vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2022-67-2-222-229vestift-739Research ArticleРАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕRADIOELECTRONICS AND INSTRUMENT-MAKINGХарактеристики германиевых лавинных фотодиодов в режиме счета фотоновStudy of the characteristics of germanium avalanche photodiodes in the photon counting modeГулаковИ. Р.GulakovI. R.

Гулаков Иван Романович – доктор физико-математических наук, профессор кафедры математики и физики

ул. Ф. Скорины, 8/2, 220114, Минск

Ivan R. Gulakov – D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor of the Department of Mathematics and Physics

8/2, F. Skorina Str., 220114, Minsk

gulakov@bsu.byЗеневичА. О.ZenevichA. O.

Зеневич Андрей Олегович – доктор технических наук, профессор, ректор

ул. Ф. Скорины, 8/2, 220114, Минск

Andrey O. Zenevich – D. Sc. (Engineering), Professor, Rector

8/2, F. Skorina Str., 220114, Minsk

a.zenevich@bsac.byКочергинаО. В.KocherginaO. V.

Кочергина Ольга Викторовна – аспирант кафедры математики и физики

ул. Ф. Скорины, 8/2, 220114, Минск

Olga V. Kochergina – Ph. D. Student of the Department of Mathematics and Physics

8/2, F. Skorina Str., 220114, Minsk

o.kochergina@bsac.byМатковскаяТ. А.MatkovskaiaT. A.

Матковская Татьяна Александровна – аспирант кафедры математики и физики

ул. Ф. Скорины, 8/2, 220114, Минск

Tatiana A. Matkovskaia – Ph. D. Student of the Department of Mathematics and Physics

8/2, F. Skorina Str., 220114, Minsk

t.matkovskaya@bsac.byБелорусская государственная академия связиBelarusian State Academy of Communications202202072022672222229Copyright © Гулаков И.Р., Зеневич А.О., Кочергина О.В., Матковская Т.А., 20222022Гулаков И.Р., Зеневич А.О., Кочергина О.В., Матковская Т.А.Gulakov I.R., Zenevich A.O., Kochergina O.V., Matkovskaia T.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/739

Проведено исследование характеристик германиевых лавинных фотодиодов, работающих в режиме счета фотонов в фотоприемных устройствах волоконно-оптических линий связи, используемых в квантовых криптографических системах. В частности, установлено, при какой наибольшей температуре возможна реализация режима счета фотонов, также рассмотрено влияние температуры и перенапряжения на чувствительность фотодиодов. Для проведения исследований разработана экспериментальная установка. Определено, что наибольшая температура окружающей среды, при которой германиевые лавинные фотодиоды ЛФД-2 работают в режиме счета фотонов, составляет 243 К. Установлено, что наибольшая чувствительность этих фотодиодов соответствует диапазону длин волн оптического излучения 1310÷1490 нм. Понижение температуры приводит к увеличению чувствительности фотодиодов. Показано, что зависимость отношения сигнал/шум от перенапряжения имеет максимум, соответствующий перенапряжению ΔU = 0,1 В. Понижение температуры приводило к увеличению чувствительности и отношения сигнал/шум. Также установлено, что при работе лавинного фотодиода в режиме счета фотонов для обеспечения максимальной чувствительности необходимо выбирать перенапряжение, соответствующее максимуму отношения сигнал/шум. Полученные результаты могут быть использованы в квантовых криптографических системах, технических средствах защиты информации, передаваемой по волоконно-оптическим линиям связи, и для метрологии однофотонных источников излучения

A study was made of the characteristics of photodetectors for fiber-optic communication lines using quantum cryptographic systems – germanium avalanche photodiodes operating in the photon counting mode. In particular, it was established at what highest temperature the implementation of the photon counting mode is possible, and the influence of temperature and overvoltage on the sensitivity of photodiodes is also considered. An experimental setup has been developed for the research. It has been determined that the highest ambient temperature at which LFD-2 germanium avalanche photodiodes operate in the photon counting mode is 243 K. It has also been found that the highest sensitivity of germanium avalanche photodiodes corresponds to the optical radiation wavelength range of 1310÷1490 nm. Lowering the temperature leads to an increase in the sensitivity of germanium avalanche photodiodes. It was found that the dependence of the signal-to-noise ratio on overvoltage has a maximum corresponding to overvoltage ΔU = 0.1 V. Lowering the temperature led to an increase in sensitivity and signal-to-noise ratio. Since there was no shift in the maximum dependence of the signal-to-noise ratio on the overvoltage, it was therefore concluded that when the avalanche photodiode operates in the photon counting mode, in order to ensure maximum sensitivity, it is necessary to select the overvoltage corresponding to the maximum signal-to-noise ratio. The results obtained can be used in quantum cryptographic systems, technical means of protecting information transmitted over fiber-optic communication lines, and for the metrology of single-photon radiation sources.

германиевый лавинный фотодиодтемпературасчет фотоновчувствительностьотношение сигнал/шумgermanium avalanche photodiodetemperaturephoton countingsensitivityratio/noiseReferencesPiétri, Y. Quantum Cryptography / Y. Piétri. – London: Imperial College London, 2020. – 85 p.Piétri Y. Quantum Cryptography. London, Imperial College London, 2020. 85 p.Килин, С. Я. Квантовая криптография: идеи и практика / С. Я. Килин; под ред. С. Я. Килина, Д. Б. Хорошко, А. П. Низовцева. – Минск: Белорус. наука, 2007. – 391 с.Kilin S. Ya.; Kilin S. Ya., Khoroshko D. B., Nizovtsev A. P. (eds.) Quantum Cryptography: Ideas and Practice. Minsk, Belorusskaya nauka Publ., 2007. 391 p. (in Russian).Hacking the Quantum Key Distribution System by Exploiting the Avalanche-Transition Region of Single-Photon Detectors / Yong-Jun Qian [et al.] // Phys. Rev. Applied. – 2018. – Vol. 10, № 6. – Art. 064062. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.10.064062Yong-Jun Qian, De-Yong He, Shuang Wang, Wei Chen, Zhen-Qiang Yin, Guang-Can Guo, and Zheng-Fu Han. Hacking the Quantum Key Distribution System by Exploiting the Avalanche-Transition Region of Single-Photon Detectors. Physical Review Applied, 2020, vol. 10, no. 6, art. 064062. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.10.064062Дмитриев, С. А. Волоконно-оптическая техника: современные состояние и новые перспективы / С. А. Дмитриев, Н. Н. Слепов. – М.: Техносфера, 2010. – 608 с.Dmitriev S. A., Slepov N. N. Fiber-Optic Technology: Modern State and New Perspectives. Moscow, Technosfera Publ., 2010. 608 p. (in Russian).Makarov, V. Controlling passively quenched single photon detectors by bright light / V. Makarov // New J. Phys. – 2009. – Vol. 11, № 6. – Art. 065003. https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/6/065003Makarov V. Controlling passively quenched single photon detectors by bright light. New Journal of Physics, 2009, vol. 11, no. 6, art. 065003. https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/6/065003Многоканальная квантовая система волоконно-оптической безопасной связи / О. К. Барановский [и др.] // Укр. науч. журн. информ. технологий. – 2016. – Т. 22, № 2. – С. 156–162.Baranovsky O., Gulakov І., Vasiliu Ye., Zenevich A., Limar І. Multichannel quantum system of fiber-optics secure communication. Ukrainskii nauchnyi zhurnal informatsionnykh tekhnologii [Ukrainian Scientific Journal of Information Security], 2016, vol. 22, no. 2, pp. 156–162 (in Russian).Гулаков, И. Р. Фотоприемники квантовых систем / И. Р. Гулаков, А. О. Зеневич. – Минск: УО ВГКС, 2012. – 276 с.Gulakov I. R., Zenevich A. O. Photodetectors of Quantum Systems. Minsk, Higher State College of Communications, 2012. 276 p. (in Russian).Одноэлектронные фотоприемники / С. С. Ветохин [и др.]. – М.: Атомиздат, 1979. – 192 с.Vetokhin S. S., Gulakov I. R., Pertsev A. N., Reznikov I. V. Single-Electron Photodetectors. Moscow, Atomizdat Publ., 1979. 192 p. (in Russian).Гулаков, И. Р. Регистрация квантов света в ближней ИК области спектра лавинными фотодиодами / И. Р. Гулаков, С. В. Холондырев, О. Е. Шаблинский // Журн. приклад. спектроскопии. – 1988. – Т. 49, вып.4. – С. 671–674.Gulakov I. R., Kholondyrev S. V., Shablinsky O. E. Registration of light quanta in the near-IR region of the spectrum by avalanche photodiodes. Journal of Applied Spectroscopy, 1988, vol. 49, no. 4, pp. 671–674 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.