На выставке Фотоника-2022 на общем стенде инновационного центра Сколково небольшой уголок занимала компания Scontel (2004 г.р.). Возможно, скромный характер визуальной её презентации обусловлен объективно низким интересом к квантовым исчислениям в современной российской экономике. Всё равно научно-технологическое значение этой компании трудно недооценивать. Компания Scontel является пионером и одним из мировых лидеров по направлению оптоволоконных сверхпроводниковых однофотонных детекторов (SSPD или SNSPD - superconducting single photon detectors или superconducting nanowire single-photon detector)
Как подчеркивает название устройства, детекторы SSPD способны улавливать, обнаруживать одиночные фотоны. В (своих) рабочих диапазонах инфракрасных волн 700-2300 нм эти детекторы обходят по эффективности традиционные однофотонные детекторы (SPD), что Scontel актуально подчеркивает в рекламных материалах. Традиционные SPD - это лавинные фотодиоды на основе полупроводниковых материалов - APD (avalanche photodiode) и фотоэлектронные умножители ФЭУ - PMT - photomultiplier tubes.
#SSPD
Какое практическое применение у SSPD? Следует вспомнить квантовую криптографию, медицинскую визуализацию, помечтать о квантовых компьютерах. Но как бы ни разыгрывалось здесь воображение, правильней, пожалуй, начинать с телекоммуникаций. И танцевать лучше не от квантовых криптографических каналов коммуникаций, а от атмосферных оптических линий связи (АОЛС, FSO).
Связь АОЛС работает на гораздо меньших длинах волн, чем привычная радиосвязь. Оптические средства генерируют луч с меньшей расходимостью и, следовательно, обеспечивает более высокую точность и интенсивность для заданной передаваемой мощности. Излучателем здесь выступает лазер, которому художественная литература нередко приписывает безграничные возможности, начиная с гиперболоида инженера Гарина. Тем не менее оптическая связь на практике небезупречна, поскольку требует прямой видимости между излучателем и детектором. В условиях больших расстояний или плохой погоды детектор может не получать достаточную мощность от входящих оптических сигналов.
В режиме больших оптических потерь очевидна как раз польза от использования однофотонных детекторов (ОФД, SPD) в качестве приемника. Такие детекторы улавливают сигнал, ослабленный до уровня одиночного фотона!
Обратим внимание на очень интересную физическую закономерность. В атмосфере различные длины волн подвергаются различному поглощению, но эта зависимость не носит линейный характер. Неизвестно точно почему, но существуют так называемые окна прозрачности для передачи на длинах волн видимого света (400–800 нм), в ближнем ИК (инфракрасном)-диапазоне (около 1 550 нм), и в среднем ИК (около 2200 нм).
Подчеркнём эмпирически установленный факт, что коэффициент пропускания для длины волны 1550 нм - выше, чем для видимого света. Неслучайно, волна 1550 нм является звездной для SSPD и малодоступна для других видов однофотонных детекторов.
#оптическая связь
Звездный час SSPD или SNSPD наступил в 2013 году. В этом году национальное космическое агентство NASA (США) продемонстрировало возможности оптической связи через проект Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD). В рамках проекта была осуществлена связь с землей от поверхности Луны с аппарата-исследователя Ladee (запущен 7.09.2013). В качестве оптических детекторов в Нью-Мехико были установлены устройства SNSPD, принимающие волны длиной в районе 1550 нм. Скорость безошибочной передачи данных из космоса (385000 км) составила 622Mb/s, что превосходит существенно возможности передачи в радиодиапазоне Ка. В публикациях американцы ссылались на пионерные работы российских основателей Scontel 2001 года, но изготовление устройств детекторов для NASA всё же производили в Massachusetts Institute of Technology’s Lincoln Laboratory.
А что в России? 25 января 2013 г. впервые в мировой практике прикладной космонавтики состоялась передача по лазерному каналу реальной научной информации, подготовленной российскими космонавтами на борту Международной космической станции. Информация передавалась через атмосферу Земли в дуплексном режиме со скоростью 125 Мбит/с от бортового лазерного терминала. Напомним, МКС летает на высоте 409-418 км от Земли. Всего лазер для передачи данных между МКС и Землей российские специалисты использовали с 2011 по 2013 годы, выполнив более 100 сеансов связи. В тестах достигли скорости более 600 Мбит в секунду, то есть удавалось передавать 75 мегабайт информации в секунду. Однако в эксплуатацию система не пошла, видимо, из-за непрактичности её в тех условиях.
