Симулятор Передающей Части Однофотонной Линии Связи

I. Введение

ОСНОВНАЯ ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в разработке учебно-демонстрационного комплекса для подготовки специалистов в такой современной области науки как квантовая криптография[1]. Это направление охватывает такие научные разделы, как квантовая механика, лазерная физика, теория информации и программирование, дискретная математика, теория систем телекоммуникаций. Реальное оборудование однофотонный линии связи представляет сложный дорогостоящий комплекс, поэтому организация учебного лабораторного практикума на этом оборудовании является трудновыполнимой задачей. Возможны два пути решения данной проблемы. Во-первых, разработка компьютерной моделирующей программы (симулятора), работая с которой студенты получают возможность проводить экспериментальные исследования, максимально приближенные к натурным испытаниям. В эту программу должны быть заложены математические модели, адекватно описывающие все процессы, происходящие в реальном оборудовании. Кроме того такой симулятор должен иметь графический интерфейс, удобный для проведения экспериментов, имеющий максимальный демонстрационный эффект для наиболее полного освоения теоретического и практического материала[2]. Однако компьютерное моделирование не может в полной мере заменить реальный эксперимент на действующей установке, а может быть лишь дополнением к нему. Второй путь заключается в том, чтобы дать возможность студенту проводить реальные исследования на реальной установке, но используя удаленный доступ к ней, например, по сети Internet[3].

II. ТЕОРИЯ

Для генерации одиночных фотонов в однофотонной линии связи используются лазерные диоды, излучение которых изначально содержат много фотонов, затем ослабляется набором поглощающих фильтров для обеспечения условия однофотонности [1].

Моделирующая программа создана в среде разработки LabView компании National Instruments [4]. LabVIEW представляет собой графический язык программирования, основанный на архитектуре потоков данных, что значительно упрощает моделирование.

Передающая часть симулятора предназначена для исследования пространственного распределение излучения лазера, зависимости интенсивности излучения от тока, влияния температуры и тока на частоту излучения, влияния линзы на профиль излучения.

Пространственное распределение света, излучаемого лазером, и влияние фокусирующей линзы моделируется методом прямой трассировки лучей. Испускаются (трассируются) лучи от источника света, рассчитывается траектория и взаимодействие отдельных лучей, вычисляется интенсивность свята в каждой точке пространства[5].

На Рис.1 показано основное окно программы, которое представляет собой оптический стол с установленным на нем лазером на поворотном механизме и набором измерительных приборов: измерителя мощности, интерферометра и измерителя профиля лазерного пучка.

Симулирующая программа эмитирует измерительные приборы, применяемые в реальных экспериментах.

Измерительный комплекс помимо оптического стола состоит из пяти виртуальных приборов, запускаемых в отдельных окнах специальными кнопками в главном окне (см. Рис. 1).

Управляемый источник тока задает ток полупроводникового лазера в диапазоне от 0 до 10 А. При установке рабочего тока, и снятии характеристик следует учесть, что лазерный диод имеет максимально допустимый ток, при превышении которого может выйти из строя. Симулирующая программа индицирует перегорания светодиода красным окном с надписью «Превышение тока!».

Виртуальный источник тока показан на Рис. 2.

Для точной установки значений тока предусмотрено четыре диапазона 0-10 мА, 0-100 мА, 0-1000 мА и 0-10 А. Переключение диапазонов осуществляется кнопками (Рис.2).

Термоконтроллер предназначен для установки и измерения температуры лазера. В данном симуляторе он позволяет исследовать зависимость длинны волны лазерного излучения от температуры и задавать режим работы лазера, обеспечивающий необходимую частоту генерации.

На Рис.3 показан виртуальный прибор, а Рис.4 приведена структурная схема моделируемого термоконтроллера. Установка температуры осуществляется с помощью элемента Пельтье, регулировкой тока I. Измерение температуры производится с помощью термопары и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В симуляторе моделируется инерционность процесса установки температуры. Диапазон регулирования температур -40°С - 40°С.

В основу модели измерителя мощности лазерного излучения положен реальный прибор FieldMate фирмы Coherent, изображенный на Рис.5. Соответствующий виртуальный прибор изображен на Рис.6.

В реальном эксперименте помимо измеряемого излучения всегда присутствует определенное фоновое излучение, поэтому результаты измерения должны быть скорректированы на величину этого излучения. Для этих целей в приборе предусмотрена калибровка. Перед измерениями при отсутствии полезного излучения следует нажать кнопку «ZERO». В результате измеренная мощность фонового излучения будет учитываться при дальнейших измерениях.

В приборе предусмотрено два индикатора: стрелочный и цифровой. Цифровой индикатор предназначен для точного измерения мощности светового потока, а стрелочный позволяет визуально контролировать и настраивать требуемую интенсивность излучения, а также определять экстремумы исследуемых функций. Кроме того в приборе имеется автоматическое переключение диапазонов, однако для того, чтобы не пропустить изменение шкалы иногда удобнее отключать этот режим.

В прототипе диапазоны измерения мощностей определялись типом оптического преобразователя – измерительной головкой, при этом само устройство способно работать с датчиками, измеряющими мощность от единиц нВт до сотен кВт. В модели измеряемый диапазон мощностей составляет от 1 нВт до 99 кВт, подразумевается, что используется соответствующая головка. Интреферометр предназначен для измерения длинны волны (частоты излучения) на основе интерференционной картины.

Измеритель профиля пучка лазера предназначен для измерения в автоматическом режиме качества пучка, профиля излучения и других основных характеристик.

С помощью виртуального прибора можно измерить:
• профиль пучка в сечении;
• эллиптичность пучка;
• диаметры пучка D_ox и D_oy;
• параметр качества пучка.

Для контроля поперечной структуры лазерного излучения измеряется профиль интенсивности (плотности мощности) лазерного пучка, то есть в общем случае зависимость I(r) , а в двумерном случае I(x,y) .

После того, как лазерный пучок попадает в плоскость измерения, на экране компьютера формируется изображение, представленное на рисунке 8, что и представляет собой распределение интенсивности в зависимости от (x,y), то есть поперечный профиль лазерного пучка.

Автоматически строятся графики распределения плотности мощности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Устанавливая порог измерения (на рисунке «Уровень ограничения, %»), можно определить диаметр пучка в горизонтальной DOX и вертикальной DOY плоскостях и эллиптичность лазерного пучка, которую мы будем определять, как:

III. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Приведем пример алгоритма исследования полупроводникового лазера. Исследуем зависимости мощности излучения от тока лазера.

Для сборки схемы необходимо в основном окне расположить измеритель мощности и управляемый источник тока. Перед измерением следует подключить линзу и сфокусировать луч. Угол поворота лазера установить равным нулю. Изменяя питающий лазер ток фиксировать значение оптической мощности. Результаты исследования трех лазерных диодов приведены на Рис.9

Исследуем распределения энергии излучения. Схема исследования такая же, как при измерении зависимости мощности от тока. Отключим линзу. Выберем плоскость ориентации лазера. Установим ток лазера близкий к максимально допустимому. Для каждого угла поворота лазера зафиксируем мощность излучения. Повторим измерение для другой плоскости. Результаты исследования приведены на Рис.10.

Результат измерения зависимости длинны волны излучения от тока при фиксированных температурах показаны на Рис.11.

IV. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наиболее оптимальной платформой моделирования с точки зрения разработки учебно-демонстрационного комплекса является среда LabVIEW. Эффективным интерфейсом симулятора для научных исследований может быть интерфейс, основанный на концепции «конструктора». В этом случае пользователь может самостоятельно выбирать и подключать необходимые для исследования измерительные и управляющие приборы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] В.Л.Курочкин, И.И.Рябцев, И.Г.Неизвестный, "Генерация квантового ключа на основе кодирования поляризационных состояний фотонов", Оптика и спектроскопия, 2004, т.96, в.5, с.772–776. (in Russian).
[2] В.И. Сединин, А.В. Борисов, А.А. Шауэрман, Л.Ю. Забелин. Микропроцессорный измеритель характеристик полупроводниковых приборов. Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сборник трудов VII научно-практической конференции. – М.: РУДН, 2008. – 589 с. (in Russian).
[3] Borisov A.A., Popov N.V., and Shauerman A.A., “Foundations of making virtual laboratories in engineering education,” International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM’2006, pp. 180–181, 2006
[4] Евдокимов Ю. К., Линдваль В. Р., Щербаков Г. И. LabVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 400 с. (in Russian).
[5] Черевко А.Г., Борисов А.В., Попов Н.В., Шауэрман А.А., Жариков М.С. Разработка моделирующей программы в среде Labview для исследования полупроводниковых лазеров в однофотонных линиях связи. // Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», 2011. – 592 c.( in Russian)