CN101004359A - 测量甚弱光功率的方法和设备和使用该方法的光通信系统 - Google Patents

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CN101004359A CNA2006101429221A CN200610142922A CN101004359A CN 101004359 A CN101004359 A CN 101004359A CN A2006101429221 A CNA2006101429221 A CN A2006101429221A CN 200610142922 A CN200610142922 A CN 200610142922A CN 101004359 A CN101004359 A CN 101004359A
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田岛章雄
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Abstract

提出了一种用于通过使用光子检测器来测量到达接收器的甚弱光的光功率的方法和设备。光子检测器根据偏置电压施加时序来检测光子的到达与否。对于在各个时隙中的任何时刻进入的一组光脉冲，偏置电压施加时序在时隙范围内被顺序地移动。每次当进行移动时，所检测的光子数被光子计数器所计数。根据光子数来测量该组光脉冲的光功率。

Description

测量甚弱光功率的方法和设备和使用该方法的光通信系统
技术领域
本发明涉及测量光的功率的技术，并且更为确切地说，涉及测量甚弱光功率的方法和设备，以及使用该方法的光通信系统。
背景技术
近年在光通信领域，对具有实现沿传输线高保密特性的量子钥匙发布系统的研究比较活跃，并且有关该系统已经提出了大量的建议。
其中，Bennett和brassard在“QUANTUM CRYPTOGRAPHY，PUBLIC KEY DISTRIBUTION AND COIN TOSSING(量子密钥、公钥发布与投币试验)”(pp.175-179，IEEE International Conference onComputers，Systems，and Signal Processing，Bangalore，India)一文中提出的一种通过使用两种类型的基来让发送方和接收方共享量子密钥的系统，就是这些系统中的一个基本系统。根据该建议，发送方通过使用根据表示量子状态的两个基(D、R)与二值随机数(0、1)的组合得到的四种信息中的任何一个来对光子进行相位调制，并且然后将经过相位调制的光子发送到接收方。接收方通过使用独立于发送方的基(D、R)来接收光子，并且将所接收的数据存储起来。之后，发送方和接收方使用普通信道来检查发送中使用的基是否与接收中使用的基相同，并且仅根据对应于匹配基的接收数据来判定最终共享的秘密数据。
瑞士日内瓦大学的一个研究小组提出的一种即插即用钥匙发布系统(参见G.Ribordy的文章“Automated‘plug & play’quantum keydistribution”，Electronics Letters，Vol.34，No.22，pp.2116-2117)被认为是最有希望将偏振敏感性量子钥匙发布系统带入实际应用的方案，因为该系统能够对沿光纤传输线发生的偏振中的波动进行补偿。图1示出了一种即插即用系统的结构图。
如图1所示，在该即插即用系统中，用于接收量子密钥的接收器具有产生光脉冲P的激光LD。光脉冲P被光耦合器分成两部分，并且其中一部分，即光脉冲P1，穿过短路径，而另一个，即光脉冲P2，穿过长路径。脉冲P1和P2作为双倍脉冲被传送到发送器。
发送者具有法拉第镜和相位调制器A。所接收的光脉冲P1和P2被法拉第镜分别反射出去，当它们被回送到接收器时偏振状态已经旋转90度。在这种情况下，相位调制器A在光脉冲P2正在穿过相位调制器A时对光脉冲P2进行相位调制。经过相位调制的光脉冲P2*a被返回到接收器。
由于从发送器所接收的每一个光脉冲P1和P2*a的偏振状态已经被旋转了90度，因此接收器中的偏振波束分光器PBS将这些所接收的每一个脉冲引导到与当该脉冲被发送给发送器时所使用的路径不同的另一路径。具体地说，所接收的光脉冲P1被引导到长路径，并且在当它穿过相位调制器B时对其进行相位调制，并且相位调制光脉冲P1*b到达光耦合器。另一方面在发送器已经进行了相位调制的光脉冲P2*a穿过当它被发送到发送器时所使用的路径不同的短路径，并且然后到达同一个光耦合器。因此，在发送器端进行了相位调制的光脉冲P2*a和在接收器端进行了相位调制的光脉冲P1*b相互干涉，并且这种干涉结果被光子检测器APD0或APD1所检测。注意，这里使用雪崩光电二极管来作为光子检测器，在门控盖革模式(GGM)下进行驱动。
如上所述，在接收器生成的一个光脉冲被分成两个，并且因此而获得的双脉冲P1和P2每一个尽管被分别进行相位调制，但是它们在发送器和接收器之间都具有一个来回的光程。结果，这两个脉冲穿过相同光路经并且然后相互干涉。因此，干涉结果光子检测器APD0或APD1所观察到的干涉结果(其中抵消了由于光纤传输线而造成的延迟变化)取决于发送器的相位调制量和接收器的相位调制量之差。
具有这种结构的即插即用系统需要同步，如下所述：
(1)在发送器，在当从接收器发送来的脉冲P2穿过脉冲调制器A时需要同步将对应于相位调制量的电压施加到相位调制器A。
(2)在接收器，在当从发送器返回来的脉冲P1穿过脉冲调制器B时需要同部将对应于相位调制量的电压施加到相位调制器B。
(3)进而在接收器，在当所返回的脉冲入射(门控盖革模式下的超敏感接收)时需要同步将偏置电压施加到光子检测器APD0和APD1。
如上所述，为了让量子钥匙发布系统通过在实际中实现高度干涉来稳定地生成量子密钥，必不可少地需要执行这种时序控制，以便在发送器端的相位调制器A和在接收器端的相位调制器B和光子检测器APD的每一个在光脉冲到达时被同步驱动。
在诸如上述量子钥匙发布系统等通过利用相位调制来发送信息的系统的情况下，无法判断在发送器端驱动相位调制器A的时序是否正确，除非参考由接收器端的光子检测器APD0或APD1所观测到的干涉结果。因此，为了准确地执行上述时序控制，需要准确地知道接收器端干涉仪的消光比(由光子检测器APD0和APD1所观测到的功率之比)。
不过，在门控盖革模式接收情况下，在光脉冲到达时，偏置电压仅被施加到光子检测器APD预定的时间段。如果在施加了栅极电压时光子到达，则光子检测器APD被损坏，并且倍增电流持续流动，直到栅极电压的施加完成。因此，能够被光子检测器所检测的除了噪声就是在栅极电压施加期间光子是否到达，并且无法测量根据光子检测的时间均值来获得的消光比。
因此，现有情况下需要在每次当传输路径改变时，都应该使用例如光功率测量装备取代光子检测器APD来测量消光比，并且然后决定对发送器端的相位调制器施加电压的时序。换句话说，既需要为接收器提供用于确认发送器驱动时序的光功率测量装备，又需要为接收器提供用于量子密钥生成的光子检测器APD。
发明内容
本发明的目标是提出一种用于通过使用光子检测器来测量甚弱光的功率的方法和设备。
本发明的另一个目标是提出一种光通信系统，通过使用弱光功率测量方法来优化发送器中的时序，并且从而能够使信息以正确的时序被稳定地传送。
