transmitted information when measuring low-power optical signals. In this regard, it is advisable to use photon counters. They are the most highly sensitive, but characterized by data recording errors. The aim of this work was to develop a method for determining the intensity of recorded optical signal in a singlephoton communication channel with a receiving module based on a photon counter, which ensures the least probability of erroneous registration of transmitted binary symbols.

Methods of achieving the least loss of information in asynchronous photon binary communication channel with a receiver-based photon counter has been developed. A device for implementing this methods has been created. The method is based on using the statistical distribution of the mixture of the number of dark and signal pulses received at the output of the photon counter when registering binary symbols "0" Pst 0 (N ) and symbols "1" Pst 1 (N ). The essence of the method consists in determining the intensities of optical signals for transmitting binary symbols ("0" and "1") and threshold levels of the pulses N1 and N2 registered at the output of the photon counter. 

The method allows to determine the lower and upper threshold levels of recorded pulses and the intensity of optical signals in the transmission of binary data. Moreover, the probability of erroneous registration of binary symbols is minimal.

счётчик фотоновканал однофотонной связивероятность ошибочной регистрации двоичных символовphoton countersingle-photon communication channelprobability of erroneous registration of binary symbols.ReferencesVacca, J.R. Managing Information Security. – 2nd Edition / J.R. Vacca // Elsevier Inc: Waltham, 2014. – 372 p. DOI: 10.1016/C2011-0-08782-3Vacca J.R. Managing Information Security. – 2nd Edition. Elsevier Inc., Waltham, 2014, 372 p. DOI: 10.1016/C2011-0-08782-3Дмитриев, С.А. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и новые перспективы / С.А. Дмитриев, Н.Н. Слепов. – Москва: Техносфера, 2010. – 608 с.Dmitriev S.A., Slepov N.N. Volokonno-opticheskaya tehnika: sovremennoe sostoyanie i novyie perspektivyi [Fiber optic technology: current state and new perspectives]. Moscow, Technosphere Publ., 2010, 608 p.Тимофеев, А.М. Влияние времени однофотонной передачи информации на достоверность её приёма в квантово-криптографическом канале связи / А.М. Тимофеев // Системный анализ и прикладная информатика. – 2019.– № 1. – С. 67–72. DOI: 10.21122/2309-4923-2019-1-67-72Timofeev A.M. [The influence of the time of single photon transmission of information on the reliability of its reception in a quantum cryptographic communication channel]. Sistemnyiy analiz i prikladnaya informatika [System analysis and applied information science], 2019, no. 1, pp. 67–72 (in Russian). DOI: 10.21122/2309-4923-2019-1-67-72Тимофеев, А.М. Оценка влияния мёртвого времени счётчика фотонов на скорость передачи информации в канале однофотонной связи / А.М. Тимофеев // Вестник связи. – 2019. – № 6. – С. 55–61.Timofeev A.M. [Estimation of the effect of dead time of the photon counter on the information transfer rate in a single-photon communication channel]. Vestnik svyazi [Communication bulletin], 2019, no. 6, pp. 55–61 (in Russian).Yiannopoulos, K. On the photon counting error probability and its application in optical wireless communications / K. Yiannopoulos, N.C. Sagias, A.C. Boucouvalas // Physical Communication. – 2019. – Vol. 36. – P. 100756–100764. DOI: 10.1016/j.phycom.2019.100756Yiannopoulos K., Sagias N.C., Boucouvalas A.C. On the photon counting error probability and its application in optical wireless communications. Physical Communication, 2019, vol. 36, pp. 100756–100764. DOI: 10.1016/j.phycom.2019.100756Килин, С.Я. Квантовая криптография: идеи и практика / С.Я. Килин; под ред. С.Я. Килин, Д.Б. Хорошко, А.