CN102722204B - 一种电光强度调制器偏置电压的控制装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于量子保密通信的电光强度调制器偏置电压的控制装置及其控制方法,控制装置为一种高精度闭环控制装置,将电光强度调制器的输出通过光探测器,转换为电信号,再利用锁相放大器电路模块提取出直流点漂移的低频信号。通过微处理器对漂移情况进行监测,从而驱动电路模块改变电光强度调制器的偏置电压,使电光强度调制器处于合适的工作点。该装置实现了电光强度调制器偏置电压的自动控制,使电光强度调制器以稳定的消光比持续工作,提高了量子保密通信系统工作的稳定性。

Description

一种电光强度调制器偏置电压的控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及量子保密通信技术领域,具体涉及到一种马赫-曾德尔Mach-Zehender型电光强度调制器偏置电压的控制装置及其控制方法。
背景技术
随着计算机技术的发展和网络应用的普及,信息的安全性显得越发重要,对保密算法要求也越来越高,一些曾经广泛使用的或者现在正在普遍使用的经典保密通信不断出现被破译的现象,而且随着量子计算机的发展,几乎所有的经典保密通信将会不再安全,迫切需要新的保密通信方式出现,量子保密通信应运而出。量子保密通信系统的安全性是基于物理学的基本原理,利用单量子作为密钥传输的载体,并和经典保密通信领域中唯一被证明是安全的等长度的一次一密的密码体制相结合,为信息安全领域提供了一种可行的,理论上被证明绝对安全的通信机理。量子力学的测不准原理和未知量子态不可克隆原理保证了单量子态用于密钥分配的理论安全性。铌酸锂电光强度调制器是人们研究得最多也是运用得最多的光调制器,是量子保密通信系统的重要器件,也是高速光通信系统中最有前途的器件,国际上铌酸锂电光调制器的调制带宽已达到100GHZ以上,40Gbps调制器已成为主流技术,所以它在光纤通信外调制领域具有重要的应用。
铌酸锂电光强度调制器由于其自身结构的原因,环境温度、机械振动、机械扭曲,外界声音等因素都会引起其偏置工作点的缓慢漂移,导致一些重要参数如消光比随之变化。量子保密通信系统主要采用弱相干脉冲来代替单光子源实现量子密钥的方法。弱相干光脉冲通常由电光强度调制器对窄带激光源进行外调制获得。由于其直流工作点漂移,影响了输出光脉冲的消光比,导致系统工作的不稳定,并带来潜在的安全性问题。因此保证电光强度调制器直流工作点稳定是至关重要的。
量子通信中对强度调制器的直流点的控制,与经典通信中有所不同,量子通信采用准单光子源进行通信,要求强度调制器被偏置在输出最小光强的点,从而不影响单光子探测器的响应,如果直接将光信号转换成电信号通过微处理器进行控制,光功率对应的输出的电信号与偏置电压的关系是非单调的,直接控制比较困难。
发明内容
本发明为克服现有技术中量子保密通信电光调制器偏置电压的非单调性及直接控制困难的不足,提供一种电光强度调制器偏置电压的控制装置及其控制方法,解决铌酸锂M-Z型电光强度调制器的直流点漂移问题,从而稳定输出光脉冲的消光比。
为实现上述目的,本发明的技术方案为:
一种电光强度调制器偏置电压的控制装置,包括顺次连接的光电转换电路模块、锁相放大器电路模块、A/D转换电路模块、微处理器、驱动电路模块。
电光强度调制器输出的脉冲经光分束器分成两束,一部分用于通信,一部分接光电转换电路模块的信号输入端进行控制,光电转换电路模块将脉冲信号转换为电压信号,再利用锁相放大器电路模块提取出直流点漂移的低频信号,通过A/D转换电路模块转换为微处理器可以处理的数字信号,微处理器对漂移情况进行监测,用微处理器对驱动电路模块进行控制,使电光强度调制器处于合适的工作点。
