pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2021-12-2-156-165pimi-715Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsИзмерение вероятности стирания двоичного символа «0» в однофотонном асинхронном канале связи с приёмником на основе счётчика фотоновMeasurement of the Probability of a Binary Symbol «0» Erasing in a Single-Photon Asynchronous Communication Channel with a Receiver Based on a Photon CounterТимофеевА. М.TimofeevA. M.

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

e-mail: tamvks@mail.ru

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

tamvks@mail.ruБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиБеларусьBelarusian State University of Informatics and RadioelectronicsBelarus202128062021122156165Copyright © Тимофеев А.М., 20212021Тимофеев 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/715

При измерении маломощных оптических сигналов приёмные модули каналов однофотонной связи должны обеспечивать наименьшие потери передаваемой информации. В этой связи целесообразно использовать счётчики фотонов, которые являются высокочувствительными, однако характеризуются ошибками регистрации данных. Поэтому цель работы – исследовать влияние интенсивности регистрируемого оптического излучения при передаче двоичных символов «0» на вероятность стирания этих символов в канале однофотонной связи, содержащем в качестве приёмного модуля счётчик фотонов на базе лавинного фотоприёмника с включением по схеме пассивного гашения лавины.

На основе методики уменьшения потерь информации определены нижний и верхний пороговые уровни зарегистрированных на выходе счётчика фотонов импульсов, а также статистические распределения смеси числа темновых и сигнальных импульсов на выходе счётчика фотонов при регистрации двоичных символов «0» Pst0( N ) и двоичных символов «1» Pst1( N ), при которых вероятность стирания двоичных символов «0» P(–/0) минимальная.

Экспериментальные результаты показали, что для достижения минимальной вероятности стирания двоичных символов «0» P(–/0) = 0,11·10−2 важно подбирать не только интенсивность используемого оптического излучения J0 , но и напряжение питания лавинного фотоприёмника Uпит , при которых мёртвое время счётчика фотонов минимально, а его квантовая эффективность регистрации максимальна: J0 ≥ 98,94·10-2 отн. ед. и Uпит = 52,54 В.

Receiving modules of single-photon communication channels should provide the least loss of transmitted information when measuring low-power optical signals. In this regard, it is advisable to use photon counters. They are highly sensitive, but are characterized by data logging errors. Therefore, the purpose of this work was to investigate the effect of the intensity of the recorded optical radiation during the transmission of binary symbols «0» on the probability of erasing these symbols in a single-photon communication channel containing a photon counter based on an avalanche photodetector as a receiving module with a passive avalanche suppression scheme.

The lower and upper threshold levels of pulses recorded at the output of the photon counter, as well as the statistical distributions of the mixture of the number of dark and signal pulses at the output of the photon counter when registering binary symbols «0» Pst0( N ) and «1» Pst1( N ) were determined. For this, a technique was used to reduce information loss. As a result, the minimum probability of erasing binary symbols «0» P(–/0) was achieved.

The performed experimental results showed that to achieve the minimum probability of erasing binary symbols «0» P(–/0) = 0,11·10−2, it is important to select not only the intensity of the used optical radiation J , but also the supply voltage of the avalanche photodetector U, at which the dead time of the photon counter is −2 minimal, and its quantum detection efficiency is maximum: J0 ≥ 98,94·10−2 rel. units and U = 52,54 V.

 