П. Низовцев. – Минск: Белорус. наука, 2007. – 391 с.Kilin S.Ya. Kvantovaya kriptografiya: idei i praktika [Quantum cryptography: ideas and practices]. – Minsk, Belarus. Sci. Publ., 2007, 391 p.Hu, S. 35.88 attenuation lengths and 3.32 bits/ photon underwater optical wireless communication based on photon-counting receiver with 256-PPM / S. Hu [et al.] // Optics Express. – 2018. – Vol. 26, no. 17. – P. 21685–21699. DOI: 10.1364/OE.26.021685Hu S., Mi L., Zhou T., Chen W. 35.88 attenuation lengths and 3.32 bits/photon underwater optical wireless communication based on photon-counting receiver with 256-PPM. Optics Express, 2019, vol. 26, no. 17, pp. 21685–21699. DOI: 10.1364/OE.26.021685Bourennane, M. Single-photon counters in the telecom wavelength region of 1550 nm for quantum information processing / M. Bourennane [et al.] // Journal of Modern Optics. – 2001. – Vol. 48, no. 13. – P. 1983– 1995. DOI: 10.1080/09500340110075131Bourennane M., Karlsson A., Pena J.C., Mathés M. Single-photon counters in the telecom wavelength region of 1550 nm for quantum information processing. Journal of Modern Optics, 2001, vol. 48, no. 13, pp. 1983– 1995. DOI: 10.1080/09500340110075131Hong, Z. Photon-counting underwater optical wireless communication for reliable video transmission using joint source-channel coding based on distributed compressive sensing / Z. Hong [et al.] // Sensors. – 2019. – Vol. 19, no. 5. – P. 1042–1054. DOI: 10.3390/s19051042Hong Z., Yan Q., Li Z., Zhan T., Wang Y. Photoncounting underwater optical wireless communication for reliable video transmission using joint source-channel coding based on distributed compressive sensing. Sensors, 2019, vol. 19, no. 5, pp. 1042–1054. DOI: 10.3390/s19051042Калачев, А.А. Элементная база дальнодействующей квантовой связи. Часть 1 / А.А. Калачев // Фотоника. – 2017. – № 1. – С. 88–98. DOI: 10.22184/1993-7296.2017.61.1.88.98Kalachev A.A. [Components of long-distance quantum communication. Part 1]. Fotonika [Photonics], 2017, no. 1, pp. 88–98 (in Russian). DOI: 10.22184/1993-7296.2017.61.1.88.98Калачев, А.А. Элементная база дальнодействующей квантовой связи. Часть 2 / А.А. Калачев // Фотоника. – 2017. – № 2. – С. 80–88. DOI: 10.22184/1993-7296.2017.62.2.80.88Kalachev A.A. [Components of long-distance quantum communication. Part 1]. Fotonika [Photonics], 2017, no. 2, pp. 80–88 (in Russian). DOI: 10.22184/1993-7296.2017.62.2.80.88Zadeh, I.E. Single-photon detectors combining high efficiency, high detection rates, and ultra-high timing resolution / I.E. Zadeh [et al.] // APL Photonics. – 2017. – Vol. 2, iss. 11. – P. 111301-1–111301-7. DOI: 10.1063/1.5000001Zadeha I.E., Los J.W.N., Gourgues R.B.M., Steinmetz V., Bulgarini G., Dobrovolskiy S.M., Zwillerb V., Dorenbos S.N. Single-photon detectors combining high efficiency, high detection rates, and ultra-high timing resolution. APL Photonics, 2017, vol. 2, iss. 11, pp. 111301-1–111301-7. DOI: 10.1063/1.5000001Zhang, J. Advances in InGaAs/InP singlephoton detector systems for quantum communication / J. Zhang [et al.] // Light: Science & Applications. – 2015. – Vol. 4, iss. 5. – P. 1–13. DOI: 10.1038/lsa.2015.59Zhang J., Itzler M.A., Zbinden H., Pan J.-W. Advances in InGaAs/InP single-photon detector systems for quantum communication. Light: Science & Applications, 2015, vol. 4, iss. 15, pp. 1–13. DOI: 10.1038/lsa.2015.59Гулаков, И.Р. Фотоприёмники квантовых систем: монография / И.Р. Гулаков, А.О. Зеневич. – Минск: УО ВГКС, 2012. – 276 с.Gulakov I.R., Zenevich A.O. Fotopriemniki kvantovyih sistem: monografiya [Photodetectors of quantum systems: monograph]. Minsk, EI HSCC, 2012, 276 p.Cova, S.D. Single-photon counting detectors / S.D. Cova, M. Ghioni // IEEE Photonics Journal. – 2011. – Vol. 3, no. 2. – P. 274–277. DOI: 10.1109/JPHOT.2011.2130518Cova S.D., Ghioni M. Single-photon counting detectors. IEEE Photonics Journal, 2011, vol. 3, no. 2, pp. 274–277. DOI: 10.1109/JPHOT.2011.2130518Privitera, S. Single photon avalanche diodes: towards the large bidimensional arrays / S. Privitera [et al.] // Sensors. – 2008. – Vol. 8, iss. 8. – P. 4636–4655. DOI: 10.3390/s8084636Privitera S., Tudisco S., Lanzano L., Musumeci F., Pluchino A., Scordino A., Campisi A., Cosentino L., Finocchiaro P., Condorelli G., Mazzillo M., Lombardo S., Sciacca E. Single photon avalanche diodes: towards the large bidimensional arrays. Sensors, 2008, vol. 8, iss. 8, pp. 4636–4655. DOI: 10.3390/s8084636Campajola, M. Proton induced dark count rate degradation in 150-nm CMOS single-photon avalanche diodes / M. Campajola [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. – 2019. – Vol. 947. – P. 162722–162728. DOI: 10.1016/j.nima.2019.162722Campajola M., Capua F.D., Fiore D., Sarnelli E., Aloisio A. Proton induced dark count rate degradation in 150-nm CMOS single-photon avalanche diodes. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2019, vol. 947, pp. 162722–162728. DOI: 10.1016/j.nima.2019.162722Stipčević, M. Characterization of a novel avalanche photodiode for single photon detection in VIS-NIR range / M. Stipčević [et al.] // Optics Express. – 2010. – Vol. 18, iss. 16. – P. 17448–17459. DOI: 10.1364/OE.18.017448Stipčević M., Skenderović H., Gracin D. Characterization of a novel avalanche photodiode for single photon detection in VIS-NIR range. Optics Express, 2010, vol. 18, iss. 16, pp. 17448–17459. DOI: 10.1364/OE.18.017448Тимофеев, А.М. Достоверность принятой информации при ее регистрации в однофотонном канале связи при помощи счетчика фотонов / А.М. Тимофеев // Информатика. – 2019. – T. 16. – № 2. – С. 90–98.Timofeev A.M. [The reliability of the received information if it is registered in the single photon communication channel using the photon counter]. Informatika [Informatics], 2019, vol. 16, no. 2, pp. 90–95 (in Russian).Nuriyev, S. Performance of a new generation of micropixel avalanche photodiodes with high pixel density and high photon detection efficiency / S. Nuriyev [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. – 2018. – Vol. 912. – P. 320–322. DOI: 10.1016/j.nima.2017.12.006Nuriyev S., Ahmadov F., Sadygov Z., Akberov R., Ahmadov G., Abbasov I. Performance of a new generation of micropixel avalanche photodiodes with high pixel density and high photon detection efficiency. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2018, vol. 912, pp. 320–322. DOI: 10.1016/j.nima.2017.12.006Stucki, D. Photon counting for quantum key distribution with Peltier cooled InGaAs/InP APDs / D. Stucki [et al.] // Journal of Modern Optics. – 2001. – Vol. 48, no. 13. – P. 1967–1981. DOI: 10.1080/09500340108240900Stucki D., Ribordy G., Stefanov A., Zbinden H., Rarity J.G., Wall T. Photon counting for quantum key distribution with Peltier cooled InGaAs/InP APDs. Journal of Modern Optics, 2001, vol. 48, no. 13, pp. 1967– 1981. DOI: 10.1080/09500340108240900Castelletto, S.A. Reduced deadtime and higher rate photon-counting detection using a multiplexed detector array / S.A. Castelletto [et al.] // Journal of Modern Optics – 2007. – Vol. 54, iss. 2–3. – P. 337–352. DOI: 10.1080/09500340600779579Castelletto S.A., Degiovanni I.P., Schettini V., Migdall A.L. Reduced deadtime and higher rate photoncounting detection using a multiplexed detector array. Journal of Modern Optics, 2007, vol. 54, iss. 2–3, pp. 337–352. DOI: 10.1080/09500340600779579Биккенин, Р.Р. Теория электрической связи / Р.Р. Биккенин, М.Н. Чесноков. – Москва: Издательский цент «Академия», 2010. – 336 с.Bikkenin R.R., Chesnokov M.N. Teoriya elektricheskoy svyazi [The theory of electrical communication]. Moscow, Publ. Cent "Academy", 2010, 336 p.Тимофеев, А.М. Оценка влияния продлевающегося мёртвого времени счётчика фотонов на вероятность ошибочной регистрации данных квантовокриптографических каналов связи / А.М. Тимофеев // Вестник связи. – 2018. – № 1. – С. 56–62.Timofeev A.M. [Estimation of the photons counter lasting dead time influece on the probability of erroneous data registration of quantum-cryptographic communication channels]. Vestnik svyazi [Communication bulletin], 2018, no. 1, pp. 56–62 (in Russian).Гулаков, И.Р. Метод счета фотонов в оптикофизических измерениях / И.Р. Гулаков, С.В. Холондырев. – Минск: Университетское, 1989. – 256 с.Gulakov I.R., Kholondyrev S.V. Metod scheta fotonov v optiko-fizicheskih izmereniyah [Photon counting method in the optical and physical measurements]. Minsk, University Publ., 1989, 256 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.