close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY16151

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.08.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01J 1/00 (2006.01)
G 01R 23/10 (2006.01)
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРОГОВОГО УРОВНЯ РЕГИСТРАЦИИ
ФОТОПРИЕМНИКА И МОЩНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ЗАДАННОЙ ДЛИНЫ ВОЛНЫ, СООТВЕТСТВУЮЩИХ
МАКСИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
ПО ОПТИЧЕСКОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ
(21) Номер заявки: a 20101016
(22) 2010.07.02
(43) 2010.12.30
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Авторы: Гулаков Иван Романович;
Зеневич Андрей Олегович; Тимофеев Александр Михайлович (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
BY 16151 C1 2012.08.30
BY (11) 16151
(13) C1
(19)
(56) ВЕТОХИН С.С. Одноэлектронные фотоприемники. - Москва: Энергоатомиздат, 1986. - С. 10-11.
BY 11775 C1, 2009.
RU 2190196 C1, 2002.
SU 1341501 A1, 1987.
SU 1173359 A, 1985.
CN 101170362 A, 2008.
(57)
Способ определения порогового уровня регистрации фотоприемника и мощности оптического излучения заданной длины волны λ, соответствующих максимальной скорости
передачи данных по оптическому каналу связи, в котором вычисляют квантовую эффективность регистрации η и длительность мертвого времени τd фотоприемника, установленного в указанном канале связи и работающего в режиме счета фотонов, устанавливают
длительность передачи одного бита информации τb = 100τd, далее многократно производят
измерение количества темновых импульсов NT за промежуток времени τb и определяют
среднее их количество N T за промежуток времени τb, а затем определяют искомые пороговый уровень регистрации Nn и мощность оптического излучения W соответственно путем
нахождения целого значения величины N T + 4
N T и в соответствии с выражением:
BY 16151 C1 2012.08.30


hc  4 + 16 + 4 N T + 16
W=
2
ηλτ b 


NT
2




 − N T ,






где h - постоянная Планка;
c - скорость света в вакууме.
Изобретение относится к технике передачи и приема сообщений, в частности к способам достижения максимальной скорости передачи данных по оптическому каналу связи,
содержащему в качестве приемного модуля счетчик фотонов. Оно может найти применение в оптической связи и квантовой криптографии.
Известные способы определения скорости передачи данных [1] и коэффициента пропускания информации счетчиком фотонов [2] не позволяют установить последовательность действий, необходимых для достижения максимальной скорости передачи данных
по оптическому каналу связи, содержащему в качестве приемного модуля счетчик фотонов.
Наиболее близким способом к заявляемому (прототипом) [2] является синхронное
детектирование в режиме счета фотонов. Оно заключается в том, что световой поток,
поступающий на фотоприемник, подвергают прямоугольной модуляции со скважностью,
равной двум, таким образом, что за первый полупериод оптическое излучение не поступает на фотоприемник, подсчитывают за первую половину полупериода темновые импульсы
NT, а за вторую половину - темновые и сигнальные импульсы NCT, после чего вычисляют
количество сигнальных импульсов NC = NCT – NT.
Отметим, что сигнальными импульсами считаются импульсы, образованные на выходе
фотоприемника под действием регистрируемого излучения. Темновыми импульсами считаются те, которые возникают на выходе фотоприемника при отсутствии на его входе оптического сигнала.
Поскольку способ синхронного детектирования используется для подсчета сигнальных импульсов, то он не позволяет определить пороговый уровень регистрации Nn и мощность оптического излучения W, при которых достигается максимальная скорость
передачи данных по оптическому каналу связи.
Под пороговым уровнем регистрации понимается наименьшее число импульсов Nn,
зарегистрированных на выходе счетчика фотонов за время передачи символа "1".
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа определения максимальной скорости передачи данных, обеспечивающего расширение возможностей способа
синхронного детектирования в режиме счета фотонов.
Способ определения порогового уровня регистрации фотоприемника и мощности оптического излучения заданной длины волны λ, соответствующих максимальной скорости
передачи данных по оптическому каналу связи, в котором вычисляют квантовую эффективность регистрации η и длительность мертвого времени τd фотоприемника, установленного в указанном канале связи и работающего в режиме счета фотонов, устанавливают
длительность передачи одного бита информации τb = 100τd, далее многократно производят
измерение количества темновых импульсов NT за промежуток времени τb и определяют
среднее их количество <NT> за промежуток времени τb, а затем определяют искомые пороговый уровень регистрации Nn и мощность оптического излучения W соответственно
путем нахождения целого значения величины N T + 4
жением:
2
N T и в соответствии с выра-
BY 16151 C1 2012.08.30
2

N T 

 − NT  ,




где h - постоянная Планка, c - скорость света в вакууме.
Как показано в работе [3], пропускная способность канала связи определяется максимальным значением скорости передачи информации по каналу Cmax, достигаемым при равенстве вероятностей появления на выходе источника символа "0" Ps(0) и символа "1"Ps(1) (Ps(0) = Ps(1) = 0,5):
Nn
Nn