本发明的再一个目标时提出一种光通信系统，以正确的时序驱动发送器端的相位调制器，并且从而实现高速、稳定的量子钥匙发布。
根据本发明，一组光脉冲的光功率可以通过使用用于根据驱动时序来检测光子到达的光子检测器来测量。一组光脉冲的光功率可以根据通过移动驱动时序来计数的光子数来进行测量。
在根据本发明的光通信系统中，第一通信设备包括：调制器，用于根据待传输的原始信息，在用于通过第一通信信道将该组经过调制的光脉冲发送到第二通信设备的给定调制时刻，来调制一组光脉冲；以及时序供应器，用于将调制时序提供给调制器，其中调制时序是可以改变的。第二通信设备包括：光子检测器，用于根据驱动时序来检测该组脉冲通过第一通信信道的光子到达；计数器，用于对由光子检测器所检测的光子数进行计数；测量部件，用于根据通过移动驱动时序所计数的光子数来测量该组光脉冲的光功率；以及时序控制器，用于根据由测量部件所测量的光功率，通过第二通信信道来控制第一通信设备的调制时序。
如上所述，根据本发明，通过移动偏置电压被施加到光子检测器所用的驱动时序的相位，光子计数器在偏置电压被施加到光子检测器的时间段内，对已经到达的光子数进行计数。假定光脉冲的波长已知，可以根据所计数的光子数来获得光脉冲的光功率。因此，可以用光子检测器来测量甚弱光的光功率或类似物理量。
由于甚弱光的光功率或类似物理量可以以上述方式通过光子检测器来测量，因此可以以最佳时序来操作光通信系统中的光传输器，从而得到稳定的信息传输。在本发明被应用到量子钥匙发布系统的情况下，可以以正确的时序来操作发送端的相位调制器，从而得到高速和稳定的量子钥匙发布。
附图说明
图1为框图，示出了即插即用系统的结构；
图2为框图，示出了根据本发明模式的弱光功率测量设备的结构；
图3为波形图，用于描述在根据该模式的弱光功率测量方法中，用于偏置电压施加时序的相位移动状态；
图4为图形，示出了光子数随着相移量而变化；
图5为框图，示出了根据本发明第一实施例的与温度无关的即插即用系统结构；
图6为用于描述发送器上PBS环路的操作的示意性结构图；
图7为解释性图，示出了通过PBS环路进行传播的光脉冲的时间序列；
图8为流程图，示出了在根据本发明的第一实施例的系统中，发送器的时序搜索，包括在接收器端测量消光比的过程；
图9为握手图，示出了发送器的时序控制序列，其中部分(a)至(d)分别对应于基和随机数的四种组合；
图10A至10D分别对应于基和随机数的四种组合，其中每一个示出了在接收器端测量的有效光子数和消光比的变化；
图11示出了存储在存储器270中的光子检测器APD0和APD1的有效光子数和时钟位移量的数据表；
图12为流程图，示出了在根据本发明第二实施例的量子加密系统中，发送器的时序控制序列；
图13为握手图，示出了发送器的时序控制程序，其中部分(a)至(d)分别对应于基和随机数的四种组合；
图14为流程图，示出了在根据本发明第三实施例的量子加密系统中，发送器的时序控制序列；
图15A至15D分别对应于基和随机数的四种组合，其中每一个示出了在接收器端测量的有效光子数和消光比的变化；
图16A至16D分别对应于基和随机数的四种组合，其中每一个示出了在接收器端检测到的光子数变化；
图17A示出了存储在存储器270中的光子检测器APD0和APD1的光子数和发送器端时钟位移量之比的数据表；
图17B示出了存储在存储器270中的光子检测器APD0和APD1的光子数和接收器端时钟位移量之比的数据表。
具体实施方式
图2为框图，示出了根据本发明模式的弱光功率测量设备的结构。光子检测器1是光电转换器件，能够在施加偏置电压时检测单个光子的入射存在与否，并且一般情况下是雪崩光电二极管。光子检测器1被偏置电压施加电路2所施加的偏置电压所驱动。偏置电压施加的时序及其持续时段被时序控制电路3所控制。换句话说，光子检测器1是在其中仅当需要检测光脉冲时才施加偏置电压的门控盖革模式下运行的，并且能够进行高灵敏性接收。
时序控制电路3根据功率测量部分4的时序控制可以沿着时间轴，以2π/n为步长从0到2π自由移动时钟信号CLK的相位。这里假定时钟信号CLK的周期基本上与进入的光脉冲的周期相同，但是不知道光脉冲的到达与哪一个相位相一致。顺便说一下，作为例子，光脉冲的脉宽为大约一个纳秒，施加到光子检测器1的脉冲形状偏置电压的脉冲宽度为大约1至5纳秒，并且这些脉冲的周期T为大约16纳秒。
如果经过相移的时钟信号的时序与光脉冲的到达时序一致，光子检测器1可以检测作为光脉冲的光子到达。当光子到达被光子检测器1所检测时，它就被光子计数器5所计数。在光功率测量部件4的控制下，光子计数器5将经过计数的光子数存储在存储器6中。不过，经过计数的光子数实际上包括有经过计数的暗噪声数。
后面要讲述的光功率测量部件4每次以2π/n为步长从0到2π顺序地移动时钟信号CLK的相位，偏置电压以对应于每一个位移的时钟相位的时序被施加到光子检测器1。每一次进行了位移，时钟相位和所检测的光子数就被存储在存储器6中。当时钟信号CLK的相位被位移到2π，光功率测量部件4根据存储在存储器6中的数据测量已经到达的该组光脉冲的光功率。假定将对应于时钟信号CLK的周期T的时间间隔作为时隙，将时钟信号CLK的相位从0移动到最大2π等价于在时隙的整个范围内临时移动偏置电压施加时序。
注意，可以通过在计算机或程序控制处理器上执行存储在程序存储器7中的功率测量程序来实现光功率测量部件4。下面将详细讲述根据本模式的弱光功率测量方法。
图3为波形图，用于描述在根据该模式的弱光功率测量方法中，用于偏置电压施加时序的相位移动状态。图4为图形，示出了光子数随着相移量而变化。
如图3所示，首先，光功率测量部件4将时序控制电路3的时钟信号CLK中的时序移动θ设置为0。接下来，光功率测量部件4让时序控制电路3将时钟信号CLK的时序移动了一个步长(2π/n)。结果，将脉冲偏置电压施加到光子检测器1的时序被移动了2π/n。根据这一时序，偏置电压的脉冲在一定时间段内被施加到光子检测器1(实际上是对应于多个时隙的时间段)。在施加了该偏置电压时，如果光子到达，或有暗噪声发生，其被光子计数器5算作是光子检测到。被计数的光子数存储在存储器6中。
光功率测量部件4将时钟信号CLK的时序移动了2π/n的操作重复了n次。每一次进行移动时，被光子计数器5所计数的光子数，如果需要的话连同相移量一起，被存储在存储器6中。当进行第j个时序移动时，时钟移动量θj和所计数的光子数cj可以如图4进行绘制。
尽管在如图4所示的变化的计数值中有一个明显的峰值位于相移量的某一定值附近，但是峰值并不总是会出现。当没有光子到达时，只进行了暗计数，其中没有呈现图4所示的峰值的情况，并且在任何相位下计数值都较低。如果有光子到达，则只在对应于所述的光子到达时刻的相位处出现如图4所示的峰值。
如图4所示，假定P是当时钟时序已经被移动了n次时的光子计数和，则P用下述公式来表示：
P = Σ i = 1 n c i
这总共的光子数P对应于图4中的对角阴影区域，该区域被直线θ＝0和θ＝2π以及示出了光子计数cj的曲线包围。也就是说，这表示平均光功率。因此，通过在将偏置电压施加到光子检测器1的时序如上所述顺序地从0移动到2π时对光子数进行计数，可以用光子检测器来测量甚弱光的光功率。
接下来，讲述其中将上述弱光功率测量方法实际施加到量子加密系统中的干涉测量的实施例。
1.第一实施例