所述光电转换电路模块包括光探测器和跨阻放大电路,所述跨阻放大电路的信号输出端与锁相放大器电路模块的输入端连接。光电转换电路模块输出的电信号包括三部分,一种是加在电光强度调制器RF端用于通信的脉冲光转换的调制信号,一种是加在电光强度调制器DC端的小参考信号输出光强转换的电参考信号,最后是加在电光强度调制器DC端直流信号输出光强转换的电信号,当然也存在着一些噪声信号。三部分叠加进入锁相放大器电路模块的输入端。
所述锁相放大器电路模块包括顺次连接的相敏检测器、三级低通滤波器及运算放大电路。锁相放大器电路模块可以提取出与其参考信号同频的信号,而把不同频率的信号作为噪声滤掉,噪声和用于通信的调制信号与锁相放大器电路模块的参考信号同频的概率很低,所以锁相放大器电路模块只输出与参考信号同频的信号,然后将其放大,以满足A/D转换电路模块的输入要求。锁相放大器电路模块输出的电压的大小,能来反映出电光强度调制器直流点的漂移的情况,从而进行控制。
所述A/D转换电路模块,用于获取能反映直流点漂移的模拟信号,并将此信号转换成数字信号,主要包括运算放大器电路和A/D转换电路。
所述微处理器,根据上述A/D转换电路模块采样到的数字信号的变化,用微处理器对驱动电路模块进行控制。
所述驱动电路模块,为电光强度调制器提供偏置电压,主要包括D/A转换电路和运算放大电路。其中该模块中D/A芯片的精度决定了电光强度调制器偏置电压的步进大小,也决定了控制的偏置电压与光强最小的最适工作点的接近程度。
本发明的又一目的是提供一种应用于量子保密通信的电光强度调制器偏置电压的控制装置的控制方法,包括以下步骤:
1)上电,扫描获取锁相放大器电路模块(2)输出的电压值V0和此时的驱动电路模块(5)输出偏置电压U0,并将二者保存;
2)控制驱动电路模块(5)使输出偏置电压为U0,A/D转换电路模块(3)采集锁相放大器电路模块(2)的输出的与光功率对应的电压值V1,比较V1、V0,控制驱动电路模块(5)的输出电压,使锁相放大器电路模块(2)的输出的保持为V0;
比较V1、V0包括以下三种情况:
当V1大于V0时,驱动电路模块(5)的驱动电压增加一个步进,A/D转换电路模块(3)继续采集锁相放大器电路模块(2)的输出的与光功率对应的电压值V1,比较V0与电压值V1; 
当V1等于V0时,A/D转换电路模块(3)继续采集锁相放大器电路模块(2)的输出的与光功率对应的电压值V1,比较V0与电压值V1;
当V1小于V0时,驱动电路模块(5)的驱动电压减少一个步进,A/D转换电路模块(3)继续采集锁相放大器电路模块(2)的输出的与光功率对应的电压值V1,比较V0与电压值V1。
本法是通过A/D转换电路模块(3)不断采集锁相放大器电路模块(2)的输出的与光功率对应的电压值V1,比较V0与电压值V1,控制驱动电路的输出电压,从而使强度调制器工作在合适的直流工作点。 
本发明与现有技术相比,有如下有益效果:
(1)本发明利用锁相放大器电路模块能提取出与参考信号同频的信号,滤掉不同频的调制信号和噪声,提高了整个系统的信噪比。
(2)本发明通过利用锁相放大器电路模块,将控制段光强与偏置电压非单调关系,转换为锁相放大器电路模块输出与偏置电压的单调关系,可以有效的进行的控制。
(3)本发明结构简单,易于实现,工作稳定,价格低廉,便于集成化。
附图说明
图1是本发明实施例的电光强度调制器偏置电压的控制装置结构示意图;
图2 是本发明实施例的控制方法流程图;
图3是本发明实施例的测试结果波形图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施办法对本发明提出的偏压控制装置作进一步的详细说明。如图1所示,为本发明的实施例的电光强度调制器偏置电压的控制装置结构示意图,该装置包括顺次连接的光电转换电路模块1、锁相放大器电路模块2、A/D转换电路模块3、微处理器4以及驱动电路模块5;光分束器的一部分信号输出端与光电转化电路模块1的信号输入端连接,驱动电路模块5的信号输出端与电光强度调制器的偏置电压控制端连接。