  Nn
 Nn


C max = − 0,5 ∑ Pt (N ) + ∑ Pst (N ) log 2 0,5 ∑ Pt (N ) + ∑ Pst (N ) −
N=0
N=0
 N =0



  N =0
Nn
Nn
Nn
Nn






− 1 − 0,5 ∑ Pt (N ) + ∑ Pst (N ) log 2 1 − 0,5 ∑ Pt (N ) + ∑ Pst (N ) +
N =0
N=0
 N =0
 N =0




(1)
Nn
Nn
 N n

 Nn
 



+ 0,5 ∑ Pt (N ) log 2  ∑ Pt (N ) + 1 − ∑ Pt (N ) log 2 1 − ∑ Pt (N ) +

 N =0
  N=0

 N=0

 N = 0
Nn
Nn
 N n

 Nn
 


  1
+ 0,5 ∑ Pst (N ) log 2  ∑ Pst (N ) + 1 − ∑ Pst (N ) log 2 1 − ∑ Pst (N )  ,

 N =0
  N=0

 N=0
  τ b
 N = 0

hc  4 + 16 + 4 N T + 16
W=
ηλτ b 
2


где Pst(N) - статистическое распределение на выходе счетчика фотонов смеси темновых и
сигнальных импульсов; Pt(N) - статистическое распределение темновых импульсов, τb длительность передачи одного бита.
Согласно выражению (1), величина Cmax зависит от величины τb, от вида распределений Pt(N) и Pst(N) и порогового уровня Nn.
При выборе длительности передачи одного бита необходимо руководствоваться следующим условием:
τd
≤ 0,01,
(2)
τb
где τd - длительность мертвого времени фотоприемника. Как следует работы [4], при выполнении условия (2) эффектом мертвого времени в счетчике фотонов можно пренебречь.
Поэтому при выборе τb необходимо знать τd. Для определения мертвого времени счетчика
фотонов можно воспользоваться любым из способов, описанных в [5].
Статистические распределения темновых импульсов и смеси темновых и сигнальных
импульсов на выходе счетчика фотонов подчиняются статистике Пуассона [2]. Вид распределения Pt(N) зависит от среднего числа темновых импульсов <NT>, регистрируемых
за время передачи одного символа τb, а вид распределения Pst(N) зависит от среднего числа темновых и сигнальных импульсов <NCT>, зарегистрированных за время τb.
Среднее число сигнальных импульсов связано с мощностью монохроматического
оптического излучения следующим образом:
Wτ b
Wτ b
NC = η
λ,
=η
(3)
hν
hc
где h - постоянная Планка, ν - частота оптического излучения, c - скорость света в вакууме, λ - длина волны оптического излучения, η - квантовая эффективность регистрации.
Поскольку N CT = N C + N T , следовательно, вид распределения Pst(N) зависит от
η и W.
При выборе Nn руководствуются двумя условиями: первое из которых заключается в
реализации минимальной вероятности ошибочной регистрации на выходе канала связи
3
BY 16151 C1 2012.08.30
символа "1" при наличии на входе "0". Для соблюдения этого условия пороговый уровень
регистрации следует выбирать:
Nn = NT + n
NT ,
(4)
где n - это целое число больше нуля. Наиболее целесообразно выбирать значение n = 4,
так как в этом случае вероятность зарегистрировать число темновых импульсов за
время τb, большее Nn, будет меньше 0,01.
Второе условие требует минимальной вероятности ошибочной регистрации на выходе
канала связи символа "0" при наличии на входе "1". Соблюдение этого условия возможно,
если:
N n = N CT − n N CT ,
(5)
где N CT - среднее число смеси темновых и сигнальных импульсов, зарегистрированных
за время τb. Для n = 4 вероятность зарегистрировать число темновых и сигнальных импульсов за время τb, меньшее Nn, будет также меньше 0,01.
Для того чтобы эти два условия соблюдались, необходимо приравнять выражения (4)
и (5) между собой:
N T + n N T = N CT − n N CT .
(6)
Значение N T можно определить на основании измерений. Величину N CT
можно
определить из уравнения (6), подставив в него измеренное значение N T и n = 4:
2
 4 + 16 + 4 N T + 16 N T 
 .
(7)
N CT = 

2



Поскольку среднее число сигнальных импульсов N C = N CT – N T , то на основании
измеренного значения N T и выражения (7) можно определить величину N C по формуле:
2


 4 + 16 + 4 N T + 16 N T 
 − NT .
(8)
NC = 
2






На основании выражений (8) и (3) можно определить мощность монохроматического
оптического излучения, необходимую для максимальной скорости передачи данных:
2

 


hc  4 + 16 + 4 N T + 16 N T  
W=
− NT .
(9)
2
ηλτ b 
 
 

 

