CN102739394B - 光量子相位调制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明利用高速串行数据收发器产生两路高速电脉冲信号,经过增益网络后,用于驱动电光相位调制器(PM),实现对光量子信号的相位调制。本发明无需使用数模转换器或模拟开关,直接利用高速数字信号实现BB84量子密钥分配协议所需的四相位调制功能,可以避免数模转换和模拟开关切换等环节对调制速率的限制,双电极电光调相器方案还可有效降低对调制驱动信号的幅度要求,有利于实现满足量子密钥分配要求的高速相位调制。
Description
技术领域
本发明涉及量子密码领域,具体内容是一种光量子相位调制系统,用于高速量子密钥分配,能够实现量子密码系统所需的光量子态高速随机调制功能。
背景技术
随着通信技术的发展,特别是在保密通信领域需求增加。在理论上具有绝对安全性的量子保密通信的优越性越来越受到重视。量子密钥分配(QKD)是量子密码技术的核心,它可以在远程用户之间实现密码学意义上无条件安全的密钥分发。将量子密钥分配技术与一次一密(One-time-pad)加密结合,可以实现无条件安全的保密通信。因此,量子密码技术作为密码学的新方向受到了广泛关注。
量子密钥分配系统的工作速率是决定其密钥生成率的重要因素,更高的密钥生成速率意味着可以为更广泛的应用提供安全保障。因此,提高量子密钥分配系统的工作速率具有重要的意义。BB84协议是最广泛的量子密钥分配协议。该协议要求对光量子进行四态随机编码,即将光量子的相位、偏振等物理量随机调制成两组非正交基的四个量子态中的一个。在普通的单模光纤中,由于光纤固有存在的双折射效应会改变光子的偏振态,因此多采用相位编码方案。
如何实现量子信号的随机高速编码和解码是实现高速QKD系统的关键技术之一。对于高速相位调制系统来说,一般采用基于铌酸锂(LiNbO3)波导材料的电光调制器件实现对光子相位的调制,调制的相位与加载到其驱动电极的电压驱动信号直接相关,调制电压的精度决定了相位调制的精度。由于QKD系统的误码率与量子态的调制精度直接相关,因此用于相位QKD系统相位调制的驱动信号对于信噪比和平坦度的要求很高。现有的产生量子态调制信号的方法主要包括数模转换、模拟开关等方法。这些方法在200MHz以内的QKD系统中,一般可以满足调制电压切换的速度和精度的要求。但是由于数模转换存在的建立和稳定时间、模拟开关存在的切换时间等因素的限制,使这些方法难以满足1Gbps以上调制速率的要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提出了一种光量子相位调制系统,用于高速量子密钥分配,能够实现量子密码系统所需的光量子态高速随机调制功能。
根据本发明的第一方案,提出了一种光量子相位调制系统,包括:随机数发生单元,用于产生随机数字信号;并/串转换单元,用于对随机数发生单元产生的随机数字信号进行并/串转换,得到串行随机数字信号;高速串行收发器,用于接收并/串转换单元产生的串行随机数字信号,并输出两路独立的数字驱动信号;增益控制网络,用于分别对两路独立的数字驱动信号进行增益控制,产生用于驱动电光相位调制器的两路驱动信号;电光相位调制器,具有两个独立的调制电极,每个调制电极接收两路驱动信号中相应的一个,用于对输入光量子进行相位调制,根据两路独立的数字驱动信号的组合,实现对输入光量子的四相位调制。
根据本发明的第二方案,提出了一种光量子相位调制系统,包括:随机数发生单元,用于产生随机数字信号;并/串转换单元,用于对随机数发生单元产生的随机数字信号进行并/串转换,得到串行随机数字信号;高速串行收发器,用于接收并/串转换单元产生的串行随机数字信号,并输出两路独立的数字驱动信号;加法电路,用于对两路独立的数字驱动信号进行模拟求和,得到四电平驱动信号;增益控制网络,用于对四电平驱动信号进行增益控制,产生用于驱动电光相位调制器的四电平驱动信号;电光相位调制器,具有单一的调制电极,所述调制电极接收用于驱动电光相位调制器的四电平驱动信号,用于对输入光量子进行相位调制,根据两路独立的数字驱动信号的组合,实现对输入光量子的四相位调制。
根据本发明的第三方案,提出了一种光量子相位调制系统,包括:随机数发生单元,用于产生随机数字信号;并/串转换单元,用于对随机数发生单元产生的随机数字信号进行并/串转换,得到串行随机数字信号;高速串行收发器,用于接收并/串转换单元产生的串行随机数字信号,并输出两路独立的数字驱动信号;增益控制网络,用于分别对两路独立的数字驱动信号进行增益控制,产生用于两路驱动信号;加法电路,用于对两路驱动信号进行模拟求和,得到用于驱动电光相位调制器的四电平驱动信号;电光相位调制器,具有单一的调制电极,所述调制电极接收用于驱动电光相位调制器的四电平驱动信号,用于对输入光量子进行相位调制,根据两路独立的数字驱动信号的组合,实现对输入光量子的四相位调制。
根据本发明,可以满足1GHz及以上量子密钥分配系统的量子态随机调制。在本发明中,基于高速串行数据通信接口进行相位调制,无需数模转换或者模拟开关,避免了其转换或切换时间对提高调制速率的限制,从而可以有效提高整个量子密钥分配系统的工作速度。
附图说明
通过下面结合附图说明本发明的优选实施例,将使本发明的上述及其它目的、特征和优点更加清楚,其中:
图1示出了根据本发明的双电极调相驱动方案的电路结构示意图;
图2A和2B示出了根据本发明的单电极数字调相方案的电路结构示意图;
图3示出了器件温度漂移反馈补偿方案的电路结构示意图;
图4示出了器件温度控制方案的电路结构示意图。
在本发明的所有附图中,相同或相似的结构和步骤均以相同或相似的附图标记标识。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明,在描述过程中省略了对于本发明来说是不必要的细节和功能,以防止对本发明的理解造成混淆。
本发明的主要提供一种可以满足1GHz以上量子密钥分配系统的量子态随机调制的技术方案。在本发明中,基于高速串行数据通信接口进行相位调制,无需数模转换或者模拟开关,避免了其转换或切换时间对提高调制速率的限制,从而可以有效提高整个量子密钥分配系统的工作速度。
本发明可以利用独立的并/串转换芯片、或FPGA芯片上带有的高速串行通信口实现所需的功能,在使用FPGA芯片自带的高速串行通信口时,可以有效提高系统的集成度,有助于实现片上QKD主控系统。以Altera公司的Stratix IV GTFPGAEP4S100G2为例,其全双工高速收发器的通信速率可达11.3Gbps,足以产生2Gbps以上QKD调制所需的数字信号。
一些光学介质(如铌酸锂(LiNbO3))在外加电场的作用下,其光学性质会发生相应变化,称之为电光效应。在调制电压作用下,电光效应使得光学介质的折射率发生改变,并随调制电压变化。而当光波的两个垂直分量E′x与E′y的光程差为半个波长(λ/2)时,即对应的相位差为180度,所需加的控制电压我们称之为半波电压Vπ。在本发明中,采用基于上述电光效应制成的电光相位调制器(PM,phase modulator)。
根据BB84协议,Alice通过量子信道向Bob发送一串单光子,Bob随机选取两位二进制编码(代表随机选取的相位对应的加在相位调制器上的电压),通过相位调制器调制每个光子的相位;当光子返回Alice端,Alice以同样的原理通过相位调制器对光子进行相位调制,根据干涉原理,双方的密码由单光子探测器进行探测生成。
由上述可知,电光相位调制器(PM)以及相对应的电子学调制技术是量子密钥分配系统中的关键。
BB84协议需要将光子的相位随机调制为0、π/2、π、和3π/2中的一个。这在高速QKD系统中会引入两个问题:
1)一般PM控制调相所需的半波电压较高,为了达到3π/2,往往需要使调制电压的峰峰值达到6V甚至8V,以JDSUPM-150-080相位调制器(10GHz带宽)为例,其半波电压Vπ10GHz甚至达到了11V,由于QKD调制精度的要求,在1bps调制频率下,一般需要放大电路在几十KHz到6GHz以上带宽内具有较好的增益,在此基础上如果要求输出幅度达到6V甚至8V以上,将对宽带放大电路的特性提出极高的要求,加大电路设计的难度,限制器件的选型。
2)量子密钥分配所需的相位调制要求调制精度较高,而且依据器件的不同,可能需要对调制驱动信号的电平进行调整,因此相位调制信号要求尽量平坦而且可调。在此要求下产生四个电平的高速调制信号较为困难,如果利用数模转换或模拟开关,则在进行1Gbps以上调制速率时,对光量子的调制速度和精度将产生较大限制,进而限制整个量子密钥分配系统的工作速度。
根据BB84协议的要求,进行量子密钥分配的发送方需要对光量子进行随机的四相位调制,接收方可以进行四相位调制(0、π/2、π、和3π/2)或两相位调制(0、π/2),接收方采用四相位调制在安全性上具有优势,本方案可适用于四相位调制或两相位调制。
由高速并/串转换单元生成的两路驱动信号用于驱动量子密钥分配系统中的调相器件的方式有双电极调相驱动方式和单电极调相驱动方式两种。
双电极调相驱动方式
图1示出了根据本发明的双电极调相驱动方案的电路结构示意图。如图1所示,利用FPGA1100来实现随机数发生单元1110、并/串转换单元1120、高速串行收发器1130。但,本发明并不局限于此,并/串转换单元1120和高速串行收发器1130也可以采用独立的芯片来实现。例如,并/串转换单元1120可以由千兆以太网芯片实现。
在图1中,FPGA1100可以完成随机数到驱动信号的转换,由FPGA1100的高速串行通信口(高速串行收发器1130)输出两路独立的数字驱动信号P1和P2。具体地,随机数发生单元1110产生随机数字信号,并/串转换单元1120对随机数发生单元1110产生的随机数字信号进行并/串转换,得到串行随机数字信号,并通过高速串行收发器1130输出两路独立的数字驱动信号P1和P2。并/串转换单元可以采用8B/10B编码等编码方式,也可以直接串行输出随机数发生单元1110产生的随机数字信号。
这两路驱动信号P1和P2输入增益控制网络1200。由于不同厂家、不同工艺生产的调相器件,其半波电压多有不同,增益控制网络1200的作用是调节驱动电压的输出幅度,使其适配相位调制器。例如,如图1所示,增益控制网络1200可以由针对驱动信号P1的衰减单元12101、12301和增益放大单元12201和针对驱动信号P2的衰减单元12102、12302和增益放大单元12202构成。衰减单元(12101、12301和12102、12302,统称为1210和1230)可以作为可选项,当增益放大单元(12201和12202,统称为1220)可以调节的动态范围以及调节精度能够满足调相所需时,就无需使用衰减单元1210和1230,即,针对每个驱动信号P1或P2,增益控制网络1200仅包含单一的增益放大单元12201或12202。如果受限于增益放大单元1220本身的性能,难以满足调节的要求,则可以增加衰减单元1210和1230用于改善调节精度和动态范围。
以驱动信号P1为例(对驱动信号P2的操作与之类似),驱动信号P1经过第一个衰减单元12101后,进入增益放大单元12201,放大后的信号再进入第二个衰减单元12301。驱动信号P1通过衰减单元12101、增益放大单元12201、再经过衰减单元12301,输出信号Pout1可以具有很大的动态调节范围。第一个衰减单元12101的作用是为了提高信号可以调节的动态范围,但之后的放大级(增益放大单元12201)将降低信号的精度,因此放大级(增益放大单元12201)之后的第二个衰减单元12301将可以进行精确的衰减控制。
增益控制网络1200可以多级级联;衰减单元1210和1230与增益放大单元1220可以为固定增益也可以为可调节增益。增益放大单元1220可以采用集成放大芯片或者分立电路搭建,衰减单元1210和1230可以采用有源芯片和电路,或者无源器件和电路,增益放大单元1220需要能够对两路数字信号分别进行调节增益。经过增益控制网络1200的驱动信号P1和P2用于驱动具有两个独立电极1301和1302的电光相位调制器1300,如图1所示。
经过增益控制后,两路驱动信号Pout1和Pout2加在具有两个独立电极1301和1302的电光相位调制器(PM)1300上,将其分别调制为0、π/2相位和0、π相位,通过驱动电极1301和驱动电极1302的相位组合即可得到四相位调制。例如,可参考表1来设置驱动信号P1和P2与调制相位之间的对应关系,即针对驱动信号P1的增益为所驱动的电光相位调制器1300的半波电压,在高电平(数字信号“1”)时,可以使电光相位调制器1300产生调制相位π,而在低电平(数字信号“0”)时,可以使电光相位调制器1300产生调制相位0;针对驱动信号P2的增益为所驱动的电光相位调制器1300的半波电压的一半,在高电平(数字信号“1”)时,可以使电光相位调制器1300产生调制相位π/2,而在低电平(数字信号“0”)时,可以使电光相位调制器1300产生调制相位0。通过两路数字驱动信号P1、P2的组合,即可得到所需的四相位调制。
表1信号电平设置与对应的调制相位
但是,本发明并不局限于此,也可以进行其他适当的设置。例如,在高速器件中,往往存在匹配电阻,此时要求调制信号的直流分量接近于0,因此可以采用如表2所示的调制方法,同样可以实现BB84协议所需的2组基、四个量子态的调制,即针对驱动信号P1的增益为所驱动的电光相位调制器1300的半波电压,在高电平(数字信号“1”)时,可以使电光相位调制器1300产生调制相位π/2,而在低电平(数字信号“0”)时,可以使电光相位调制器1300产生调制相位-π/2;针对驱动信号P2的增益为所驱动的电光相位调制器1300的半波电压的一半,在高电平(数字信号“1”)时,可以使电光相位调制器1300产生调制相位π/4,而在低电平(数字信号“0”)时,可以使电光相位调制器1300产生调制相位-π/4。通过两路数字驱动信号P1、P2的组合,即可得到所需的四相位调制。
表2修正的电平设置与对应的调制相位
单电极调相驱动方式
图2A和2B示出了根据本发明的双电极调相驱动方案的电路结构示意图。图2A和2B中与图1中相同的元件以相同的附图标记表示,出于简明的目的,省略对相同的元件的详细描述,具体描述可参考以上参考图1所给出的详细描述。
图2A与图1的不同之处在于,针对只具有一个独立电极2301的电光相位调制器2300,设置位于高速串行收发器1130与增益控制网络1200之间的加法电路2400,对驱动信号P1和P2进行模拟求和(例如,计算2×P1+P2),得到四电平驱动信号,驱动单电极电光相位调制器2300。加法电路2400可以采用有源芯片或者无源阻抗网络实现。
在图2A所示的结构中,由于要对相对较大动态范围的电压进行放大,对于增益控制网络1200的精度要求较高。为了降低对于增益控制网络1200的精度要求,可以采用图2B所示的结构。图2B与图1的不同之处在于,针对只具有一个独立电极2301的电光相位调制器2300,设置位于增益控制网络1200与光相位调制器2300之间的加法电路2400’,对驱动信号Pout1和Pout2进行模拟求和(例如,计算Pout1+Pout2),得到四电平驱动信号,驱动单电极电光相位调制器2300。加法电路2400’可以采用有源芯片或者无源阻抗网络实现。
器件温度漂移的补偿
一般来说,铌酸锂(LiNbO3)波导的半波电压以及调制曲线与温度相关。不同厂商的温漂控制技术有所不同,导致器件的温漂特性也有优劣之分。为了使本方案能更好的适用于各种器件,可以采用两种方法降低温漂的不良影响。
图3示出了器件温度漂移反馈补偿方案的电路结构示意图,其中以双电极调相驱动方式(图1)为例,但本发明并不局限于此,其同样适用于单电极调相驱动方式(图2A或图2B)。
在图3中,增加了反馈电路3500,用于测量由于电光相位调制器1300的温度漂移而造成的半波电压的变化。反馈电路3500根据测量得到的半波电压的变化,产生增益参数控制信号,反馈给增益控制网络1200,控制衰减单元1210和1230与增益放大单元1220的衰减系数和增益系数,以补偿由于电光相位调制器1300的温度漂移而造成的半波电压的变化。一般来说,在实际QKD系统中,反馈电路3500测量误码率作为输入信号,使用PID算法等方法产生增益参数控制信号,对增益控制网络1200进行控制,使驱动信号P1和P2在温度变化时,仍然能够使电光相位调制器1300产生相应的正确调制相位(例如,表1或表2)。
器件温度的控制
图4示出了器件温度控制方案的电路结构示意图,其中以双电极调相驱动方式(图1)为例,但本发明并不局限于此,其同样适用于单电极调相驱动方式(图2A或图2B)。
在图4中,增加了温度控制电路4600,用于使电光相位调制器1300工作时的温度始终保持在设定温度(例如,出厂设定温度)。因此,根据驱动信号P1和P2,电光相位调制器1300能够将光量子调制到相应的正确调制相位(例如,表1或表2)。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解,本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此,本发明的范围不局限于上述特定实施例,而应由所附权利要求所限定。
Claims (25)
1.一种光量子相位调制系统,包括:
随机数发生单元,用于产生随机数字信号;
并/串转换单元,用于对随机数发生单元产生的随机数字信号进行并/串转换,得到串行随机数字信号;
高速串行收发器,用于接收并/串转换单元产生的串行随机数字信号,并输出两路独立的数字驱动信号;
增益控制网络,用于分别对两路独立的数字驱动信号进行增益控制,产生用于驱动电光相位调制器的两路驱动信号;
电光相位调制器,具有两个独立的调制电极,每个调制电极接收两路驱动信号中相应的一个,用于对输入光量子进行相位调制,根据两路独立的数字驱动信号的组合,实现对输入光量子的四相位调制。
2.根据权利要求1所述的光量子相位调制系统,还包括:
反馈电路,用于测量由于电光相位调制器的温度漂移而造成的半波电压的变化,并根据测量得到的半波电压的变化,产生增益参数控制信号,反馈给增益控制网络,控制增益控制网络的增益,以补偿由于电光相位调制器的温度漂移而造成的半波电压的变化。
3.根据权利要求1所述的光量子相位调制系统,还包括:
温度控制电路,用于使电光相位调制器工作时的温度始终保持在设定温度。
4.根据权利要求1所述的光量子相位调制系统,其中
随机数发生单元、并/串转换单元和高速串行收发器由单一的FPGA芯片实现。
5.根据权利要求1~4之一所述的光量子相位调制系统,其中
增益控制网络包括:
第一衰减单元,用于对输入信号进行衰减;
增益放大单元,用于对经第一衰减单元衰减的信号进行放大;以及
第二衰减单元,用于对经增益放大单元放大的信号进行衰减。
6.根据权利要求5所述的光量子相位调制系统,其中
第一衰减单元、增益放大单元、或第二衰减单元具有固定的增益或可调节的增益。
7.根据权利要求1所述的光量子相位调制系统,其中
针对两路独立的数字驱动信号之一的增益为电光相位调制器的半波电压,以及针对两路独立的数字驱动信号中的另一个的增益为电光相位调制器的半波电压的一半。
10.一种光量子相位调制系统,包括:
随机数发生单元,用于产生随机数字信号;
并/串转换单元,用于对随机数发生单元产生的随机数字信号进行并/串转换,得到串行随机数字信号;
