CN103259601A - 用于量子密钥通信的光信号相位调制装置 - Google Patents

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章丽
黄磊
韩正甫
赵义博
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Abstract

本发明公开了一种用于量子密钥通信的光信号相位调制装置，发射端包括用于产生调制信息需要的光脉冲信号的光源、采用流水线架构控制发射端调相时序的第一现场可编程门阵列、第一随机数生成模块、用于将数字信号转换成模拟信号的第一数模转换器和用于将输入电压转换成对光相位的控制的第一相位调制器；接收端包括用于探测光脉冲信号并将光脉冲信号转换成电信号输出的光探测器、采用流水线架构控制接收端调相时序的第二现场可编程门阵列、用于产生调制信息的第二随机数生成模块、用于将数字信号转换成模拟信号的第二数模转换器和用于将输入电压转换成对光相位的控制的第二相位调制器；本发明结构简单、成本低、相位调制效率高。

Description

用于量子密钥通信的光信号相位调制装置
 
技术领域
本发明涉及一种量子加密通信领域的量子密钥生成过程中的相位调节装置，尤其涉及一种用于量子密钥通信的光信号相位调制装置。
背景技术
量子密钥分配系统是基于量子的不可克隆性和不确定性，这使得量子密钥分配系统具有物理上的安全特性，从而可以做到经典通信系统无法做到的信息的安全传输。量子密钥分配系统的经常采用的方法是通过对光子的相位进行编码，而相位调制器作为一种能够精确改变输入光子相位的光学器件，直接参与量子密钥的生成阶段，在量子密钥分配系统中起着至关重要的作用。
相位编码的量子密钥分配系统中常用的相位调制器是铌酸锂电光相位调制器，利用LiNbO3相位调制器的电光效应, 通过外加调制电压可实现对光相位的调制。目前在中低频QKD系统中主流使用数模转换器DAC完成对相位调制器的间接调制。量子密钥分配系统对相位调制器设计的要求是，当光子到达相位调制器时，相位调制器已经准备好待调的相位值，因此量子密钥分配系统的相位调制部分的效率是整个系统效率提升的关键部分。如何用最简单的结构和最节约的成本设计出对相位调制器的高效率的利用，是量子密钥分配系统中很重要的一个需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种相位调制效率高的用于量子密钥通信的光信号相位调制装置。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为： 一种用于量子密钥通信的光信号相位调制装置，包括发射端和接收端；其特征在于：所述发射端包括用于产生调制信息需要的光脉冲信号的光源、采用流水线架构控制发射端调相时序的第一现场可编程门阵列、用于产生调制信息的第一随机数生成模块、用于将数字信号转换成模拟信号的第一数模转换器和用于将输入电压转换成对光相位的控制的第一相位调制器；第一现场可编程门阵列首先发出触发光源信号给光源，光源发出光脉冲信号经过设置的光路延时给第一相位调制器；然后第一现场可编程门阵列从第一随机数模块中读取一串随机数用于调相；第一现场可编程门阵列再利用读取的随机数输出用于调相的数字信号至第一数模转换器；然后第一数模转换器输出用于调相的模拟信号至第一相位调制器；第一相位调制器根据用于调相的模拟信号对所述经过计算设置光路延时后到达的光脉冲信号进行调相，形成发射端光脉冲；所述第一相位调制器将发射端光脉冲发送给接收端；
所述接收端包括用于探测光脉冲信号并将光脉冲信号转换成电信号输出的光探测器、采用流水线架构控制接收端调相时序的第二现场可编程门阵列、用于产生调制信息的第二随机数生成模块、用于将数字信号转换成模拟信号的第二数模转换器和用于将输入电压转换成对光相位的控制的第二相位调制器；发射端光脉冲一路输入给光探测器，另一路经过设置的光路延时输入给第二相位调制器；光探测器收到发射端光脉冲信号时，输出开始工作信号给第二现场可编程门阵列；然后第二现场可编程门阵列从第二随机数模块中读取一串随机数用于调相；第二现场可编程门阵列再利用读取的随机数，输出调相的数字信号至第二数模转换器；然后第二数模转换器输出用于调相的模拟信号至第二相位调制器；第二相位调制器根据用于调相的模拟信号对经过计算设置光路延时后到达的发射端光脉冲信号进行再次调相。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一相位调制器和第二相位调制器均采用铌酸锂电光相位调制器。
本用于量子密钥通信的光信号相位调制装置基于现场可编程门阵列来提高调相器调制效率并且现场可编程门阵列采用流水线结构来提高调相器调制效率，且是一种简洁、方便、低成本以及便于管理整个装置时序的很好的解决方案。本用于量子密钥通信的光信号相位调制装置采用现场可编程门阵列作为主控单元，采用流水线式逻辑结构控制数模转换器达到间接调制相位调制器的目的。由于采用流水线结构使本用于量子密钥通信的光信号相位调制装置中各个模块达到相对最大利用效率。总之，本用于量子密钥通信的光信号相位调制装置结构简单、成本低、相位调制效率高。 
附图说明
图1是本发明的发射端结构示意图。
图2是本发明的接收端结构示意图。
图3是本发明的发射端工作流程示意图。
图4是本发明的接收端工作流程示意图。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
具体实施方式
实施例1
本用于量子密钥通信的光信号相位调制装置，包括发射端和接收端；参见图1，所述发射端包括用于产生调制信息需要的光脉冲信号的光源、采用流水线架构控制发射端调相时序的第一现场可编程门阵列、用于产生调制信息的第一随机数生成模块、用于将数字信号转换成模拟信号的第一数模转换器和用于将输入电压转换成对光相位的控制的第一相位调制器；第一现场可编程门阵列首先发出触发光源信号给光源，光源发出光脉冲信号经过设置的光路延时给第一相位调制器；然后第一现场可编程门阵列从第一随机数模块中读取一串随机数用于调相；第一现场可编程门阵列再利用读取的随机数，输出调相的数字信号至第一数模转换器；然后第一数模转换器输出用于调相的模拟信号至第一相位调制器；第一相位调制器根据用于调相的模拟信号对刚好到达并且经过计算设置光路延时光脉冲信号进行调相形成发射端光脉冲，所述第一相位调制器将发射端光脉冲发送给接收端；
参见图2，所述接收端包括用于探测光脉冲信号并将光脉冲信号转换成电信号输出的光探测器、采用流水线架构控制接收端调相时序的第二现场可编程门阵列、用于产生调制信息的第二随机数生成模块、用于将数字信号转换成模拟信号的第二数模转换器和用于将输入电压转换成对光相位的控制的第二相位调制器；发射端光脉冲一路输入给光探测器，另一路经过设置的光路延时给第二相位调制器；光探测器收到发射端光脉冲信号时，输出开始工作信号给第二现场可编程门阵列；然后第二现场可编程门阵列从第二随机数模块中读取一串随机数用于调相； 第二现场可编程门阵列再利用读取的随机数，输出调相的数字信号至第二数模转换器；然后第二数模转换器输出用于调相的模拟信号至第二相位调制器；第二相位调制器根据用于调相的模拟信号对刚好到达并且经过计算设置光路延时的发射端光脉冲信号进行再次调相。所述第一相位调制器和第二相位调制器均采用铌酸锂电光相位调制器。
本用于量子密钥通信的光信号相位调制装置工作时，发送端的工作流程如图3所示，流水线第一级，第一现场可编程门阵列发送触发光源信号给光源，光源即发送一个光脉冲信号经过设定延时至第一相位调制器；流水线第二级，第一现场可编程门阵列从第一随机数模块中读取一串随机数用于调相；流水线第三级，第一现场可编程门阵列利用读取的随机数，输出调相的数字信号至第一数模转换器；流水线第四级，第一数模转换器输出调相的模拟信号至第一相位调制器；流水线第五级，光脉冲信号经过若干延时达到已完成调相参数设置的第一相位调制器，完成此次调相，第一现场可编程门阵列读取这次调相的相应信息。
接收端工作流程如图4所示，流水线第一级，光探测器收到发射端光脉冲信号时，输出开始工作信号给第二现场可编程门阵列的接收端；流水线第二级，第二现场可编程门阵列从第二随机数模块中读取一串随机数用于调相；流水线第三级，第二现场可编程门阵列利用读取的随机数，输出调相的数字信号至第二数模转换器；流水线第四级，第二数模转换器输出调相的模拟信号至第二相位调制器；流水线第五级，发射端光脉冲信号经过若干延时达到已完成调相参数设置的第二相位调制器，完成此次调相，第二现场可编程门阵列读取这次调相的相应信息。

