Вероятность ошибочной регистрации данных в однофотонном канале связи стирающего типа с приёмником на основе счётчика фотонов

При измерении маломощных оптических сигналов, передаваемых в каналах однофотонной связи, приёмные модули должны обеспечивать наибольшую достоверность принятых данных.

В этой связи целесообразно использовать счётчики фотонов, которые являются высокочувствительными, однако характеризуются ошибками регистрации данных. Поэтому цель работы– исследовать влияние интенсивности регистрируемого оптического излучения J₀ при передаче двоичных символов «0» на вероятность регистрации на выходе канала связи символов «1» при наличии символов «0» на его входе P(1/0).

На основе методики уменьшения потерь информации определены статистические распределения смеси числа темновых и сигнальных импульсов на выходе счётчика фотонов при регистрации двоичных символов «0» P_st0 (N ), при которых вероятность P(1/0) минимальная.

Определены вероятности P(1/0) для канала связи, содержащего в качестве приёмного модуля счётчик фотонов при различных значениях напряжения питания лавинного фотоприёмника Uпит и интенсивности оптического сигнала, используемого для передачи двоичных символов «0» J0 .

Экспериментальные результаты показали, что с увеличением интенсивности оптического сигнала J0 зависимости P(1/0) от J₀ вначале практически не изменяются и сохраняют постоянную величину. Однако при дальнейшем увеличении J0 имеет место линейно возрастающий характер зависимостей P(1/0) от J₀ . Причём при прочих равных параметрах приёма такой характер зависимостей P(1/0) от J₀ начинает проявляться при бо́льших интенсивностях оптического сигнала J0 с увеличением напряжения питания лавинного фотоприёмника.

1. Yiannopoulos 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.2019.100756

2. Hu 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.26.021685

3. Bourennane 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: 10.1080/09500340110075131

4. Timofeev 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.036-046

5. 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 Publ., 2017, 416 p.

6. Vacca J.R. Managing Information Security, 2nd ed. Elsevier Inc., Waltham, 2014, 372 p. DOI: 10.1016/C2011-0-08782-3

7. Dmitriev S.A., Slepov N.N. Volokonno-opticheskaya tehnika: sovremennoe sostoyanie i novyie perspektivyi [Fiber optic technology: current state and new perspectives], 3rd ed. Moscow, Technosphere Publ., 2010, 608 p.

8. Cova S.D., Ghioni M. Single-photon counting detectors. IEEE Photonics Journal, 2011, vol. 3, no. 2, pp. 274–277. DOI: 10.1109/JPHOT.2011.2130518

9. Aull B. Geiger-mode avalanche photodiode arrays integrated to alldigital CMOS circuits. Sensors, 2016, vol. 16, pp. 495–508. DOI: 10.3390/s16040495

10. Jani P., Vamos L., Nemes T. Timing resolution (FWHM) of some photon counting detectors and electronic circuitry. Meas. Sci. Technol., 2007, vol. 18, no. 1, pp. 155–160. DOI: 10.1088/0957-0233/18/1/019

11. Zadeh 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: 10.1063/1.5000001

12. Privitera 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/s8084636

13. Campajola 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.2019.162722

14. Stipčević 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.18.017448

15. Nuriyev 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.2017.12.006

16. Stucki 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: 10.1080/09500340108240900

17. Castelletto 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: 10.1080/09500340600779579

18. Prochazka I., Blazej J., Kodet J. Single photon detector package with subpicosecond 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.2017.11.044

19. Kalachev A.A. [Components of long-distance quantum communication. Part 1]. Fotonika [Photonics], 2017, no. 1, pp. 88–98 (in Russian). DOI: 10.22184/1993-7296.2017.61.1.88.98

20. Kalachev A.A. [Components of long-distance quantum communication. Part 2]. Fotonika [Photonics], 2017, no. 2, pp. 80–88 (in Russian). DOI: 10.22184/1993-7296.2017.62.2.80.88

21. Kilin S.Ya. Kvantovaya kriptografiya: idei i praktika [Quantum cryptography: ideas and practices]. Minsk, Belarus, Sci. Publ., 2007, 391 p.

22. Zhang 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.2015.59

23. Hong Z., Yan Q., Li Z., Zhan T., Wang Y. Photon-counting 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/s19051042

24. Gulakov I.R., Zenevich A.O. Fotopriemniki kvantovyih sistem: monografiya [Photodetectors of quantum systems: monograph]. Minsk, EI HSCC Publ., 2012, 276 p.

25. 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]. Trudy BGTU. Ser. 3, Fiziko-matematicheskie nauki i informatika [Proceedings of BSTU. Iss. 3. Physics and mathematics. Informatics], 2019, no. 2, pp. 79–86 (in Russian).

26. 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).

27. Timofeev A.M. [Assessment of the Influence of Intensity of Optical Signal on the Probability of Erroneous Data Registration in a Single-Photon Communication Channel]. Informatika [Informatics], 2021, vol. 18, no. 2, pp. 72–82 (in Russian). DOI: 10.37661/1816-0301-2021-18-2-72-82

28. Bikkenin R.R., Chesnokov M.N. Teoriya elektricheskoy svyazi [The theory of electrical communication]. Moscow, Publ. Cent “Academy”, 2010, 336 p.

29. 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.