Таким образом, используя (4), можно определить значение Nn. Для этого необходимо
вычислить величину Nn по формуле (4) и в качестве порогового уровня принять ее целое
значение. Выражение (9) позволяет вычислить мощность оптического излучения, необходимую для максимальной скорости передачи данных, предварительно определив квантовую эффективность регистрации счетчика фотонов любым из способов, описанных в [6].
На фигуре показана схема устройства, позволяющего реализовать предлагаемый способ.
Устройство включает в себя калиброванный источник монохроматического оптического излучения 1, набор нейтральных светофильтров 2, модулятор 3, фотоприемник 4,
усилитель 5, амплитудный дискриминатор 6, реверсивный счетчик импульсов 7, генератор, прямоугольных импульсов 8, ключ 9.
4
BY 16151 C1 2012.08.30
Счетчик 7 осуществляет прямой подсчет импульсов в случае наличия логического
нуля на управляющем входе 2 и обратный отсчет импульсов в случае наличия логической
единицы на этом управляющем входе.
Устройство функционирует следующим образом. Перед началом работы осуществляется сброс счетчика 7 и замыкают ключ 9. При помощи генератора прямоугольных импульсов 8 подается логический нуль на управляющий вход 2 реверсивного счетчика 7 и
модулятор 3. Модулятор перекрывает поступление оптического излучения от источника 1
на фотоприемник 4. В отсутствие оптического излучения на выходе фотоприемника формируются темновые импульсы, которые усиливаются усилителем 5 и проходят амплитудную селекцию при помощи амплитудного дискриминатора 6. С выхода дискриминатора 6
сформированные по амплитуде и длительности импульсы поступают на вход 1 реверсивного счетчика 7. Счетчик 7 выполняет прямой подсчет темновых импульсов. Временной
интервал измерения счетчика длительностью T1/2 = 1 c формирует генератор 8. Затем, не
сбрасывая накопленные данные в счетчике 7, генератор 8 подает логическую единицу на
вход 2 счетчика 7 и модулятор 3 на время T1/2, в результате чего оптическое излучение заданной мощности W поступает через набор нейтральных светофильтров 2 с коэффициентом ослабления Θ, равным единице, на фотоприемник 4. На выходе фотоприемника
формируются темновые и сигнальные импульсы, которые усиливаются усилителем 5 и
проходят амплитудную селекцию при помощи амплитудного дискриминатора 6. С выхода
дискриминатора 6 сформированные по амплитуде и длительности импульсы поступают на
реверсивный счетчик 7. Счетчик 7 выполняет обратный отсчет темновых и сигнальных
импульсов. После чего измерения останавливают и снимают показания счетчика 7. Затем
сбрасывают данные, накопленные в счетчике 7.
В результате этих действий реверсивный счетчик выполняет подсчет только сигнальных импульсов NC. Проводят эти измерения многократно и снимают каждый раз показания счетчика 7. После чего по полученным данным счетчика 7 вычисляют среднее
значение N C . На основании полученной величины N C определяют квантовую эффективность счетчика фотонов:
hc N C
η=
.
(10)
WλT1 / 2
Затем устанавливают перед фотоприемником нейтральный светофильтр с коэффициентом ослабления Θ = 1,5. Выполняют определение среднего значения сигнальных импульсов <N1C>, повторяя вышеописанные действия. После чего по полученным значениям
<NC> и <N1C> рассчитывают τd по формуле [5]:
Θ −1 N C − N1C
τd =
.
(11)
N C ( N C − N1C )
После задают при помощи генератора 8 длительность Т1/2 = τb = 100τd, отключают,
размыкая ключ 9, поступление управляющего сигнала на модулятор 3. В результате этого
прекращается поступление оптического излучения на фотоприемник 4. После чего начинают измерения числа темновых импульсов. По истечении времени τb счетчик 7 останавливают и снимают его показания. Затем сбрасывают данные, накопленные в счетчике 7, и
измерения повторяют. Проводят эти измерения многократно. После чего по полученным
данным для темновых импульсов счетчика 7 вычисляют их среднее значение <NT>. Далее
по формулам (4) и (9) определяют пороговый уровень регистрации и мощность оптического излучения, при которых достигается максимальная скорость передачи данных.
Таким образом, заявляемый способ позволяет определить максимальную скорость передачи данных по оптическому каналу связи, содержащему в качестве приемного модуля
счетчик фотонов, и тем самым расширяет возможности способа синхронного детектирования в режиме счета фотонов.
5
BY 16151 C1 2012.08.30
Источники информации:
1. Клюев Л.Л. Теория электрической связи. - Мн.: Техноперспектива, 2008.
2. Ветохин С.С., Гулаков И.Р., Перцев А.Н. и др. Одноэлектронные фотоприемники. М.: Энергоатомиздат, 1986.
3. Гулаков И.Р., Зеневич А.О., Комаров С.К. // Доклады БГУИР. - 2009. - № 8 (46). 2009. - С. 22-27.
4. Перина Я. Квантовая статистика линейных и нелинейных оптических явлений. - М.:
Мир, 1987.
5. Гольданский В.И., Куценко А.В., Подгорецкий М.И. Статистика отсчетов при регистрации ядерных частиц. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. - С. 212-223.
6. Гулаков И.Р., Холондырев С.В. Метод счета фотонов в оптико-физических измерениях. - Мн.: Университетское, 1989. - С. 113-114.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
106 Кб
Теги
by16151, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа