Исследователи из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) и Лаборатории НАСА по изучению реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL) разработали матрицу “умных” детекторов, при помощи которой можно извлечь больше полезной информации из единичных фотонов света, что может быть использовано для улучшения технологий космических оптических коммуникаций. Матрица из датчиков, изготовленная на поверхности специализированного чипа, позволяет определить точное положение в системе именно того датчика, который поглотил частицу инфракрасного света, фотон. Кроме этого, устройство позволяет зарегистрировать точное время получения оптического сигнала, то, чего не могли сделать другие существующие фотодатчики, способные регистрировать единичные фотоны.
Одним из решений увеличения информационной плотности лазерных коммуникационных каналов является использование дополнительной модуляции, основанной на пространственном положении и форме импульса света. В таком варианте каждый фотон импульса излучается в строго определенный момент времени и имеет пространственное положение, отличное от положения других фотонов, что позволяет закодировать в рамках одного импульса более одного бита информации. Создать источники света, которые могут излучать фотоны немного левее, правее, ниже или выше их геометрической оси, можно и на нынешнем уровне развития технологий, а детектировать такое положение стало возможным только недавно, благодаря новому чипу, содержащему матрицу фотодатчиков.
В новой технологии используются сверхпроводимые датчики единичных фотонов на основе нанопроводников. Экспериментальный датчик может “посчитать” десятки миллионов фотонов в секунду, но исследователи утверждают, что достаточно просто можно обеспечить быстродействие в миллиард фотонов в секунду. Ключевым нововведением, позволившим создать такой датчик, стало использование нового материала, силицида вольфрама, который обеспечивает высокую чувствительность при детектировании отдельных фотонов. Текущая эффективность преобразования энергии фотонов в электрический сигнал превышает 90 процентов. Все другие материалы, испробованные исследователями, обеспечивают более низкую эффективность и их труднее интегрировать в состав сложных электронных схем.
Сверхпроводящие датчики должны работать при чрезвычайно низкой температуре, которая не должна подниматься выше -270 градусов по шкале Цельсия. При такой температуре нанопроводники датчика находятся в сверхпроводящем состоянии, а весь текущий электрический ток равномерно распределяется между всеми нанопроводниками. Когда нанопроводник поглощает фотон света, его температура резко повышается, сопротивление скачкообразно увеличивается. Ток через нанопроводник уменьшается и специальная электронная схема регистрирует точное место и время получения фотона света.
В настоящее время опытный детектор состоит из четырех матриц детекторов, в каждой из которых находится по четыре нанопроводника, а сейчас исследователи работают над новым детектором, в составе которого будут находиться 64 матрицы из 16 нанопроводников в каждой, возможности которого позволят кодировать в одном импульсе лазерного света до одного байта информации.