В 2021 году "Роскосмос" планировал провести эксперимент по созданию высокоскоростной линии лазерной связи между российским сегментом Международной космической станции (МКС) и Землей. 23 августа 2021 было анонсировано, что в «Росатоме» планируют в 2024 году провести эксперимент с космической лазерной связью. В нем будут участвовать аппарат «Прогресс» и МКС. Это хорошо, но параллельно, в апреле 2021 американское оборудование системы OPALS (Optical Payload for Lasercomm Science) для лазерной связи было доставлено на борт космической станции МКС при помощи грузового космического корабля SpaceX Dragon. NASA ещё в 2014 году успешно испытало (в течение 148 секунд) лазерную систему космической связи с МКС.
С 2017г. в NASA планировалось запустить Deep Space Optical Communications (DSOC) в рамках миссии Психея. Космический запуск корабле запланирован на 1 августа 2022г., ракета Falcon Heavy понесет в т.ч. и оптический терминал к астероиду 16-Психея. Но из-за относительно больших размеров устройства SNSPD будет задействовано пока только на Земле.
#NASA
7 декабря 2021 Nasa была запущена Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) с целью испытания лазерной связи между Землей и геосинхронной орбитой (35,3 тыс.км). Установка сможет передавать (на МКС) данные со скоростью 1,244 Гбит в секунду. Цель 2 летней миссии LCRD — проверка первой двусторонней лазерной релейной системы связи. Это важно! Сигнал на станцию будет передаваться и с Земли лазером (на волне 1064 нм), а не только на радиочастотах, как раньше. Насколько я понял, на космическом аппарате будет использована оптический детектор APD, а не SNSPD. SNSPD будет принимать сигнал на Земле на волне 1550 нм. Оптический ретранслятор для надежности должен быть установлен на МКС. 29 января 2022г. был запущен первый пробный сеанс связи в этом проекте.
А что же такое придумали создатели Scontel, чтобы обеспечить такие удивительные возможности в космосе? В 2001 году россиянами был предложен детектор, принцип действия которого основан на возникновении резистивной области в тонкой сверхпроводящей полоске нитрида ниобия - ряду параллельных треков - при поглощении на одном из них "прилетевшего" извне фотона.
Главная посылка. Идеальный детектор генерирует электрический сигнал только при поглощении фотона, поскольку возникает резистивная область (область сопротивления). Уровень этого сигнала хорошо различим на фоне шума; при отсутствии облучения ( "прилетевшего" фотона) электрический сигнал не появляется.
Квант света - его поглощение токопроводящей полоской - ведёт к разрушению куперовских пар (связанных между собой в квантовой системе паре электронов) и образованию лавины из квазичастиц. В области поглощения сверхпроводимость на короткое время подавляется и образуется «горячее пятно». При образовании горячего пятна на одном из участков сверхпроводящий ток перераспределяется по сечению полоски, и на краях полоски плотность тока начинает превышать критическую плотность тока. В результате вся полоска переходит в резистивное состояние, и это сопровождается импульсом напряжения на детекторе. Вскорости положение нормализуется, сверхпроводимость восстанавливается. И...Прилетает новый фотон, цикл возобновляется
Надо сказать, что тонкая полоска нитрида ниобия вовсе не открыта всем ветрам на поверхности. Прежде чем попасть на неё, свет проходит несколько слоев, включая слои, снижающие отражение света от оптических поверхностей (antireflective coating). Ниже показана одна из схем построения матрицы детектора, используемого NASA.
Как следует из данного очерка, американцы также не теряли время в развитии технологии SNSPD, хотя настоящими пионерами здесь являются россияне. Это надо учитывать Роскосмосу.
По выставке Фотоника 2022 см. также мой очерк по IPG Photonics
Продолжение по выставке - Микроспутники. Системы прецизионного приборостроения на Фотоника-2022 смотрите здесь. Подборку "Связь. Технологии" см. на канале Друг Истории здесь, а Бизнес и экономика - здесь
По лазерной теме - Впечатления о выставке Связь-2022. Современные усилители на волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС)
Уважаемые читатели, подписчики, если вас заинтересовал очерк, вы прочли его, не забывайте ставить лайки) Цените ваше спасибо автору.
Олег Душин, журнал №99 Друг Истории,#Фотоника
Блог исторической аналитики открыт вашему вниманию, подписке, лайкам и очень благодарен за них