图5为框图，示出了根据本发明第一实施例的与温度无关的即插即用系统结构。这里，作为例子对系统结构进行了解释，其中在执行量子通信的两个通信设备中，量子通信的发送端指发送器10，其接收端指接收器20，并且发送器10和接收器20通过光传输线30进行光学连接。
根据第一实施例的即插即用系统的基本结构和操作参考图1所述，只是在发送器10中使用了PBS环路来代替法拉第镜。
发送器10的量子块100具有PBS环路104，它包括有相位调制器102和偏振波束分光器(PBS)103。
相位调制器102根据同步时钟110所提供的时钟信号，对通过的一组光脉冲执行相位调制。脉冲调制的深度是由通信控制器130所给出的相位控制信号所决定的。这里，对应于基(+/×)和随机数(0/1)的四种组合，有四个深度(0，π/2，π，3π/2)。相位控制信号是对应于任何一个调制深度的电压。当光脉冲穿过相位调制器102的时刻，相位控制信号被施加到相位调制器102，从而对光脉冲进行相位调制。
PBS环路104具有类似于法拉第镜的功能，并且通过将偏振状态旋转90度来输出入射光。后面要讲述本实施例的PBS环路。
而且，发送器10具有同步时钟110，数据通信部件120和通信控制器130。在通信控制器130的控制下，同步时钟110与接收器20交换时钟信号，并且将时钟信号CLK提供给相位调制器102。通信控制器130通过数据通信部件120与接收器20交换控制信号，并且根据来自接收器20的控制信号来控制量子块100和同步块110。
接收器20的量子块200的结构基本上与图1所示的结构相同。由激光201根据参考时钟信号所生成的光脉冲P，被光计算器202引导到光耦合器203，在那里光脉冲P被分成两部分。两部分中的一个，即光脉冲P1，沿着短路径204前进，并且被发送到偏振波束分光器(PBS)207。另一个，即光脉冲P2，穿过位于长路径205中的相位调制器206，并且然后被发送到PBS207。这些光脉冲P1和P2在PBS207组合起来，并且作为双脉冲，通过波长多路复合/多路解复合滤波器50和光传输线30被发送到发送器10。从发送器10所返回的双脉冲中的每一个，通过PBS 207被发送到不同于该光脉冲在被发送到发送器10时所使用路径的另一个路径，并且这些光脉冲在耦合器203相互干涉，这些后面要讲述。干涉的结果被光子检测器208(下面被称为APD0)或光子检测器209(下面被称为APD1)检测到。顺便说一下，短路径204和长路径205是偏振保持光纤，并且光计算器202和光耦合器203也是偏振保持型。
接收器20具有同步时钟202，它提供的量子时钟200带有用于相位调制的时钟信号CLK1和用于在门控盖革模式下进行光子检测器操作的时钟信号CLK2。同步时钟210与发送器10的同步时钟110交换同步时钟信号。而且，接收器20的通信控制器230通过数据通信部件220与发送器10交换控制信号，并且控制量子块200和同步块210。
除了这些块和部件以外，在根据本实施例的系统中的接收器20具有时序控制器240，其通过控制通信控制器230来优化发送器10中的时序和接收器20中的时序，并且还具有功率测量部件250，用于通过使用光子检测器APD0和APD1来测量光功率。光功率测量部件250控制时序控制器240、光子控制器260和存储器270；具有光子计数器260，对由光子检测器APD0和APD1检测的光子分别进行计数；并且将计数值作为用于决定最优时序和测量光功率的测量数据存储在存储器270中。时序控制器240和光功率测量部件250可以通过执行存储在程序存储器280中的程序来在计算机或程序控制处理器上进行实现。
顺便说一下，在同步块110和210之间发送和接收的时钟信号和在数据通信部件120和220之间发送和接收的控制信号的每一个的波长都不同于在量子块100和200之间发送和接收的光脉冲的波长。这些信号通过波长多路复用/解多路复用滤波器40和50进行波长多路复用和解多路复用，并且通过使用波分多路复用技术，经由光传输线30进行传输。另外，为发送器10提供的同步块110和为接收器20提供的同步块210每一个都具有波长稳定的激光器，作为光源发送出时钟信号。因此，可以为量子块100和200的每一个提供稳定的时钟信号。
接下来，详细讲述在将双脉冲P1和P2从位于接收器20的量子块200输出到光传输线30之后双脉冲P1和P2的路径，以及在双脉冲P1和P2沿着各自路径传播期间的处理操作。
在发送器10中，经由光传输线30和波长多路复用/解多路复用滤波器50而到达的双脉冲P1和P2的每一个在PBS 103被进一步分裂，从而得到四个脉冲(也就是四重脉冲)，包括顺时针双脉冲P1cw和P2cw以及逆时针双脉冲P1ccw和P2ccw。每一对双脉冲穿过位于与另一对脉冲相反方向的相位调制器102并且进入不同于该对脉冲输出的端口的PBS端口。
相对于第一个脉冲P1cw，相位调制器102对作为顺时针双脉冲的第二个脉冲的脉冲P2cw进行相位调制，并且在逆时针双脉冲和顺时针双脉冲之间的相位差为π，这在后面将要讲述到。相位调制器102需要这种时序控制，以便对如上所述的四重脉冲的每一个执行任意相位调制。
根据需要进行相位调制的四重脉冲在PBS 103复合起来，返回成双脉冲。如上所述，由于根据传输信息仅对脉冲的下述一个进行了相位调制，因此输出的双脉冲用P1和P2*a表示。此时当双脉冲输出时，双脉冲的偏振状态，参考的是双脉冲的状态，而这种状态相对于它们被输入时的状态旋转了90度。因此，可以获得类似于法拉第镜的效果。
在接收器20中，由于从发送器10所接收的光脉冲P1和P2*a的偏振状态被旋转了90度，因此PBS 207将所接收的这些脉冲的每一个引导到不同于该脉冲在被传输到发送器10时所使用的路径的另一个路径。具体地说，所接收的光脉冲P1被引导到长路径，并且在当它穿过相位调制器206时根据所指定的基对其进行相位调制，并且经过相位调制的光脉冲P1*b到达光耦合器203。另一方面，光脉冲P2*a穿过不同于它在被传输到发送器10时所使用的路径的短路经，并且到达同一个光耦合器203。
因此，在发送器端经过相位调制的光脉冲P2*a和在接收器端经过相位调制的光脉冲P1*b相互干涉，并且干涉结果被光子检测器APD0或APD1所检测。光子检测器APD0和APD1在门控盖革模式下根据从同步块210提供的时钟信号CLK2而被驱动，并且它们的检测信号被输出到通信控制器230和光子计数器260。后面将要讲到，时序控制器240将光子检测器APD0和APD1以时序控制为顺序进行检测的检测信号积累在存储器270中，并且使用它们来确定最佳时序。另外，由光子计数器260所得到的计数值与此时的相移量一起也被存储在存储器270中。
1.1)通过PBS环路进行相位调制
下面来讲述PBS环路的操作。
图6为用于描述发送器上PBS环路的操作的示意性结构图。如上所述，所传入的双脉冲P1和P2的每一个在PBS 103被分裂成正交的偏振分量，从而得到四重脉冲301至304。光脉冲301和302对应于光脉冲P1的一个偏振分量和垂直于该分量的另一个分量。光脉冲303和304对应于光脉冲P2的一个偏振分量和垂直于该分量的另一个分量。
PBS 103的环路端口通过偏振保持光纤分别连接到相位调制器102的两个光学端口。不过，这些端口之间的光路径长度各不相同。假定设置了光路径长度，以便光脉冲301和303进入相位调制器102的时间分别比光脉冲302和304早一个时间段T。该时差T比光脉冲的宽度更长，并且比双脉冲P1和P2之间的间隔更短。
