CN103368657B - 用于吉赫兹量子保密通信系统的弱相干单光子源产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子保密通信类，具体涉及一种用于吉赫兹量子保密通信系统的弱相干单光子源产生方法，该方法主要包括以下四个基本步骤：自动增益控制，主要是将时钟输入信号转换为恒定功率的正弦信号；窄脉冲产生，主要是将所述正弦信号输出产生为小于200ps量级的窄脉冲；窄脉冲放大，主要是将所述窄脉冲放大；激光二极管驱动偏置，主要是为激光二极管提供偏置电流与调制电流。本发明的优点是，该弱相干单光子源产生方法可实现具有高重复频率、高消光比、高稳定性特点的弱相干单光子源。

Description

用于吉赫兹量子保密通信系统的弱相干单光子源产生方法

技术领域

本发明涉及量子保密通信类，具体涉及一种用于吉赫兹量子保密通信系统的具有高重复频率、高消光比、高稳定性的弱相干单光子源产生方法。

背景技术

量子保密通信技术起源于上世纪末，自Bennett与Brassard在1984年共同提出“BB84协议”以来，围绕该技术的研究与发明取得了巨大的进步。从最初引发人们对传统密码术安全性的恐慌，到如今实用的量子保密通信系统已经走出实验室进行试点。量子保密通信技术会在不久的未来走入我们的生活。

单光子源是量子保密通信系统的核心模块，发送端通过将密钥加载在单光子脉冲序列上，经过量子信道传输，接收端利用单光子探测器将所加载的信息解码出来，能够实现绝对安全的密文传输。迄今为止，单光子的产生方法有很多，例如通过被囚禁的单原子和单分子、单量子点、单离子以及金刚石NV色心等，然而这些方法或者不能在室温下工作，或者需要复杂的仪器设备，无法满足量子保密通信的实用化要求。因此，人们采用了实验上容易实现的弱相干准单光子源方案，单光子信号由激光二极管（LD）产生的能量较高的光脉冲衰减产生，通过监测其平均功率估算单脉冲能量进而确定平均光子数。该方案并不能产生理想的单光子，每个光脉冲所含的光子数是满足泊松分布的，即存在一定的多光子概率，通信系统容易受到窃听者光子数分离攻击。“诱骗态”方法的提出有效的解决了这个问题，使得这种简单高效的单光子产生方法能够应用在量子保密通信系统中。

目前，人们已经给出了低速率（100K～500MHz）准单光子源的产生方案，成功应用在现有的量子保密通信系统中。随着技术的进一步成熟，高速吉赫兹量级量子保密通信系统的实用化研究正在进行，这就需要能够满足该系统的高速单光子源。目前市场上有调制速率超过40Gbps的光模块，该模块采用电吸收调制技术（EAM），可以获得远高于直接调制技术的调制速率，配合商用的LD驱动芯片已经广泛应用于在光通信领域。但是，上述光模块的调制消光比不高，典型值约为10dB，这对于探测水平已到量子极限的单光子探测器来说，会引入很高的误计数，直接降低量子保密通信系统的成码效率。因而，无法满足量子保密通信系统对单光子源的高消光比要求（大于25dB）。

随着重复频率的提升，窄脉冲产生以及放大均需要等效带宽更宽的射频元器件，如重复频率为1.25GHz，脉冲宽度200ps的窄脉冲等效带宽就大于6GHz。此时，传输信号的波长与电路板元器件的尺寸和传输线长度已可比拟，电路设计与分析需从集总电路变为分布电路的射频电路设计方法。另一方面，在实用化的过程中，由于存在输入信号抖动以及周围环境干扰，输出电脉冲的幅度与脉冲宽度均会发生变化，若采用此电脉冲直接调制半导体LD，所产生光脉冲的单脉冲能量与脉冲宽度均不稳定，直接影响量子保密通信系统的误码率，因此，如何提高稳定性是一个难点。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种用于吉赫兹量子保密通信系统的弱相干单光子源产生方法，该产生方法通过对时钟输入信号进行自动增益控制解决了系统在复杂环境下光脉冲宽度抖动与光功率不稳定的难题，并通过对窄脉冲放大以提供较高的输出功率保证激光二极管输出弱相干光脉冲且具有较高的消光比。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种用于吉赫兹量子保密通信系统的弱相干单光子源产生方法，其特征在于所述产生方法至少包括以下步骤：

自动增益控制：将所述量子保密通信系统内所发出的时钟输入信号经带通滤波器消除高次谐波，之后经自动增益控制器进入双向耦合器，所述的双向耦合器分出一路信号反馈回所述自动增益控制器内，并与所述自动增益控制器内的设定电平参考值进行比较，以自动补偿所述时钟的输入功率抖动和外界环境干扰，为之后的窄脉冲产生步骤提供恒定功率的正弦信号输入；