高速串行收发器,用于接收并/串转换单元产生的串行随机数字信号,并输出两路独立的数字驱动信号;
加法电路,用于对两路独立的数字驱动信号进行模拟求和,得到四电平驱动信号;
增益控制网络,用于对四电平驱动信号进行增益控制,产生用于驱动电光相位调制器的四电平驱动信号;
电光相位调制器,具有单一的调制电极,所述调制电极接收用于驱动电光相位调制器的四电平驱动信号,用于对输入光量子进行相位调制,根据两路独立的数字驱动信号的组合,实现对输入光量子的四相位调制。
11.根据权利要求10所述的光量子相位调制系统,还包括:
反馈电路,用于测量由于电光相位调制器的温度漂移而造成的半波电压的变化,并根据测量得到的半波电压的变化,产生增益参数控制信号,反馈给增益控制网络,控制增益控制网络的增益,以补偿由于电光相位调制器的温度漂移而造成的半波电压的变化。
12.根据权利要求10所述的光量子相位调制系统,还包括:
温度控制电路,用于使电光相位调制器工作时的温度始终保持在设定温度。
13.根据权利要求10所述的光量子相位调制系统,其中
随机数发生单元、并/串转换单元和高速串行收发器由单一的FPGA芯片实现。
14.根据权利要求10~13之一所述的光量子相位调制系统,其中
增益控制网络包括:
第一衰减单元,用于对输入信号进行衰减;
增益放大单元,用于对经第一衰减单元衰减的信号进行放大;以及
第二衰减单元,用于对经增益放大单元放大的信号进行衰减。
15.根据权利要求14所述的光量子相位调制系统,其中
第一衰减单元、增益放大单元、或第二衰减单元具有固定的增益或可调节的增益。
16.根据权利要求10所述的光量子相位调制系统,其中
加法电路对两路独立的数字驱动信号P1和P2执行以下模拟加法操作:2×P1+P2。
17.一种光量子相位调制系统,包括:
随机数发生单元,用于产生随机数字信号;
并/串转换单元,用于对随机数发生单元产生的随机数字信号进行并/串转换,得到串行随机数字信号;
高速串行收发器,用于接收并/串转换单元产生的串行随机数字信号,并输出两路独立的数字驱动信号;
增益控制网络,用于分别对两路独立的数字驱动信号进行增益控制,产生用于两路驱动信号;
加法电路,用于对两路驱动信号进行模拟求和,得到用于驱动电光相位调制器的四电平驱动信号;
电光相位调制器,具有单一的调制电极,所述调制电极接收用于驱动电光相位调制器的四电平驱动信号,用于对输入光量子进行相位调制,根据两路独立的数字驱动信号的组合,实现对输入光量子的四相位调制。
18.根据权利要求17所述的光量子相位调制系统,还包括:
反馈电路,用于测量由于电光相位调制器的温度漂移而造成的半波电压的变化,并根据测量得到的半波电压的变化,产生增益参数控制信号,反馈给增益控制网络,控制增益控制网络的增益,以补偿由于电光相位调制器的温度漂移而造成的半波电压的变化。
19.根据权利要求17所述的光量子相位调制系统,还包括:
温度控制电路,用于使电光相位调制器工作时的温度始终保持在设定温度。
20.根据权利要求17所述的光量子相位调制系统,其中
随机数发生单元、并/串转换单元和高速串行收发器由单一的FPGA芯片实现。
21.根据权利要求17~20之一所述的光量子相位调制系统,其中
增益控制网络包括:
第一衰减单元,用于对输入信号进行衰减;
增益放大单元,用于对经第一衰减单元衰减的信号进行放大;以及
第二衰减单元,用于对经增益放大单元放大的信号进行衰减。
22.根据权利要求21所述的光量子相位调制系统,其中
第一衰减单元、增益放大单元、或第二衰减单元具有固定的增益或可调节的增益。
23.根据权利要求17所述的光量子相位调制系统,其中
针对两路独立的数字驱动信号之一的增益为电光相位调制器的半波电压,以及针对两路独立的数字驱动信号中的另一个的增益为电光相位调制器的半波电压的一半。
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