ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group (ранее OSA) под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-12-35-45

УДК: 53.082.52; 621.3.084.2

Разработка модели эффекта послеимпульса в однофотонных лавинных диодах InGaAs/InP, предназначенных для применения в системах квантового распределения ключей

Ссылка для цитирования:

Филяев А.А., Лосев А.В., Заводиленко В.В., Павлов И.Д. Разработка модели эффекта послеимпульса в однофотонных лавинных диодах на InGaAs/InP, предназначенных для применения в системах квантового распределения ключей // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 12. С. 35–45. https://doi.org/10.17586/1023­5086­2023­90­12­35­45

 

Filyaev A.A., Losev A.V., Zavodilenko V.V., Pavlov I.D. Development of afterpulse effect model of InGaAs/InP single­photon avalanche diodes for applying in quantum key distribution systems [In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 12. P. 35–45. http://doi.org/10.17586/1023­5086­2023­90­12­35­45

Ссылка на англоязычную версию:
-
Аннотация:

Предмет исследования. Исследовался шумовой параметр, такой как эффект послеимпульса, который возникает в однофотонных лавинных диодах на арсениде индия­галлия/фосфиде индия при их эксплуатации в составе детектора одиночных фотонов в системах квантового распределения ключей. Цель работы. Разработка моделиэффекта послеимпульса в однофотонных лавинных диодах на арсениде индия­галлия/фосфиде индия для определения истинного значения данного шумового параметра при эксплуатации диода в составе детектора одиночных фотонов в системах квантового распределения ключей. Метод. Для экспериментального измерения вероятности послеимпульса в однофотонных лавинных диодах на арсениде индия­галлия/фосфиде индия использовался специальный стенд, все компоненты которого управляются программным обеспечением, созданным в среде LabVIEW. В основе разработанной модели вероятности послеимпульса лежит немарковский характер данного явления. Основные результаты. Для определения послеимпульса разработаны методика измерений и вероятностная модель, основанная на рекурсивном характере этого эффекта в однофотонных лавинных диодах на арсениде индия­галлия/фосфиде индия. Это позволяет производить оценку истинного значения вероятности послеимпульса по реакции на однократное срабатывание детектора одиночных фотонов с однофотонными лавинными диодами на арсениде индия­галлия/фосфиде индия в своем составе. Проведён анализ подходов к оценке послеимпульса, применяемых в мировой практике для систем квантового распределения ключей. Продемонстрированы преимущества разработанного подхода перед стандартными методами, которые не учитывают немарковскую природу рассматриваемого эффекта. Практическая значимость. Разработан подход к определению вероятности послеимпульса детектора одиночных фотонов на основе однофотонных лавинных диодов на арсениде индия­галлия/фосфиде индия в виде двух моделей — упрощённой и составной, что позволяет достичь компромисса между точностью вычислений и их сложностью для применения таких устройств в системах квантового распределения ключей.

Ключевые слова:

детекторы одиночных фотонов, система квантового распределения ключей, однофотонные лавинные диоды, вероятность послеимпульса

Благодарность:
исследовательская работа выполнена по заказу ОАО «РЖД» (договор № 925/ОКЭ­ДКСС/21/1/1 от 22 декабря 2021 года).

