CN102946312B - 一种用于诱骗态量子保密通信的光源发生器 - Google Patents

一种用于诱骗态量子保密通信的光源发生器 Download PDF

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陈杰
曾和平
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Chongqing Institute of East China Normal University
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Abstract

本发明公开了一种用于诱骗态量子保密通信的光源发生器，其特点是该光源发生器由两驱动模块和半导体激光器组成，两驱动模块通过调节比较器的阈值电平和放大器的增益输出不同峰值电压的脉冲信号，由不同峰值电压的脉冲信号触发半导体激光器发出用于诱骗态量子保密通信光源的光脉冲序列；所述驱动模块由JK触发器D、高速比较器Comp和差分运放器OP组成，本发明与现有技术相比光源具有完全相同的中心波长、线宽和出射偏振态，避免因使用两个半导体激光器而导致的光学特性不一致的问题，结构简单，集成度高，不需要复杂的光学器件配合和时钟校准，成本低廉，商业化生产和应用前景宽广。

Description

一种用于诱骗态量子保密通信的光源发生器
技术领域
本发明涉及量子保密通信技术领域，尤其是一种用于诱骗态量子保密通信的光源发生器。
背景技术
上世纪下半叶以来，科学家们在“海森堡测不准原理”和“量子不可克隆原理”之上，逐渐建立了量子密码术的概念。量子密码术以单量子态作为信息载体，由于单量子态无法被克隆，而且任何测量操作都会改变其量子态，因此窃听者无法在不被发现的前提下获得任何有效信息。换言之，信息的合法接收者可以从量子态的改变得知信道中存在窃听，从而终止通信过程。
量子密钥分发能在通信双方之间建立无条件安全密钥，任何可能存在的窃听行为都将改变信道中的量子态而被通信双方发现。自BB84协议提出以来，量子密钥分发技术得到了迅速的发展。实现绝对安全的密钥分配方案，需要单光子源。然而，目前的技术水平还无法提供这样的单光子源，因此在实际系统构建中通常将相干光源衰减来近似获得单光子源。由于衰减后无法避免的存在多光子，通信容易受到光子数分离攻击，针对这个问题人们提出了诱骗态方案。诱骗态方案的核心思想是，引入一组仅仅在强度上和信号光源不同的光源作为诱骗光源，并将信号光源和诱骗态光源分开考虑其计数率，然后通过两种光源的总计数率和量子比特错误率来估计单光子态的计数率和量子比特错误率，从而确保密钥生成过程的安全性。从诱骗态方案的描述中可知，系统实际构建需要制备两个不同强度的脉冲光源，并且这两种脉冲光在信道中的排序是完全随机的，因此必须要适当的调制才能实现。
目前，诱骗态光源实现方法有两种，一种方法是产生一组具有相同强度的光脉冲序列，然后通过强度调制器对不同光子脉冲施加不同的强度调制，从而实现了两种强度光脉冲的随机切换。这种诱骗态光源的实现方法缺点是：强度调制器成本较高，需要额外的调制驱动和较精确的时间同步，系统结构较为复杂，而且强度调制器在不同的强度调制下对输入光的偏振及波长会产生不同的影响，以致输出的两束光偏振态不一致，影响量子密钥的最终误码率。另一种方法是使用两个半导体激光器，通过不同的驱动脉冲使之分别输出两束强度不同的激光，然后再通过光纤合束器耦合至同一根光纤，这种诱骗态光源的实现方法缺点是：采用两个半导体激光器设备成本高，尤其两个半导体激光器的中心波长不可能完全相同，窃听者可能通过波长鉴别的方式分辨信号态和诱骗态，对系统的安全性造成极大的威胁。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种用于诱骗态量子保密通信的光源发生器，采用两套相同的电路模块去驱动同一个半导体激光器为诱骗态量子保密通信的光源，实现在调制信号的控制下输出不同强度且随机排列的光子脉冲序列，使得该光源具有完全相同的中心波长、线宽和出射偏振态，较好的避免了因使用两个半导体激光器而导致的光学特性不一致的问题，不需要复杂的光学器件配合和时钟校准，结构简单，集成度高，成本低。