图7为解释性图，示出了通过PBS环路进行传播的光脉冲的时间序列。由于光脉冲301和303到达相位调制器102的时间分别比光脉冲302和304早一个时间段T，因此光脉冲在各个不同时间t1至t6穿过相位调制器102，见图7(A)至7(F)所示。因此，施加到相位调制器102的电压与脉冲间隔同步变化，从而在光脉冲之间赋予不同相位差。这里，在各个脉冲之间赋予的相位差如表1所示。
表1
    基，RN     光脉冲301的相位     光脉冲302的相位     光脉冲303的相位     光脉冲304的相位
    +，0     0     π     0     π
    +，1     0     π     π     0
    ×，0     0     π     π/2     3π/2
    ×，1     0     π     3π/2     π/2
如表1所示，当基为“+”并且随机数为“0”时，光脉冲301和303之间的相位差为0。当基为“+”并且随机数为“1”时，光脉冲301和303之间的相位差为π。当基为“×”并且随机数为“0”时，光脉冲301和303之间的相位差为π/2。当基为“×”并且随机数为“1”时，光脉冲301和303之间的相位差为3π/2。而且，在光脉冲302和304之间的相位差与光脉冲301和303之间的相位差具有相同大小。同时，光脉冲301和302之间以及光脉冲303和304之间的相位差为π。
如上所述，在量子钥匙发布系统中，需要对双脉冲或四重脉冲的每个执行任意相位调制。也就是说，在当每一个脉冲穿过相位调制器的时刻，需要将给出所需调制的电压施加到通过使用电压来控制相位的相位调制器102和206的每一个上。如果没有以正确的时序来驱动相位调制器，就会调制错误的脉冲。因此，需要控制时钟信号的时序以驱动相位调制器102和206，以及检查时序是否正确。
图8为流程图，示出了在根据本发明的第一实施例的系统中，发送器10的时序搜索，包括在接收器20测量消光比的过程。为了检查用于驱动发送器10中的相位调制器102的时钟信号CLK的时序是否正确，需要在接收器20中测量消光比。这里，消光比是输出到光子检测器APD0和APD1的两个光功率之比。
不过，正如前面已经提到的，光子检测器APD只能确定光子是否到达，而不能直接测量作为光子检测的时间平均值的光功率。因此，根据本实施例，用于驱动光子检测器APD的时钟信号CLK2的时序被顺序地移动，从而通过由光子检测器在每次进行移动时所得到的光子检测的结果来间接获得光功率。
参考图8，首先，时序控制器240控制通信控制器230，以便选择基和随机数的四种组合中的一个，在接收器20中的相位调制器206上设置所选择的基，以及将基和随机数值的所选组合指定通知给发送器10中的通信控制器130(S401)。当进行这一指定时，通信控制器130将相位控制信号输出到相位调制器102，并且从而以对应于所选基和随机数值的调制深度来设置相位。
接下来，时序控制器240指导发送器10中的通信控制器130以重置用于将电压施加到发送器10中的相位调制器102的时序的时序移动(S402)。在这一指令下，同步块110将时钟信号CLK中的移动量重置为初始值0。
当初始化时序移动时，时序控制器240指示通信控制器130进行时序移动，从而同步块110使用预定整数N将向相位调制器102施加电压的时序移动了2π/N。根据该时序，施加了对应于所设相位调制的电压(S403)。因此，所穿过的四重光脉冲的每一个被如上所述进行调制，并且然后以双脉冲的形式被返回到接收器20。
在接收器20中，相位调制器206根据如上所述指定的基，对所接收的双脉冲进行调制。在光耦合器203中让双脉冲相互干涉，并且通过光子检测器APD0和APD1来执行光子检测。此时，为了让光子检测器APD0和APD1接收到光子，需要只在当光子进入时才提高偏置电压。也就是说，需要用其时序与光子到达的时序相同的时钟信号来驱动光子检测器APD。不过，此时不知道光子在时钟信号的整个相位范围内(2π)的哪一个时刻进入。
因此，时序控制器240指示通信控制器230来重置为将偏置电压施加到接收器20中的光子检测器APD0和APD1的时刻所做的时序移动。在这一指令下，同步块210将时钟信号CLK2中的移动量重置为初始值0(S404)。
接下来，时序控制器240指示将从同步块210输出的时钟信号CLK2的时序移动一个步长。使用预定整数n，同步块210将向光子检测器APD0和APD1施加电压的时序移动了2π/n(S405)。通过这一移动，偏置电压以移动了2π/n的时序被施加到光子检测器APD0和APD1，并且然后执行光子检测。每一次通过任何光子检测器来检测到光子时，被每一个光子检测器所检测到的光子数被光子计数器260所计数。光子数的计数操作被重复n次，其中偏置电压施加时序的相位被顺序地和连续地移动，每一次移动一个步长(2π/n)(S406)。
当移动量以这种方式达到2π时，直到此时为止由光子计数器260为每一个光子检测器所计数的光子数，与当前所指定的随机数和基相应地，并且和当前在发送器10中进行的相位调制时刻的移动量φi(i＝1至N)相应地，存储在存储器270中(S407)。这里，正如参考图4所述，记录在存储器270中的光子数，换句话说，就是光功率，对应于t＝0和t＝2π之间区域的面积。
时序控制器240将步骤S403至S407重复N次(S408)，其中每一次将向相位调制器102施加电压的时序移动了2π/N，将向光子检测器APD0和APD1施加偏置电压的时序从0顺序地移动到2π，并且对所检测的光子数进行了计数。当重复这些步骤S403至S407直到对所有向相位调制器102施加电压的时序测量了光子计数时为止时(S408中的“是”)，指定下一个基和随机数(S401)，并且然后重复上述步骤S402至S408。
时序控制器240针对基和随机数的四种组合中的每一个执行步骤S401至S408(S409)。不过，如果可以找到下面要讲述的最佳时点，就不需要针对所有这四个组合执行这些步骤。当针对基和随机数的所需组合完成测量时(S409中的“是”)，时序控制器240根据记录在存储器270中的光子检测器APD0和APD1的各个光子计数来确定发送器10中的最佳时序。时序控制器240将该最佳时序通知给通信控制器130，然后将该时序设置在同步块110上(S410)。
1.3)搜索发送器10中的时钟时序
图9为握手图，示出了发送器的时序控制序列，其中部分(a)至(d)分别对应于基和随机数的四种组合。图10A至10D分别对应于基和随机数的四种组合，其中每一个示出了在接收器端测量的有效光予数和消光比的变化。
a)基+，随机数0(0调制)
首先，接收器20中的时序控制器240将相位调制器206的接收基设置为“+”，并且进一步指示发送器10中的通信控制器130以对应于基“+”和随机数“0”的调制深度来设置相位调制器102。结果，如前面的表1所述，被赋给各个四重光脉冲的相位调制的相位是“0-π-0-π”，顺序为四重脉冲穿过相位调制器102的顺序。
由于发送器10中的相位调制器102是根据来自同步块110的时钟信号来进行驱动的，因此相位调制器102对光脉冲进行相位调制的时序取决于提供时钟信号的时序。根据来自接收器20的指令，同步块110可以以任意个步长从0至2π来移动时钟信号的时序。
接下来，时序控制器240指示将发送器10中的同步块110的时钟信号CLK的移动量清零。然后，将下述步骤S1至S5重复N次，每一次将时钟移动量增加2π/N，直到它达到2π。
步骤S1：接收器20中的时序控制器240指示发送器10中的通信控制器130将同步块110的时钟信号CLK移动一个步长，并且还指示接收器20中的通信控制器230将同步块210的时钟信号CLK2的移动量清零。
步骤S2：发送器10中的通信控制器130将同步块110的时钟信号CLK移动一个步长。通过该移动，将驱动发送器10中的相位调制器102的时序移动一个步长。
步骤S3：通过在发送器10中进行该一个步长的移动，由接收器20中的光子检测器APD0和APD1所观察到的光功率均被改变。
步骤S4：接收器20中的通信控制器230将同步块210的时钟信号CLK2一步一步地从0到2π顺序地和连续地移动。通过这些移动，将驱动光子检测器APD0和APD1的时序顺序地和连续地从0改变到2π。在该操作期间，每次光子被检测到时，光子计数器260的计数得到增加。因此，当时钟信号CLK2已经从0移动到2π时，总光子计数被存储在光子计数器260中。光子计数被存储起来，而不需要对应于相移量。这样就具有高速处理和容易安装的优势。
步骤S5：由光子检测器APD0和APD1进行光子检测的各个结果被光子计数器260所计数，并且被存储在存储器270中。在这种情况下，光子计数器260仅对在同步块210的时钟信号CLK2在步骤S4中被顺序地移动时所检测的光子进行计数，并且将所检测的光子作为有效光子数存储在存储器270中。换句话说，有效光子数是实际计数值，它不包括在时钟信号CLK2的相位移动开始之前和结束之后由光子计数器260所计数的光子数。
图10A示出了存储在存储器270中的有效光子数随着发送器10中的时序移动量φi的变化关系。在图10A中，横轴表示发送器10中的时钟移动量φi，并且纵轴表示APD0(实线)和APD1(虚线)的有效光子数。
从图中可以看出，可以获得作为光子检测器APD0的有效光子计数与光子检测器APD1的有效光子计数之比(P0/P1)的消光比(点线)。P0/P1的原因是因为当发送器10的时钟相位为正确时，光脉冲被光子检测器APD0检测到但是却很难被光子检测器APD1检测到。
b)基+，随机数1(π调制)
接收器20中的时序控制器240指示发送器10中的通信控制器130以对应于基“+”和随机数“1”的调制深度来设置相位调制器102，同时将接收器20的基设置为“+”。结果，如前面的表1所述，被赋给各个四重光脉冲的相位调制的相位是“0-π-π-0”，顺序为四重脉冲穿过相位调制器102的顺序。
接下来，时序控制器240指示将发送器10中的同步块110的时钟信号CLK的移动量清零。然后，将上述步骤S1至S5重复N次，每一次将发送器10中的时钟移动量增加2π/N，直到它达到2π。通过这些移动，由接收器20中的光子检测器APD0和APD1所观察到的光功率均被改变。在接收器20的时钟信号CLK2被顺序地和连续地移动的同时，有效光子计数被存储在存储器270中。
图10B示出了存储在存储器270中的有效光子数随着发送器10中的时序移动量φi的变化关系。在图10B中，横轴表示发送器10中的时钟移动量φi，并且纵轴表示APD0(实线)和APD1(虚线)的有效光子数。
从图中可以看出，可以获得作为光子检测器APD1的有效光子计数与光子检测器APD0的有效光子计数之比(P1/P0)的消光比(点线)。P1/P0的原因是因为当发送器10的时钟相位为正确时，光脉冲被光子检测器APD1检测到但是却很难被光子检测器APD0检测到。
c)基×，随机数0(π/2调制)
接收器20中的时序控制器240将相位调制器206的接收基设置为“×”，并且进一步指示发送器10中的通信控制器130以对应于基“×”和随机数“0”的调制深度来设置相位调制器102。结果，如前面的表1所述，被赋给各个四重光脉冲的相位调制的相位是“0-π-π/2-3π/2”，顺序为四重脉冲穿过相位调制器102的顺序。
因此，时序控制器240指示将发送器10中的同步块110的时钟信号CLK的移动量清零。然后，将上述步骤S1至S5重复N次，每一次将发送器10中的时钟移动量增加2π/N，直到它达到2π。通过这些移动，由接收器20中的光子检测器APD0和APD1所观察到的光功率均被改变。在接收器20的时钟信号CLK2被顺序地和连续地移动的同时，有效光子计数被存储在存储器270中。
图10C示出了存储在存储器270中的有效光子数随着发送器10中的时序移动量φi的变化关系。在图10C中，横轴表示发送器10中的时钟移动量φi，并且纵轴表示APD0(实线)和APD1(虚线)的有效光子数。
从图中可以看出，可以获得作为光子检测器APD0的有效光子计数与光子检测器APD1的有效光子计数之比(P0/P1)的消光比(点线)。P0/P1的原因是因为当发送器10的时钟相位为正确时，光脉冲被光子检测器APD0检测到但是却很难被光子检测器APD1检测到。
d)基×，随机数1(3π/2调制)
接收器20中的时序控制器240指示发送器10中的通信控制器130以对应于基“×”和随机数“1”的调制深度来设置相位调制器102，同时将接收器20的基设置为“×”。结果，如前面的表1所述，被赋给各个四重光脉冲的相位调制的相位是“0-π-3π/2-π/2”，顺序为四重脉冲穿过相位调制器102的顺序。
因此，时序控制器240指示将发送器10中的同步块110的时钟信号CLK的移动量清零。然后，将上述步骤S1至S5重复N次，每一次将发送器10中的时钟移动量增加2π/N，直到它达到2π。通过这些移动，由接收器20中的光子检测器APD0和APD1所观察到的光功率均被改变。在接收器20的时钟信号CLK2被顺序地和连续地移动的同时，有效光子计数被存储在存储器270中。
图10D示出了存储在存储器270中的有效光子数随着发送器10中的时序移动量φi的变化关系。在图10D中，横轴表示发送器10中的时钟移动量φi，并且纵轴表示APD0(实线)和APD1(虚线)的有效光子数。
从图中可以看出，可以获得作为光子检测器APD1的有效光子计数与光子检测器APD0的有效光子计数之比(P1/P0)的消光比(点线)。P1/P0的原因是因为当发送器10的时钟相位为正确时，光脉冲被光子检测器APD1检测到但是却很难被光子检测器APD0检测到。
1.4)确定发送器中的最佳时序
参考图10A至10D，由APD0和APD1所检测的光功率之比，也就是消光比，是由点线来表示的。如上所述，当发送随机数“0”时，由P0/P1来表示消光比，并且当发送随机数“1”时，由P1/P0来表示消光比。输出到光子检测器APD0和APD1的有效光子计数和此时在发送器10中进行的时钟移动量φi被存储在接收器20中的存储器270中。根据这些数据，时序控制器240确定发送器10的时钟信号CLK的最佳时序。
图11示出了存储在存储器270中的光子检测器APD0和APD1的有效光子计数与时钟位移量之比的数据表。也就是说，分别对应于如图10A至10D中所示的基和随机数的四种组合的观察数据以如图11所示的表格形式被存储起来。使用该数据表，通过下述程序确定最佳时序。
(1)为四种调制的每一个计算消光比(Ai，Bi，Ci，Di)；
(2)计算四个消光比的积：(Ei＝Ai*Bi*Ci*Di)；
(3)选择使Ei最大的相位：(φi(max[E1，E2，...，EN]))。
以这种方式确定的移动量φi是由图10A至10D中的“最佳的”线所表示的值φsuit。移动了这一大小的时钟信号CLK具有与光脉冲同步的最佳时序。不过，如上所述，如果可以获得最佳的线，则不需要使用对应于如图10A至10D所示四种组合的所有观察数据。
1.5)优势
如上所述，根据本实施例，首先，根据接收器20的控制一步步地移动发送器10中的相位调制器102的时序。每一次进行移动时，将施加到接收器20中的光子检测器的偏置电压提升的时序被顺序地和连续地从0移动到2π，并且光子检测的结果被存储在存储器270中。在光子检测的结果中，只有在提升偏置电压的时序被顺序地移动时被检测到的光子才被作为有效光子计数进行处理。根据这些有效光子计数，确定了在发送器10中进行相位调制的最佳时序。因此，通过使用光子检测器APD，就可以在接收器端检查发送器10中的相位调制时序是否正确。因此，可以在发送器10中执行稳定的相位调制。在将本实施例应用到钥匙发布系统的情况下，可以实现高速和稳定的钥匙生成。
2.第二实施例
图12为流程图，示出了在根据本发明第二实施例的量子加密系统中，发送器的时序控制程序。根据第二实施例的量子加密系统的块结构类似于如图5所示的第一实施例的结构。待发送和接收的光脉冲的行为与根据图6和图7所述的第一实施例中的一样。因此，省去了对与第一实施例中相同部件的讲述。下面参考图5和图12来详细讲述确定消光比、搜索发送器的时钟时序以及确定最佳时序的操作。
2.1)消光比的测量
时序控制器240控制通信控制器230，以便选择基和随机数的四种组合中的一个，在接收器20中的相位调制器206上设置所选择的基，以及将基和随机数值的所选组合指定通知给发送器10中的通信控制器130(S501)。通过这一指定，通信控制器130将相位控制信号输出到相位调制器102，从而以对应于所选基和随机数值的调制深度来设置相位。
因此，时序控制器240指导发送器10中的通信控制器130以重置用于将电压施加到发送器10中的相位调制器102的时序的时序移动(S502)。在这一指令下，同步块110将时钟信号CLK中的移动量重置为初始值0。
当初始化时序移动时，时序控制器240指示通信控制器130进行时序移动。通过该指令，同步块110使用预定整数N，将向相位调制器102施加电压的时序移动了2π/N，并且根据该时序施加了对应于所设相位调制的电压(S503)。因此，所穿过的四重光脉冲的每一个被如上所述进行调制，并且然后以双脉冲的形式被返回到接收器20。
在接收器20中，相位调制器206根据如上所述指定的基，对所接收的双脉冲进行调制，并且在光耦合器203中让双脉冲相互干涉，并且通过光子检测器APD0和APD1来执行光子检测。此时，为了让光子检测器APD0和APD1接收到光子，需要只在当光子进入时才提高偏置电压。也就是说，需要用其时序与光子到达的时序相同的时钟信号来驱动光子检测器APD。不过，此时不知道光子在时钟信号的整个相位范围(2π)内的哪一个时刻进入。
因此，时序控制器240指示重置为将偏置电压施加到接收器20中的光子检测器APD0和APD1的时刻所做的时序移动(S504)。在这一指令下，同步块210将时钟信号CLK2中的移动量重置为初始值0。
接下来，时序控制器240指示将向光子检测器APD0和APD1施加偏置电压的时序移动了2π/n(S505)。在该偏置电压施加期间被光子检测器APD0或APD1检测的光子被光子计数器260所计数。计数被，与当前所指定的随机数和基相应地，与当前在发送器10中设置的时序移动量φi(i＝1至N)相应地，并且与时钟信号CLK2的当前移动量φj(j＝1至n)相应地，存储在存储器270中(S506)。
假定将电压施加到发送器10中的相位调制器102的时序不变，时序控制器240在每次将向光子检测器APD0和APD1施加偏置电压的时序移动了2π/n时，重复执行上述步骤S505和S506，直到对于所有偏置电压施加时序，将光子计数记录在存储器270中为止(S507)。
当接收器20中的时序移动结束时(S507中的“是”)，时序控制器240指示将向发送器10中的相位调制器102施加电压的时序移动2π/N(S508和S503)，并且再次重复步骤S505和S506。重复步骤S503至S507，直到为所有电压施加时序测量了光子计数为止，从而为当前所选的基和随机数值执行光子检测和光子计数(S508)。
时序控制器240针对基和随机数的四种组合中的每一个执行步骤S501至S508(S509)。当针对基和随机数的所有四种组合完成测量时(S509中的“是”)，时序控制器240根据记录在存储器270中的光子检测器APD0和APD1的光子计数来确定发送器10中的最佳时序，并且将该最佳时序通知给发送器10中的通信控制器130，以便将其设置在同步块110上(S510)。
2.2)搜索发送器中的时钟时序
图13为握手图，示出了发送器的时序控制序列，其中部分(a)至(d)分别对应于基和随机数的四种组合；
a)基+，随机数0(0调制)
首先，接收器20中的时序控制器240将相位调制器206的接收基设置为“+”，并且进一步指示发送器10中的通信控制器130以对应于基“+”和随机数“0”的调制深度来设置相位调制器102。结果，如前面的表1所述，被赋给各个四重光脉冲的相位调制的相位是“0-π-0-π”，顺序为四重脉冲穿过相位调制器102的顺序。
由于发送器10中的相位调制器102是根据来自同步块110的时钟信号CLK来进行驱动的，因此相位调制器102对光脉冲进行相位调制的时序取决于提供时钟信号CLK的时序。根据来自接收器20的指令，同步块110可以以任意个步长从0至2π来移动时钟信号CLK的时序。
接下来，时序控制器240指示将发送器10中的同步块110的时钟信号CLK的移动量清零。然后，将下述步骤S1至S5重复N次，每一次将时钟移动量增加2π/N，直到它达到2π。
步骤S1：接收器20中的时序控制器240指示发送器10中的通信控制器130将同步块110的时钟信号CLK移动一个步长，并且还指示接收器20中的通信控制器230将同步块210的时钟信号CLK2的移动量清零。
步骤S2：发送器10中的通信控制器130使同步块110将时钟信号CLK移动一个步长。通过该移动，将驱动发送器10中的相位调制器102的时序移动一个步长。
步骤S3：通过在发送器10中进行该一个步长的移动，由接收器20中的光子检测器APD0和APD1所观察到的光功率均被改变。
步骤S4：接收器20中的通信控制器230将同步块210的时钟信号CLK2移动一个步长。每一步的时钟移动量假定为2π/n。
步骤S5：当光子检测器APD0或APD1检测到光子时，该检测被光子计数器260所计数，并且计数值被存储在存储器270中。之后，步骤S4和S5被重复n次，直到在步骤S4中时钟信号CLK2的移动量达到2π。
因此，每次发送器10的时钟信号CLK移动一个步长(2π/N)，则接收器20的时钟信号CLK2一步步顺序地移动从0到2π，其中每次时钟信号CLK2移动一个步长，则光子计数器260的计数值与此时的相移量θj相应地被存储在存储器270中。
b)基+，随机数1(π调制)
接收器20中的时序控制器240指示发送器10中的通信控制器130以对应于基“+”和随机数“1”的调制深度来设置相位调制器102，同时将接收器20的基设置为“+”。结果，如前面的表1所述，被赋给各个四重光脉冲的相位调制的相位是“0-π-π-0”，顺序为四重脉冲穿过相位调制器102的顺序。