Коды OCIS: 270.5565, 230.5160, 250.1345

Список источников:
  1. Yao N., Yao Q., Xie X. P., Liu Y., Xu P., Fang W., Zheng M.Y., Fan J., Zhang Q., Tong L., Pan J.W. Optimizing up­conversion single­photon detectors for quantum key distribution // Optics Express. 2020. V. 28. № 17. P. 25123–25133. https://doi.org/10.1364/OE.397767
  2. Yuan Z., Plews A., Takahashi R., Doi K., Tam W., Sharpe A.W., Dixon A.R., Lavelle E., Dynes J.F., Murakami A., Kujiraoka M., Lucamarini M., Tanizawa Y., Sato H., Shields A.J. 10­Mb/s quantum key distribution // Journal of Lightwave Technology. 2018. V. 36. № 16. P. 3427–3433. https://doi.org/10.1109/JLT.2018.2843136  
  3. Cañas G., Vera N., Cariñe J., González P., Cardenas J., Connolly P.W.R., Przysiezna A., Gómez E.S., Figueroa M., Vallone G., Villoresi P., Ferreira da Silva T., Xavier G.B., Lima G. High­dimensional decoy­state quantum key distribution over multicore telecommunication fibers // Physical Review A. 2017. V. 96. № 2. P. 022317. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.96.022317
  4. Zhao L.Y., Wu Q.J., Qiu H.K., Qian J.L., Han Z.F. Practical security of wavelength­multiplexed decoy­state quantum key distribution // Physical Review A. 2021. V. 103. № 2. P. 022429. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.103.022429
  5. Wang F.X., Chen W., Li Y.P., He D.Y., Wang C., Han Y.G., Wang S., Yin Z.Q., Han Z.F. Non­Markovian property of afterpulsing effect in single­photon avalanche detector //Journal of Lightwave Technology. 2016. V. 34. № 15. P. 3610–3615. https://opg.optica.org/jlt/abstract.cfm?uri=jlt­34­15­3610#articleCitations
  6. Wang C., Wang J., Xu Z., Li J., Wang R., Zhao J., Wei Y. Afterpulsing effects in SPAD­based photon­counting communication system // Optics Communications. 2019. V. 443. P. 202–210. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2019.03.039
  7. Bethune D.S., Risk W.P., Pabst G.W. A high­performance integrated single­photon detector for telecom wavelengths // Journal of modern optics. 2004. V. 51. № 9–10. P. 1359–1368. https://doi.org/10.1080/09500340408235278
  8. Yuan Z.L., Kardynal B.E., Sharpe A.W., Shields A.J. High speed single photon detection in the near infrared // Applied Physics Letters. 2007. V. 91. № 4. P. 041114. https://doi.org/10.1063/1.2760135
  9. Liu J., Zhang C., Li Y., Wang Z. 1.2­GHz gated single­photon detector with simple filtering // Optoelectronic Devices and Integration V. 2014. V. 9270. P. 23–29. https://doi.org/10.1117/12.2071434
  10. Chunnilall C.J., Degiovanni I.P., Kück S., Müller I., Sinclair A.G. Metrology of single­photon sources and detectors: a review // Optical Engineering. 2014. V. 53. № 8. P. 081910. https://doi.org/10.1117/1.OE.53.8.081910
  11. Liang Y., Chen Y., Huang Z., Bai G., Yu M., Zeng H. Room­temperature single­photon detection with 1.5­GHz gated InGaAs/InP avalanche photodiode // IEEE Photonics Technology Letters. 2016. V. 29. № 1. P. 142–145. https://doi.org/10.1109/LPT.2016.2630273
  12. Zhang Y., Zhang X., Shi Y., Ying Z., Wang S. Electro­optic modulator based gate transient suppression for sine­wave gated InGaAs/InP single photon avalanche photodiode // Optical Engineering. 2014. V. 53. № 6. P. 067102. https://doi.org/10.1117/1.OE.53.6.067102
  13. Bouzid A., Han S.W., Lee M.S., Moon S. Single­photon detector at telecommunication wavelengths using an analog integrator for ultra small avalanche discrimination // Applied Physics Express. 2013. V. 6. № 5. P. 052201. https://doi.org/10.7567/APEX.6.052201
  14. Korzh B., Lunghi T., Kuzmenko K., Boso G., Zbinden H. Afterpulsing studies of low­noise InGaAs/InP single­photon negative­feedback avalanche diodes // Journal of Modern Optics. 2015. V. 62. № 14. P. 1151–1157. https://doi.org/10.1080/09500340.2015.1024294
  15. Itzler M.A., Jiang X., Entwistle M. Power law temporal dependence of InGaAs/InP SPAD afterpulsing // Journal of Modern Optics. 2012. V. 59. № 17. P. 1472–1480. https://doi.org/10.1080/09500340.2012.698659
  16. Arahira S., Murai H. Effects of afterpulse events on performance of entanglement­based quantum key distribution system // Japanese Journal of Applied Physics. 2016. V. 55. № 3. P. 032801. https://doi.org/10.7567/JJAP.55.032801