Claims (2)

1.一种用于量子密钥通信的光信号相位调制装置，包括发射端和接收端；其特征在于：
所述发射端包括用于产生调制信息需要的光脉冲信号的光源、采用流水线架构控制发射端调相时序的第一现场可编程门阵列、用于产生调制信息的第一随机数生成模块、用于将数字信号转换成模拟信号的第一数模转换器和用于将输入电压转换成对光相位的控制的第一相位调制器；第一现场可编程门阵列首先发出触发光源信号给光源，光源发出光脉冲信号经过设置的光路延时给第一相位调制器；然后第一现场可编程门阵列从第一随机数模块中读取一串随机数用于调相；第一现场可编程门阵列再利用读取的随机数输出用于调相的数字信号至第一数模转换器；然后第一数模转换器输出用于调相的模拟信号至第一相位调制器；第一相位调制器根据用于调相的模拟信号对所述经过计算设置光路延时后到达的光脉冲信号进行调相，形成发射端光脉冲；所述第一相位调制器将发射端光脉冲发送给接收端；
所述接收端包括用于探测光脉冲信号并将光脉冲信号转换成电信号输出的光探测器、采用流水线架构控制接收端调相时序的第二现场可编程门阵列、用于产生调制信息的第二随机数生成模块、用于将数字信号转换成模拟信号的第二数模转换器和用于将输入电压转换成对光相位的控制的第二相位调制器；发射端光脉冲一路输入给光探测器，另一路经过设置的光路延时输入给第二相位调制器；光探测器收到发射端光脉冲信号时，输出开始工作信号给第二现场可编程门阵列；然后第二现场可编程门阵列从第二随机数模块中读取一串随机数用于调相；第二现场可编程门阵列再利用读取的随机数，输出调相的数字信号至第二数模转换器；然后第二数模转换器输出用于调相的模拟信号至第二相位调制器；第二相位调制器根据用于调相的模拟信号对经过计算设置光路延时后到达的发射端光脉冲信号进行再次调相。
2.根据权利要求1所述的用于量子密钥通信的光信号相位调制装置，其特征在于：所述第一相位调制器和第二相位调制器均采用铌酸锂电光相位调制器。
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