因此，时序控制器240指示将发送器10中的同步块110的时钟信号CLK的移动量清零。然后，将上述步骤S1至S5重复N次，每一次将发送器10中的时钟移动量增加2π/N，直到它达到2π。因此，每次发送器10的时钟信号CLK移动一个步长(2π/N)，则接收器20的时钟信号CLK2一步步顺序地移动从0到2π，其中每次时钟信号CLK2移动一个步长，则光子计数器260的计数值与此时的相移量θj相应地被存储在存储器270中。
c)基×，随机数0(π/2调制)
接收器20中的时序控制器240将相位调制器206的接收基设置为“×”，并且进一步指示发送器10中的通信控制器130以对应于基“×”和随机数“0”的调制深度来设置相位调制器102。结果，如前面的表1所述，被赋给各个四重光脉冲的相位调制的相位是“0-π-π/2-3π/2”，顺序为四重脉冲穿过相位调制器102的顺序。
接下来，时序控制器240指示将发送器10中的同步块110的时钟信号CLK的移动量清零。然后，将上述步骤S1至S5重复N次，每一次将发送器10中的时钟移动量增加2π/N，直到它达到2π。因此，每次发送器10的时钟信号CLK移动一个步长(2π/N)，则接收器20的时钟信号CLK2一步步顺序地移动从0到2π，其中每次时钟信号CLK2移动一个步长，则光子计数器260的计数值与此时的相移量θj相应地被存储在存储器270中。
d)基×，随机数1(3π/2调制)
接收器20中的时序控制器240指示发送器10中的通信控制器130以对应于基“×”和随机数“1”的调制深度来设置相位调制器102，同时将接收器20的基设置为“×”。结果，如前面的表1所述，被赋给各个四重光脉冲的相位调制的相位是“0-π-3π/2-π/2”，顺序为四重脉冲穿过相位调制器102的顺序。
因此，时序控制器240指示将发送器10中的同步块110的时钟信号CLK的移动量清零。然后，将上述步骤S1至S5重复N次，每一次将发送器10中的时钟移动量增加2π/N，直到它达到2π。因此，每次发送器10的时钟信号CLK移动一个步长(2π/N)，则接收器20的时钟信号CLK2一步步顺序地移动从0到2π，其中每次时钟信号CLK2移动一个步长，则光子计数器260的计数值与此时的相移量θj相应地被存储在存储器270中。
2.3)发送器中最佳时序的确定
首先，获得由光子检测器APD0和APD1所检测的光功率之比，也就是消光比。为了获得它，需要得到当发送器10的时序移动量为φi时输出给光子检测器APD0和APD1的光功率。当发送器10的时序移动量为φi时，接收器20的偏置电压施加时序被移动n次，每次移动2π/n。假定c0(i，j)和c1(i，j)分别是当执行第j个移动时光子检测器APD0和APD1的光子计数，则当发送器10的时序移动量为φi时，由APD0和APD1所分别观察到的光功率P0(i)和P1(i)可以分别用下述公式来表示：
P 0 ( i ) = Σ j = 1 n c 0 ( i , j ) . . . ( 1 )
P 1 ( i ) = Σ j = 1 n c 1 ( i , j ) . . . ( 2 )
这样获得的光功率随着发送器10中的时序移动量φi的变化关系如图10A所示。在图10A至图10D中，横轴表示发送器中的时序移动量φi，并且纵轴表示APD0(实线)和APD1(虚线)所观察到的光功率。如上所述，从这些图中可以得到由光子检测器APD0和APD1所观察到的光功率之比，也就是消光比(点线)。
当发送随机数“0”时，由P0/P1来表示消光比，并且当发送随机数“1”时，由P1/P0来表示消光比。输出到光子检测器APD0和APD1的光功率和此时在发送器10中进行的时钟移动量φi被存储在接收器20中的存储器270中。根据这些数据，确定发送器10的时钟信号CLK的最佳时序。确定方法参考图11进行讲述。
2.4)优势
如上所述，根据本发明的第二实施例，每次当发送器10的时钟信号CLK移动一个步长(2π/N)时，接收器20的时钟信号CLK2被一步步顺序地从0移动到2π。因此可以像在第一实施例中那样测量光功率。
而且，根据第二实施例，每次当时钟信号CLK2移动一个步长时，光子计数器260的计数值与此时的相位移动量θj相应地被存储在存储器270中。因此，可以记录下当时钟信号CLK2从0移动到2π时光子计数是如何变化的。例如，可以看到光子计数的变化如图4所示。
3.第三实施例
如上所述，根据第二实施例，每次当时钟信号CLK2移动一个步长时，光子计数器260的计数值以及此时的相移量被存储在存储器270中，二者彼此相关。根据第三实施例，通过利用存储在存储器270中的数据，不仅可以测量消光比，而且可以确定发送器和接收器的每一个的最佳时序。下面来详细讲述第三实施例。
图14为流程图，示出了在根据本发明第三实施例的量子加密系统中，发送器的时序控制序列。根据第三实施例的量子加密系统的块结构类似于如图5所示的第一实施例的结构。待发送和接收的光脉冲的行为与第一实施例中的一样，如图6和7所述。
而且，第三实施例中的发送器时序搜索操作类似于参考图12所述的步骤S501至S509。因此，这些部件使用与图12中相同的标号和符号来表示，并且省去了对它的讲述。下面来讲述发送器中最佳时序的确定(S510)和接收器中最佳时序的确定(S511)。注意，发送器10中的时序控制都是根据接收器20中的时序控制器240的指令来执行的。
3.1)发送器中最佳时序的确定
图15A至15D分别对应于基和随机数的四种组合，其中每一个示出了在接收器端测量的有效光子计数和消光比的变化。横轴表示发送器10中的时序移动量φi(i＝1至N)，并且纵轴表示光子检测器APD0和APD1所观察到的光功率(光子计数)。这里，由光子检测器APD0所观察到的光功率用实线来表示，并且由光子检测器APD1所观察到的光功率用虚线来表示。
如上所述，当发送器10的时序移动量为φi时，接收器20的偏置电压施加时序被移动n次，每次移动2π/N(S505至S507)。假定c0(i，j)和c1(i，j)分别是当执行第j个移动时光子检测器APD0和APD1的光子计数，则当发送器10的时序移动量为φi时，由APD0和APD1所分别观察到的光功率P0(i)和P1(i)可以分别用上述公式(1)和(2)来表示。
这样获得的光功率随着发送器10中的时序移动量φi的变化关系如图15A(与图10A相同)所示。如上所述，从这些图中可以得到由光子检测器APD0和APD1所观察到的光功率之比，也就是消光比(点线)。对图10A至图10D的讲述可分别适用于图15A至图15D。
而且，被输出到光子检测器APD0和APD1的光功率和发送器10中的时钟移动量φi都被存储在接收器20的存储器270中。根据相位移动量以及此时的光功率(光子计数)等这些数据(参见图17A)，可以确定发送器10的时钟信号CLK的最佳时序。确定方法参考图11有述。
3.2)接收器中最佳时序的确定
一旦如上所述确定了发送器10中的时钟信号CLK的最佳时序φsuit(S510)，接收器20中的最佳时序通过使用存储在存储器270中的测量数据被顺序地确定(S511)。
图16A至16D分别对应于基和随机数的四种组合，其中每一个示出了在接收器端测量的光子数变化。图16A示出了随着接收器20的时序移动量θj(j＝1至n)而变化的观察值，该值存储在存储器270中，并且针对基“+”和随机数“0”的组合。在图16A至16D中，横轴表示发送器20中的时序移动量φj，并且纵轴表示APD0(实线)和APD1(虚线)所观察到的光子检测结果。