光分束器输出的调制光,一部分用于量子通信,另一部分脉冲进入光电转换电路模块1中在光探测器,光探测器与跨阻放大电路连接。本发明采用的是PIN管,为满足电光强度调制器高速通信时PIN管接收到的信号是正确的,要求其带宽略大些,而且光探测器的暗电流要小,以减小对输出的影响。本电路模块采用的驱动电压为15V,光探测器的带宽为2GHZ,暗电流为0.1nA,符合上述要求,光波长为1550nm时,响应度为0.90A/W,光探测器的灵敏度也很高。跨阻放大电路主要由运算放大器组成,将电流信号转换为电压信号的反相放大电路。由于跨阻放大电路要对三种不同频率的信号进行放大, 带宽要求与PIN管一样,在本实施例中采用的运算放大器的增益带宽为16MHZ,但针对跨阻放大电路,其带宽并非等于运算放大器的增益带宽,它受到整个电路结构的影响,在本实施例中光电转换模块的带宽为5MHZ左右,能够满足量子保密通信系统的要求。值得注意的是运算放大器的噪声、失调电压和输入偏置电流应该尽可能小,以免影响运放的输出。如果电路出现不稳定的情况,可以考虑在跨阻放大电路中加电容相位补偿,有效地避免电路的自激振荡。
锁相放大器电路模块2包括顺次连接的相敏检测器、三级低通滤波器及运算放大电路;相敏检测器是锁相放大器电路模块2的核心部件,相敏检测器鉴幅又鉴相,其输出不但取决于输入信号的幅值而且取决于输入信号与参考信号的相位差。常用的相敏检测器有模拟乘法器式和电子开关式,在本实施例中采用的是电子开关式,利用相敏检测器解调出与光强变化对应的电压信号。如图3所示,虚线表示锁相放大器电路模块2的输出与电光强度调制器偏置电压的关系曲线,实线是光电转换与偏置电压的关系曲线,纵坐标V0为零电压。本装置采用的是跨阻放大电路,是反相放大电路,所以探测的电压是负值,与光强的变化相反,当电压为U0时,探测到的光电转换的电压最大,也就是光强最小,此时对应的锁相放大器电路模块2的输出为V0,从图3中看出,锁相放大器电路模块2将光电转换信号进行微分,在V0附近的半个周期内,锁相放大器电路模块2的输出随着偏置电压的变化而呈单调性变化,在程序上更易控制,系统更稳定。需要注意的是,此电路模块的参考信号是直流电压为零,占空比为50%的正弦波或方波,只有这样光强的最小值才能正对锁相输出的零电压V0。
在本实施例中,微处理器4是STC89C51单片机,单片机是典型的嵌入式系统,从体系结构到指令系统都是按照嵌入式应用特点专门设计的,能够满足本装置对控制对象的要求,经A/D采样的信号是低频信号,速率不要求过快,易控制、方面简单,价格低廉。在对直流点进行控制时,如图3所示,锁相放大器电路模块2的输出电压,将其控制在V0处,通过A/D进行采样,当输出值大于V0,通过程序增大偏置电压一个步长;当输出值小于V0,减小偏置电压一个步长,始终控制锁相放大器电路模块2输出值最接近V0,使光强最接近最小。本装置驱动电路模块采用的是16位的D/A转换芯片,可以输出正负5V的电压,步进约为152.588μV。
驱动电路模块5中,如图1所示有两个信号叠加进入驱动电路模块5,一个是与锁相放大器电路模块2的参考信号一致的参考信号,也就是所述的加在电光强度调制器DC端的参考信号,此信号的幅值要尽可能的小,以免影响光强的最小值的控制范围,另一个是微处理器4进行控制的偏置电压信号。驱动电路模块5的输出电压输入到电光强度调制器的电压控制端DC,该输出电压是通过微处理器4进行控制。
如图2所示,电光强度调制器偏置电压的控制装置的控制方法,包括以下步骤:
1)上电,扫描获取锁相放大器电路模块(2)输出的电压值V0和此时的驱动电路模块(5)输出偏置电压U0,并将二者保存;
