Нова технологія детектування дозволяє отримати більше корисної інформації з одиничних фотонів світла
Дослідники з Національного інституту стандартів і технологій (National Institute of Standards and Technology, NIST) і Лабораторії НАСА з вивчення реактивного руху (Jet Propulsion Laboratory, JPL) розробили матрицю "розумних" детекторів, за допомогою якої можна отримати більше корисної інформації з одиничних фотонів світла, що може бути використано для поліпшення технологій космічних оптичних комунікацій. Матриця з датчиків, виготовлена на поверхні спеціалізованого чипа, що дозволяє визначити точне положення в системі саме того датчика, який поглинув частку інфрачервоного світла, фотон. Крім цього, пристрій дозволяє зареєструвати точний час отримання оптичного сигналу, те, чого не могли зробити інші існуючі фотодатчики, здатні реєструвати поодинокі фотони.
Нагадаємо, що в даний час ведуться інтенсивні розробки систем лазерної дальньої космічного зв'язку і на цьому терені дослідникам вже вдалося домогтися деяких значущих успіхів. Незважаючи на те, що промені лазерного світла можуть забезпечити передачу даних на недосяжних раніше швидкостях, слід розуміти, що їх потенціал у цій справі далеко не безмежний, і одним із шляхів розширення цього потенціалу є можливість кодування в оптичних сигналах настільки великої кількості інформації, наскільки це видається можливим.
Одним з рішень збільшення інформаційної щільності лазерних комунікаційних каналів є використання додаткової модуляції, заснованої на просторовому положенні і формою імпульсу світла. У такому варіанті кожен фотон імпульсу, що випромінюється в строго певний момент часу і має просторове положення, відмінне від становища інших фотонів, що дозволяє закодувати в рамках одного імпульсу більше одного біта інформації. Створити джерела світла, які можуть випромінювати фотони трохи лівіше, правіше, нижче або вище їх геометричній осі, можна і на нинішньому рівні розвитку технологій, а детектувати таке становище стало можливим лише нещодавно, завдяки новому чіп, який містить матрицю фотодатчиків.
У новій технології використовуються сверхпроводимые датчики одиничних фотонів на основі нанопровідників. Експериментальний датчик може "порахувати" десятки мільйонів фотонів в секунду, але дослідники стверджують, що досить просто можна забезпечити швидкодію в мільярд фотонів в секунду. Ключовим нововведенням, що дозволив створити такий датчик, стало використання нового матеріалу, силіцидів вольфраму, який забезпечує високу чутливість при детектуванні окремих фотонів. Поточна ефективність перетворення енергії фотонів в електричний сигнал перевищує 90 відсотків. Всі інші матеріали, випробувані дослідниками, забезпечують більш низьку ефективність і їх важче інтегрувати до складу складних електронних схем.
Надпровідні датчики повинні працювати при надзвичайно низькій температурі, яка не повинна підніматися вище -270 градусів за шкалою Цельсія. При такій температурі нанопроводники датчика знаходяться у надпровідному стані, а весь поточний електричний струм рівномірно розподіляється між усіма нанопроводниками. Коли нанопроводник поглинає фотон світла, його температура різко підвищується, опір стрибкоподібно збільшується. Струм через нанопроводник зменшується і спеціальна електронна схема реєструє точне місце і час отримання фотона світла.
В даний час досвідчений детектор складається з чотирьох матриць детекторів, в кожній з яких знаходиться по чотири нанопроводника, а зараз дослідники працюють над новим детектором, у складі якого будуть перебувати 64 матриці з 16 нанопровідників в кожній, можливості якого дозволять кодувати в одному імпульсі лазерного світла до одного байта інформації.