本发明的目的是这样实现的：一种用于诱骗态量子保密通信的光源发生器，其特点是该光源发生器由两驱动模块和半导体激光器组成，两驱动模块通过调节比较器的阈值电平和放大器的增益输出不同峰值电压的脉冲信号，由不同峰值电压的脉冲信号触发半导体激光器发出用于诱骗态量子保密通信光源的光脉冲序列；所述驱动模块由JK触发器D、高速比较器Comp和差分运放器OP组成，JK触发器D的Q端串接电容C2后与高速比较器Comp的Vp端连接；JK触发器D的Q-端和R端串接电容C1；JK触发器D的Q端和R端串接电阻R1；JK触发器D的J端和电源输入端共接电压VCC；高速比较器Comp的Vn端接可变电阻R2，可变电阻R2一端接电压VCC，其另一端接地；高速比较器Comp的Q端串接电容C3后与差分运放器OP正极连接；高速比较器Comp的Q-端串接电容C4后与差分运放器OP负极连接；高速比较器Comp两端接偏置电压VCC。
   本发明与现有技术相比光源具有完全相同的中心波长、线宽和出射偏振态，避免因使用两个半导体激光器而导致的光学特性不一致的问题，结构简单，集成度高，不需要复杂的光学器件配合和时钟校准，成本低廉，商业化生产和应用前景宽广。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为驱动模块电路图
具体实施方式
参阅附图1，本发明由两驱动模块1和半导体激光器2组成，两驱动模块1通过调节比较器的阈值电平和放大器的增益输出不同峰值电压的脉冲信号，由不同峰值电压的脉冲信号触发半导体激光器2获得非常窄的光脉冲序列用于诱骗态量子保密通信的光源，其输出的激光波长为1550nm，脉宽小于100ps，频率响应范围可达1kHz-500MHz。
两驱动模块1采用了完全一致的设计和布线，确保其相对时延误差在一个很小的范围内，两驱动模块1通过电路布线上的耦合使两路脉冲信号去驱动同一个半导体激光器2。为保证偏置后的窄脉冲幅度超过半导体激光器2的阈值，需在半导体激光器2两端加上偏置电压VCC。
参阅附图2，所述驱动模块1由JK触发器D、高速比较器Comp和差分运放器OP组成，JK触发器D的Q端串接电容C2后与高速比较器Comp的Vp端连接；JK触发器D的Q-端和R端串接电容C1；JK触发器D的Q端和R端串接电阻R1；JK触发器D的J端和电源输入端共接电压VCC；高速比较器Comp的Vn端接可变电阻R2，可变电阻R2一端接电压VCC，其另一端接地；高速比较器Comp的Q端串接电容C3后与差分运放器OP正极连接；高速比较器Comp的Q-端串接电容C4后与差分运放器OP负极连接；高速比较器Comp两端接偏置电压VCC。上述JK触发器D、高速比较器Comp、差分运放器OP和可变电阻R2均设有接地。
所述驱动模块1是这样工作的： 将外部较宽的触发信号由JK触发器D的C端接入，为了保证输出光脉冲序列具有良好的时间稳定性，触发信号均由相同的时钟产生，且在同一个时钟周期内。JK触发器D将较宽的触发信号整形为脉宽约为1ns的窄脉冲，通过调节电阻R1、电容C1的大小，改变整形脉冲的宽度。窄脉冲通过隔直电容C2，经由高速比较器Comp进一步压缩脉冲，通过可变电阻R2调节高速比较器Comp的比较阈值，进而改变输出脉冲的宽度。由于高速比较器Comp输出的脉冲不具有驱动激光器的能力，因而窄脉冲通过隔直电容C3和C4后由低噪声高速的差分运放器OP将其输出脉冲放大，最后获得脉宽窄且驱动能力强的电脉冲输出。脉冲幅度大小可以通过调节高速比较器Comp的阈值电平和差分运放器OP的增益倍数来实现，以满足诱骗态光源中对不同光脉冲强度的要求。
本发明由于信号频率高达10 MHz量级，在信号传输过程中需要保持良好的阻抗匹配，因而在电路板设计中各元器件之间的连线尽可能短，，以防止信号的展宽、失真以及反射，并选择静态电流小、噪声低的线性稳压器对整个电路进行供电，确保电路的稳定。
以上实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种用于诱骗态量子保密通信的光源发生器，其特征在于该光源发生器由两驱动模块和半导体激光器组成，两驱动模块通过调节比较器的阈值电平和放大器的增益输出不同峰值电压的脉冲信号，由不同峰值电压的脉冲信号触发半导体激光器发出用于诱骗态量子保密通信光源的光脉冲序列；所述驱动模块由JK触发器D、高速比较器Comp和差分运放器OP组成，JK触发器D的Q端串接电容C2后与高速比较器Comp的Vp端连接；JK触发器D的Q-端和R端串接电容C1；JK触发器D的Q端和R端串接电阻R1；电阻R1和电容C1也串接在JK触发器的Q和Q-端之间；JK触发器D的J端和电源输入端共接电压VCC；高速比较器Comp的Vn端接可变电阻R2，可变电阻R2一端接电压VCC，其另一端接地；高速比较器Comp的Q端串接电容C3后与差分运放器OP正极连接；高速比较器Comp的Q-端串接电容C4后与差分运放器OP负极连接；高速比较器Comp两端接偏置电压VCC。
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