2)控制驱动电路模块(5)使输出偏置电压为U0,A/D转换电路模块(3)采集锁相放大器电路模块(2)的输出的与光功率对应的电压值V1,比较V1、V0,控制驱动电路模块(5)的输出电压,使锁相放大器电路模块(2)的输出的保持为V0。
比较V1、V0包括以下三种情况:
当V1大于V0时,驱动电路模块(5)的驱动电压增加一个步进,A/D转换电路模块(3)继续采集锁相放大器电路模块(2)的输出的与光功率对应的电压值V1,比较V0与电压值V1; 
当V1等于V0时,A/D转换电路模块(3)继续采集锁相放大器电路模块(2)的输出的与光功率对应的电压值V1,比较V0与电压值V1;
当V1小于V0时,驱动电路模块(5)的驱动电压减少一个步进,A/D转换电路模块(3)继续采集锁相放大器电路模块(2)的输出的与光功率对应的电压值V1,比较V0与电压值V1。
本法是通过A/D转换电路模块(3)不断采集锁相放大器电路模块(2)的输出的与光功率对应的电压值V1,比较V0与电压值V1,控制驱动电路的输出电压,从而使强度调制器工作在合适的直流工作点。

Claims (5)

1.一种电光强度调制器偏置电压的控制装置,其特征在于,包括顺次连接的光电转换电路模块(1)、锁相放大器电路模块(2)、A/D转换电路模块(3)、微处理器(4)和驱动电路模块(5);
所述控制装置的具体实现方式为:上电,扫描获取锁相放大器电路模块(2)输出的零电压值V0和驱动电路模块(5)输出偏置电压U0,并将二者保存;
所述电光强度调制器输出的脉冲经光分束器分成两束,一部分用于通信,一部分输入光电转换电路模块(1),光电转换电路模块(1)将脉冲信号转换为电压信号输入到锁相放大器电路模块(2),锁相放大器电路模块(2)从输入信号中提取与参考信号同频的信号,检波获得直流点漂移的低频信号,该低频信号通过A/D转换电路模块(3)转换为数字信号输入微处理器(4),微处理器(4)对数字信号的漂移情况进行监测,用微处理器(4)对驱动电路模块进行控制,使电光强度调制器处于合适的工作点。
2.根据权利要求1所述电光强度调制器偏置电压的控制装置,其特征在于所述光电转换电路模块(1)包括光探测器和跨阻放大电路,所述跨阻放大电路的信号输出端与锁相放大器电路模块(2)的输入端连接。
3.根据权利要求1所述电光强度调制器偏置电压的控制装置,其特征在于所述锁相放大器电路模块(2)包括顺次连接的相敏检测器、三级低通滤波器及运算放大电路。
4.根据权利要求1所述电光强度调制器偏置电压的控制装置,其特征在于所述A/D转换电路模块(3)包括运算放大器电路和A/D转换电路。
5.一种应用于权利要求1-4中任一项所述的电光强度调制器偏置电压的控制装置的控制方法,其特征在于包括以下步骤:
1)上电,扫描获取锁相放大器电路模块(2)输出的零电压值V0和此时的驱动电路模块(5)输出偏置电压U0,并将二者保存;
2)控制驱动电路模块(5)使输出偏置电压为U0,A/D转换电路模块(3)采集锁相放大器电路模块(2)的输出的与光功率对应的电压值V1,比较V1、V0,控制驱动电路模块(5)的输出电压,使锁相放大器电路模块(2)的输出的保持为V0;其中锁相放大器电路模块(2)从输入信号中提取与参考信号同频的信号,输出直流点漂移的低频信号; 
比较V1、V0包括以下三种情况:
当V1大于V0时,驱动电路模块(5)的驱动电压增加一个步进,A/D转换电路模块(3)继续采集锁相放大器电路模块(2)的输出的与光功率对应的电压值V1,比较V0与电压值V1; 
当V1等于V0时,A/D转换电路模块(3)继续采集锁相放大器电路模块(2)的输出的与光功率对应的电压值V1,比较V0与电压值V1;
当V1小于V0时,驱动电路模块(5)的驱动电压减少一个步进,A/D转换电路模块(3)继续采集锁相放大器电路模块(2)的输出的与光功率对应的电压值V1,比较V0与电压值V1。
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