参考图16A，当时钟相位为正确时，由于从发送器10发送来的随机数值为“0”，因此光子被APD0所检测到。当时钟相位偏离时，没有光子被检测到。同样，图16B至16D分别示出了在基“+”和随机数“1”的情况下，在基“×”和随机数“0”的情况下，以及在基“×”和随机数“1”的情况下，观察值随时序移动量θj而变化的情况。
在图16A至16D中，通过点线示出了APD0和APD1的光子计数之比，也就是光子检测比。在φ＝φsuit的情况下(φ为发送器10的时钟信号的时序)，由于当发送随机数“0”时光应该被输出到APD0，因此APD0所获得的观察值与APD1所获得的观察值之比c0(isuit，j)/c1(isuit，j)被表示为光子检测。而且，当发送随机数“1”时，由于光应该被输出到APD1，因此APD1所获得的观察值与APD0所获得的观察值之比c1(isuit，j)/c0(isuit，j)被表示为光子检测。
图17A示出了存储在存储器270中的光子检测器APD0和APD1的光子数和发送器端时钟位移量之比的数据表。图17B示出了存储在存储器270中的光子检测器APD0和APD1的光子数和发送器端时钟位移量之比的数据表。如图17B所示，被输出到APD0和APD1的光功率和接收器20中的时钟移动量φj都被存储在存储器270中。因此，可以根据这些数据来确定接收器20的时钟信号的最佳时序。由于确定方法与参考图11所述的发送器10的情况下的方法相类似，因此省去了对它的讲述。
本发明一般可以应用于在甚弱光通信情况下来测量光功率的光功率测量设备。而且，本发明不仅可以应用于如上所述的即插即用双工系统，而且可以应用于单工量子加密系统。进而，本发明的应用不仅限于量子钥匙发布，而是可以应用到量子加密通信中的所有系统和结构。

Claims (23)

1.一种用于测量一组光脉冲的光功率的设备，包括：
光子检测器，用于根据驱动时序来检测光子到达；
计数器，用于对由光子检测器所检测的光子数进行计数；以及
测量部件，用于根据通过移动驱动时序所计数的光子数来测量该组光脉冲的光功率。
2.如权利要求1所述的设备，其中测量部件在预定相位范围内以预定的相位量为步长顺序地移动驱动时序。
3.如权利要求2所述的设备，其中在每个相移的驱动时序下，测量部件根据在对应于该组光脉冲的多个脉冲周期的时间段内所获得的光子数来测量该组光脉冲的光功率。
4.如权利要求1所述的设备，其中测量部件以预定的相位量为步长顺序地和连续地移动驱动时序，并且当驱动时序已经完全移过预定的相位范围时，根据所计数的光子数来测量光功率。
5.如权利要求1所述的设备，其中测量部件以预定的相位量为步长顺序地移动驱动时序，以便将在每个相移的驱动时序下所获得的光子数存储在存储器中，并且当驱动时序已经完全移过预定的相位范围时，根据存储在存储器中的光子数来测量光功率。
6.如权利要求1所述的设备，进一步包括时序控制器，用于控制驱动时序的相移，
其中测量部件在顺序地移动驱动时序的同时，将由计数器在每个相移的驱动时序下所计数的光子数存储在存储器中，并且根据存储在存储器中的光子数来测量光功率。
7.如权利要求6所述的设备，其中测量部件将驱动时序的相移量以及对应于该相移量的光子数顺序地存储在存储器中。
8.如权利要求7所述的设备，其中根据对应于预定的相位范围上的相移量的总光子数，得到该组光脉冲的光功率。
9.如权利要求1所述的设备，其中光子检测器是光电器件，根据驱动时序对该光电器件施加了偏置电压，其中该光电器件可以在施加了偏置电压期间检测入射的光子。
10.如权利要求1所述的设备，其中光脉冲的每一个都是一个光子/脉冲或更小的甚弱光脉冲。
11.一种用于通过多个通信信道在第一通信设备和第二通信设备之间进行信息传送的光通信系统，其中
第一通信设备包括：
调制器，用于根据待传输的原始信息，在用于通过第一通信信道来发送一组经过调制的光脉冲的给定调制时刻，来调制该组光脉冲；以及
时序供应器，用于将调制时序提供给调制器，其中调制时序是可以改变的，并且
第二通信设备包括：
光子检测器，用于根据驱动时序来检测该组脉冲通过第一通信信道的光子到达；
计数器，用于对由光子检测器所检测的光子数进行计数；
测量部件，用于根据通过移动驱动时序所计数的光子数来测量该组光脉冲的光功率；以及
时序控制器，用于根据由测量部件所测量的光功率，通过第二通信信道来控制第一通信设备的调制时序。
12.如权利要求11所述的光通信系统，其中时序控制器在沿着时间轴来移动调制时序的同时，监视由测量部件所测量的光功率，以搜索提供了期望光功率的调制时序。
13.一种用于通过多个通信信道与光传输器进行通信的光接收器，包括：
光子检测器，用于根据驱动时序来检测一组光脉冲的光子到达，其中该组光脉冲被光传输器通过第一通信信道进行传输；
计数器，用于对由光子检测器所检测的光子数进行计数；
测量部件，用于根据通过移动驱动时序所计数的光子数来测量该组光脉冲的光功率；以及
时序控制器，用于根据由测量部件所测量的光功率，通过第二通信信道来控制光传输器的调制时序。
14.如权利要求13所述的光接收器，其中光子检测器包括第一光子检测器和第二光子检测器，
其中光子接收器进一步包括光调制状态检测器，用于检测通过第一通信信道从光传输器接收的光脉冲的调制状态，并且根据所检测到的调制状态将它的光检测信号输出到第一光子检测器或第二光子检测器。
15.如权利要求14所述的光接收器，其中测量部件计算由第一光子检测器和第二光子检测器所测量的光功率之比，其中时序控制器根据光功率之比控制光传输器的调制时序。
16.一种用于测量一组光脉冲的光功率的方法，包括：
移动光检测器的驱动时序；
通过根据驱动时序驱动光子检测器来检测该组光脉冲的光子到达；
对由光子检测器所检测的光子数进行计数；以及
根据所计数的光子数来测量该组光脉冲的光功率。
17.如权利要求16所述的方法，其中驱动时序以预定的相位量为步长，在预定的相位范围内被顺序地移动。
18.如权利要求17所述的方法，其中在每个相移的驱动时序下，在对应于该组光脉冲的多个脉冲周期的时间段内对光子数进行计数。
19.如权利要求17所述的方法，其中通过以预定的相位量为步长，顺序地和连续地移动驱动时序，根据当在预定的相位范围内完全移动了驱动时序时所获得的光子数，来测量光功率。
20.如权利要求17所述的方法，其中通过以预定的相位量为步长顺序地移动驱动时序，将在每个相移的驱动时序下获得的光子数存储在存储器中，其中当在预定的相位范围内完全移动了驱动时序时，根据存储在存储器中的光子数来测量光功率。
21.如权利要求16所述的方法，其中在顺序地移动驱动时序的同时，在每个相移的驱动时序下将所计数的光子数存储在存储器中，其中根据存储在存储器中的光子数来测量光功率。
22.一种用于测量一组光脉冲的光功率的计算机可读程序，包括：
移动光检测器的驱动时序；
通过根据驱动时序驱动光子检测器来检测该组光脉冲的光子到达；
对由光子检测器所检测的光子数进行计数；以及
根据所计数的光子数来测量该组光脉冲的光功率。
23.如权利要求22所述的计算机可读程序，其中在顺序地移动驱动时序的同时，在每个相移的驱动时序下将所计数的光子数存储在存储器中，其中根据存储在存储器中的光子数来测量光功率。
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