счётчик фотоновканал однофотонной связивероятность ошибочной регистрации двоичных символовphoton countersingle-photon communication channelprobability of erroneous registration of binary symbolsReferencesДмитриев С.А. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и новые перспективы / С.А. Дмитриев, Н.Н. Слепов. – 3-е изд. – М.: Техносфера, 2010. – 608 с.Dmitriev S.A., Slepov N.N. Volokonnoopticheskaya tehnika: sovremennoe sostoyanie i novyie perspektivyi [Fiber optic technology: current state and new perspectives]. – 3rd ed. – Moscow, Technosphere Publ., 2010, 608 p.Щеглов А.Ю. Анализ и проектирование защиты информационных систем. Контроль доступа к компьютерным ресурсам: методы, модели, технические решения / А.Ю. Щеглов. – СПб.: Профессиональная литература, 2017. – 416 с.Scheglov A.Yu. Analiz i proektirovanie zaschityi informatsionnyih sistem. Kontrol dostupa k kompyuternyim resursam: metodyi, modeli, tehnicheskie resheniya [Analysis and design of information systems protection. Control of access to computer resources: methods, models, technical solutions]. St. Petersburg, Professional literature, 2017, 416 p.Vacca 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/C2011-0-08782-3Тимофеев А.М. Влияние времени однофотонной передачи информации на вероятность ошибочной регистрации данных асинхронных квантово-криптографических каналов связи / А.М. Тимофеев // Вестник ТГТУ. – 2019. – Т. 25. – № 1. – С. 36–46. DOI: 10.17277/vestnik.2019.01.pp.036-046Timofeev A.M. [The effect of single photon transmission time on the probability of erroneous registration of asynchronous data of quantum cryptographic communication channels]. Vestnik TGTU [Transactions TSTU], 2019, vol. 25, no. 1, pp. 36–46 (in Russian). DOI: 10.17277/vestnik.2019.01.pp.036-046Yiannopoulos 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.2019.100756Yiannopoulos 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.2019.100756Тимофеев А.М. Влияние времени однофотонной передачи информации на достоверность ее приема 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: 10.21122/2309-4923-2019-1-67-72Килин С.Я. Квантовая криптография: идеи и практика / С.Я. Килин; под ред. С.Я. Килин, Д.Б. Хорошко, А.П. Низовцев. – Минск: Белорусская наука, 2007. – 391 с.Kilin S.Ya. Kvantovaya kriptografiya: idei i praktika [Quantum cryptography: ideas and practices]. Minsk, Belarus. Sci Publ., 2007, 391 p.Гулаков И.Р. Фотоприемники 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.Калачев 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: 10.22184/1993-7296.2017.62.2.80.88Cova S.D., Ghioni M. Single-photon counting detectors. IEEE Photonics Journal. − 2011. − Vol. 3, no. 2. −Pp. 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.2011.2130518Hu 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. – Pp. 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. – Pp. 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. – Pp. 1042–1054. DOI: 10.3390/s19051042Hong Z., Yan Q., Li Z., Zhan T., Wang Y. Photon-counting underwater optical wireless communication for reliable video transmission using joint sourcechannel coding based on distributed compressive sensing. Sensors, 2019, vol. 19, no. 5, pp. 1042–1054. DOI: 10.3390/s19051042Zadeh 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. – Pp. 111301-1–111301-7. DOI: 10.1063/1.5000001Zadeh 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, 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. – Pp. 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, pp. 1–13. DOI: 10.1038/lsa.2015.59Тимофеев А.М. Скорость передачи информации однофотонного канала связи с приемным модулем на основе счетчика фотонов с мертвым временем продлевающегося типа / А.М. Тимофеев // Труды БГТУ. Сер. 3, Физико-математические науки и информатика. – 2019. – № 2. – С. 79–86.Timofeev A.M. [Information transfer rate of a single photon communication channel with a receiver module based on a photon counter with a dead time of a prolonged type]. Trudyi BGTU. Ser. 3, Fizikomatematicheskie nauki i informatika [Proceedings of BSTU. Issue 3. Physics and mathematics. Informatics], 2019, no. 2, pp. 79–86 (in Russian).Тимофеев А.М. Оценка влияния продлевающегося мертвого времени счетчика 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 influence on the probability of erroneous data registration of quantum-cryptographic communication channels]. Vestnik svyazi [Communication bulletin], 2018, no. 1, pp. 56–62 (in Russian).Клюев Л.Л. Теория электрической связи: учебник / Л.Л. Клюев. – Минск: Техноперспектива, 2008. – 423 с.Klyuev L.L. Teoriya elektricheskoy svyazi: uchebnik [The theory of electrical communication: textbook]. Minsk: Techn.Perspect. Publ., 2008, 423 p.Биккенин Р.Р. Теория электрической связи / Р.Р. Биккенин, М.Н. Чесноков. – М.: 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.Privitera S. Single photon avalanche diodes: towards the large bidimensional arrays / S. Privitera [et al.] // Sensors. – 2008. – Vol. 8. – Pp. 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, 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. – Pp. 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. – Pp. 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, pp. 17448–17459. DOI: 10.1364/OE.18.017448Nuriyev 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. – Pp. 320–322. DOI: 10.1016/j.nima.2017.12.006Nuriyev S., Ahmadov F., Sadygov Z., Akberov R., Ahmadov G., Abbasov . 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. – Pp. 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. – Pp. 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, pp. 337–352. DOI: 10.1080/09500340600779579Prochazka I. Single photon detector package with sub-picosecond limiting precision and stability / Prochazka, J. Blazej, J. Kodet // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. – 2018. – Vol. 912. – Pp. 213–216. DOI: 10.1016/j.nima.2017.11.044Prochazka I., Blazej J., Kodet J. Single photon detector package with sub-picosecond limiting precision and stability. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2018, vol. 912, pp. 213–216. DOI: 10.1016/j.nima.2017.11.044Тимофеев А.М. Оценка влияния интенсивности оптического сигнала на вероятность ошибочной регистрации данных в однофотонном канале связи / А.М. Тимофеев // Информатика. – 2021. – T. 18. – № 2. – С. 84–94. DOI: 10.37661/1816-0301-2021-18-2-84-94Timofeev A.M. [Assessment of the influence of the intensity of the optical signal on the probability of erroneous data registration in a single-photon communication channel]. Informatika [Informatics], 2021, vol. 18, no. 2, pp. 84–94 (in Russian). DOI: 10.37661/1816-0301-2021-18-2-84-94

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