Моделирование трансимпедансного усилителя балансного детектора для применения в системе квантовых коммуникаций

"Научный аспект №6-2024" - Радиотехника

УДК 621.37

Шишков Андрей Вячеславович – аспирант Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Чистяков Владимир Викторович – доцент, кандидат технических наук Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Аннотация: Балансный детектор является важной частью приемника в системе квантовых коммуникаций, с его помощью производится детектирование комплексно-модулированных оптических сигналов. Трансимпедансный усилитель является ключевой частью детектора, его параметры определяют работоспособность системы связи в целом. В статье рассматривается моделирование схемы трансимпедансного усилителя с полосой пропускания 50 МГц в программах Photodiode Circuit Design Wizard и LTSpice, приведены результаты в виде амплитудно-частотной характеристики и сигнала во временной области.

Ключевые слова: балансный детектор, трансимпедансный усилитель, LTSpice, квантовые коммуникации, фотодиод.

Балансный детектор в системе квантовых коммуникаций

Балансный детектор представляет собой устройство, которое позволяет оценить разницу мощности между двумя оптическими сигналами. Это происходит следующим образом: 2 разных оптических сигнала подаются на 2 фототодиода, на фотодиодах оптическая мощность преобразуется в ток, разница тока усиливается трансимпедансным усилителем.

Балансный детектор может использоваться для детектирования комплексно-модулированных оптических сигналов [1]. Одна из концепций его применения приведена на рисунке 1. В данном случае балансный детектор позволяет подавить фазонезависящие составляющие детектируемого сигнала.

Рисунок1.jpg

Рисунок 1. Применение балансного детектора

В системе квантовых коммуникаций детектор используется похожим образом. Координата q и импульс p сигнального состояния могут быть измерены с помощью разностного тока I на фотодиодах балансного детектора (см. [2] стр. 257-258):

Screenshot 9
 где Screenshot 17 - разность фаз между детектируемым и опорным сигналом.

Таким образом с помощью изменения разности фаз Screenshot 17, Боб (приемник) выбирает квадратуру для измерения.

 Рисунок2

Рисунок 2. Параметры фотодиода

 Теоретические вопросы функционирования балансного детектора рассмотрены в статье [3], а в статье [4] приведена принципиальная схема детектора. Однако эта схема обладает рядом недостатков: небольшой размах выходного напряжения, частотные характеристики.

На сегодняшний день выпуском балансных детекторов для научного применения занимается фирма THORLABS, однако они обладают высокой стоимостью в несколько тысяч долларов и поэтому не всегда доступны к покупке.

 Моделирование в программе Photodiode Circuit Design Wizard

Для детектирования оптического сигнала был выбран фотодиод PDI-80-P50-2G-K. Его преимуществами являются широкая полоса пропускания 2ГГц и относительная доступность на рынке. Схема замещения фотодиода может быть представлена в виде источника тока, емкости и шунтирующего сопротивления (см. [5] стр. 84-86).

Сначала необходимо ввести в программу параметры фотодиода PDI-80-P50-2G-K:

1)напряжение смещения Reverse Voltage – 3В. Напряжение смещения нужно для уменьшения емкости фотодиода при работы в фотодиодном режиме (см. [5] стр. 83)
2) емкость фотодиода – 1.1пФ
3) шунтирующее сопротивление – 1ГОм
4) Максимальный ток через фотодиод Peak Current – 1мА. Он рассчитывается следующим образом – необходимо максимальную оптическую мощность, которую планируется подавать на вход фотодиода, умножить на чувствительность(Responsivity) R фотодиода. В случае подачи P=1мВт на фотодиод ток будет равен I=P*R=1*0,85=0,85мА; с учетом запаса был взят 1мА.

На следующем этапе необходимо обозначить требуемую полосу пропускания 50МГц и максимальное выходное напряжение 1,8В. По соображениям стоимости и доступности к покупке был выбран операционный усилитель LTC6228 (рис. 3).

Рисунок3

Рисунок 3. Схема усилителя в Photodiode Circuit Design Wizard

Моделирование в LTSpice

 Для оценки полосы пропускания было проведено моделирование трансимпедансного усилителя в LTSpice. Схема модели приведена на рисунке 4.

Рисунок4

Рисунок 4. Схема трансимпедансного усилителя в LTSpice

 Результат получившейся полосы пропускания приведен на рис. 5. Полоса пропускания по уровню -3dB составляет планируемые 50МГц.

Рисунок5

Рисунок 5. Моделирование полосы пропускания трансимпедансного усилителя

Также было проведено моделирование выходного напряжения во временной области при подаче на фотодиоды сигнала частотой 5МГц и амплитудой 1мА (рис. 6). Видно, что получившиеся импульсы ровные, без искажений.

Рисунок6.jpg

Рисунок 6. Выходной сигнал во временной области

 Заключение

В статье были рассмотрены особенности применения балансного детектора в системе квантовых коммуникаций. Характеристики балансного детектора в основном зависят от трансимпедансного усилителя и используемых фотодиодов. Поэтому было проведено моделирование усилителя в программах Photodiode Circuit Design Wizard и LTSpice. В результате была подобрана микросхема операционного усилителя LTC6228, достигнута полоса пропускания 50 МГц, получены импульсы выходного напряжения амплитудой 1,8В.

Список литературы

  1. Детектирование комплексно модулированных оптических сигналов / Мичел Стефани // Компоненты и технологии :
    — URL: https://kit-e.ru/detektirovanie-opticheskih-signalov/?ysclid=lvpi46vmas112061255 (дата обращения: 11.05.2024).
  2. Ключевые особенности протоколов квантового распределения ключей на непрерывных переменных / Бурлаков Е.В., Коробов А.В. [Электронный ресурс] // ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ:
    — URL: http://rensit.ru/vypuski/article/552/16(2)255-266.pdf (дата обращения: 11.05.2024).
  3. Performance of balanced detection in a coherent receiver / Yves Painchaud, Michel Poulin, Michel Morin, and Michel Têtu // Optica Publishing Group:
    — URL: https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-17-5-3659&id=176851 (дата обращения: 11.05.2024).
  4. Versatile wideband balanced detector for quantum optical homodyne tomography / Ranjeet Kumar, E. Barrios, A. MacRae, E. Cairns, E. Huntington, A. Lvovsky [Электронный ресурс] // Semantic Scholar : [сайт]. — URL: https://www.semanticscholar.org/reader/50f099a7687ec9f981a75f8d64ba275ba7c2010b (дата обращения: 11.05.2024).
  5. ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ / А.С. Алейник, Е.В. Востриков, С.А. Волковский, И.Г. Дейнека, В.Е. Стригалев, И.К. Мешковский
    — URL: https://books.ifmo.ru/file/pdf/2736.pdf (дата обращения: 11.05.2024).
Автор: Шишков Андрей Вячеславович