Отечественный лавинный фотодиод для систем квантовых коммуникаций

Актуальность и необходимость

Лавинные фотодиоды, используемые для регистрации одиночных фотонов в квантовых коммуникациях, являются критической технологией. В мире всего четыре компании производят такие компоненты (Южная Корея, Китай, США), и прямые поставки в Россию, в том числе материалов для создания собственных разработок, затруднены из-за экспортных ограничений. При этом создание отечественного лавинного фотодиода необходимо для обеспечения технологического суверенитета в области квантовой криптографии, а также для снижения зависимости от импортных материалов и комплектующих.

Суть технологии

В КРК-системах информация передается одиночными фотонами — предельно ослабленными световыми импульсами. Каждая частица света должна преодолеть по оптическому волокну в магистральных сетях расстояние порядка 50–60 км. На приемной стороне ее необходимо зарегистрировать, а значит, чувствительность детектора должна быть исключительно высокой.

В мировой практике для этих целей применяются два основных типа детекторов одиночных фотонов. Первый — сверхпроводниковые детекторы (SPD). Они демонстрируют низкий уровень шумов и высокую эффективность, однако требуют экстремального охлаждения до температур минус 268–263 оС (близких к абсолютному нулю). Это делает SPD-установки громоздкими, сложными в эксплуатации и непригодными для промышленного использования вне лабораторных условий.

Второй тип — детекторы на основе лавинных фотодиодов. Это полупроводниковые структуры, в которых поглощение фотона порождает лавинное умножение электронов, приводящее к резкому возрастанию тока. Для работы таких детекторов требуется обеспечить уровень охлаждения от минус 60 до минус 20 оС. Как следствие, необходимое оборудование компактнее и пригодно для промышленной эксплуатации.

Лавинный фотодиод представляет собой гетероструктуру с раздельным поглощением (слой InGaAs) и умножением носителей заряда (слоем InP). В проекте разрабатывается как сама структура фотодиода, так и технология выращивания методом молекулярно-лучевой эпитаксии (технология, позволяющая напылять слой за слоем с молекулярной точностью), чтобы обеспечить регистрацию одиночных фотонов с высокой квантовой эффективностью и низким уровнем шумов.

Ключевые преимущества и эффект от внедрения

Технологическая независимость

Конкурентоспособная стоимость

Ожидается, что отечественные фотодиоды будут дешевле импортных аналогов за счет локализации производства, сокращения логистических и таможенных издержек.

Импортозамещение критического компонента

Возможность обеспечить российских производителей КРК-оборудования отечественными детекторами.

Основа для дальнейших разработок

Фото: Production Perig/Shutterstock/FOTODOM

Мировой контекст

Весь мировой рынок лавинных фотодиодов для квантовых коммуникаций представлен четырьмя компаниями (по одной из Южной Кореи и США, две — из Китая). Российская разработка ориентирована на достижение уровня промышленных образцов, сопоставимого с лучшими доступными коммерческими изделиями, представленными на рынке.

Российская реализация

Проект выполняется в рамках дорожной карты «Квантовые коммуникации». Работы ведутся в кооперации: АО «ОКБ Планета» (компания входит в концерн «Алмаз-Антей») разрабатывает конструкцию и технологию изготовления кристалла ЛФД и ЛФД в корпусе. За создание и анализ параметров гетероструктур отвечают НТЦ РАН и ФТИ им. А.Ф. Иоффе (контролирует компания Connector Optics), разработку ПОФ на базе отечественного ЛФД ведет «Смартс-Кванттелеком».

В ходе работ уже выполнено 10 итераций выращивания структур. Получены экспериментальные образцы лавинных фотодиодов, соответствующие техническому заданию. В настоящее время ведутся работы по созданию на их основе полноценного детектора одиночных фотонов. Окончание работ запланировано на конец 2026 года.

Если удастся добиться характеристик фотодиодов, не уступающих существующим коммерческим аналогам, это позволит заместить импорт.

Текущий статус и перспективы

Проект находится на завершающей стадии. Из-за сложностей с получением чистых исходных материалов (индий, галлий, арсенид, фосфор и др.) и необходимости импортозамещения сырья сроки реализации проекта были увеличены. Однако ожидается, что к концу 2026 года будут созданы пригодные для промышленного производства лавинные фотодиоды и отработана технология их производства. После успешной сдачи проекта планируется передача разработки в производство. Дополнительное время понадобится на разворачивание серийного выпуска лавинных фотодиодов. Параллельно ведется работа по использованию этих фотодиодов в низкошумящих детекторах одиночных фотонов, в том числе в рамках проекта по дальнепролетным системам.

Волоконно-оптические фильтры для систем КРК

Созданы опытные образцы не имеющих аналогов в России высокодобротных волоконно-оптических фильтров для систем КРК.

текущий

26.03.2026

/ #фильтр #КРК

Высокоскоростной шифратор с поддержкой квантового распределения ключей

Первое в России сертифицированное устройство такого класса.

25.03.2026

/ #шифратор

Шлюз сопряжения для мультивендорной магистральной сети КРК

Устройство предназначено для унификации протокола обмена квантовыми ключами между оборудованием различных производителей.