窄脉冲产生：所述正弦信号经所述高速比较器的同相输入端输入，所述高速比较器的反相输入端由电压跟随器设置鉴别阈值电平，将所述正弦信号与所述鉴别阈值电平比较，以使所述高速比较器输出小于200ps量级的窄脉冲；

窄脉冲放大：之后所述窄脉冲经射频宽带增益模块和功率放大器级联放大，产生高峰值功率的窄脉冲；

激光二极管驱动偏置：通过宽带偏置树将放大后的所述窄脉冲以及由外置恒流源所提供的偏置电流耦合进入激光二极管，以使所述激光二极管产生窄光脉冲输出。

所述自动增益控制器内的电平参考值设定通过以下步骤完成：所述自动增益控制器上连接有一支路，该支路由电压跟随器和D/A转换器连接构成，外部的数字控制信号经所述D/A转换器输出模拟信号至电压跟随器，之后由所述电压跟随器设定所述自动增益控制器的电平参考值。

所述高速比较器内的鉴别阈值电平设定通过以下步骤完成：所述高速比较器的反相输入端连接有一支路，该支路由电压跟随器和D/A转换器连接构成，外部的数字控制信号经所述D/A转换器输出模拟信号至电压跟随器，由所述电压跟随器设定所述高速比较器的鉴别阈值电平。

所述方法涉及的电路采用微波板材作为电路基板，利用共面波导的方式进行传输线50欧姆阻抗匹配，以实现所述单光子源能够响应高重复频率的特点。

所述宽带偏置树由锥形电感与宽带电容构成。

本发明的优点是，通过该弱相干单光子源产生方法可以产生高峰值功率和窄脉冲宽度的电脉冲信号，实现重复频率0.5GHz～2GHz可调、光脉冲宽度小于40ps、消光比大于25dB以及高稳定性的准单光子源，特有的自动增益控制模块解决了系统在复杂环境下光脉冲宽度抖动与光功率不稳定的难题。

附图说明

图1为本发明中弱相干单光子源产生方法的原理框图；

图2为本发明中用以实现弱相干单光子源产生方法的结构示意图；

图3为本发明中直接调制激光二极管输出光功率与驱动电流关系图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：如图1所示，本实施例具体涉及一种用于吉赫兹量子保密通信系统的弱相干单光子源产生方法，该产生方法主要包括四大步骤，具体为自动增益控制、窄脉冲产生、窄脉冲放大以及激光二极管驱动偏置。用以实现上述弱相干单光子源产生方法的电路采用射频电路的设计方法，利用宽带射频元器件，可以产生高峰值功率和窄脉冲宽度的电脉冲信号。实现具有高重复频率、高消光比、高稳定性特点的弱相干单光子源。

如图2所示，上述适用于吉赫兹量子保密通信系统的弱相干单光子源产生方法包括如下步骤：

动增益控制：自上述吉赫兹量子保密通信系统内所发出的时钟输入信号经带通滤波器消除高次谐波，之后经自动增益控制器进入双向耦合器，该双向耦合器分出一路信号反馈回自动增益控制器内，并与自动增益控制器输出功率设定电平参考值进行比较，该电平由外部数字控制信号控制D/A转换器输出模拟电平，再经电压跟随器得到。由此可以反馈调节自动增益控制器的增益，自动补偿时钟的输入功率抖动和外界环境干扰，为之后的窄脉冲产生步骤提供恒定功率的正弦信号输入；

②窄脉冲产生：双向耦合器所输出的正弦信号自高速比较器的同相输入端输入，该高速比较器的反相输入端设定有鉴别阈值电平，该阈值电平由外部数字控制信号控制D/A转换器输出模拟电平，经电压跟随器接入比较器反相输入端，将正弦信号与鉴别阈值电平比较，以使高速比较器输出小于200ps量级的窄脉冲；

③窄脉冲放大：之后上述的窄脉冲经射频宽带增益模块和功率放大器级联放大，产生高峰值功率的窄脉冲；

④激光二极管驱动偏置：通过宽带偏置树将放大后的窄脉冲以及由外置恒流源所提供的偏置电流耦合进入激光二极管，以使该激光二极管产生窄光脉冲输出。

如图1-3所示，以下为用于实现上述方法的弱相干单光子源产生装置，该装置具体由四个基本模块构成：自动增益控制模块、窄脉冲产生模块、窄脉冲放大模块以及激光器驱动偏置模块。

如图2所示，上述的自动增益控制模块具体由带通滤波器、D/A转换器、电压跟随器、自动增益控制器和双向耦合器构成，其中带通滤波器与自动增益控制器连接，自动增益控制器与双向耦合器之间反馈控制连接，D/A转换器的接收端与外部的控制装置连接，D/A转换器的输出端与电压跟随器连接，电压跟随器与自动增益控制器连接。由于上述吉赫兹量子保密通信系统与单光子模块间的信息传输采用高速数字逻辑电平，而自动增益控制器需要正弦信号输入，因而，时钟输入经过带通滤波器消除高次谐波；本模块中，外部数字控制信号控制D/A转换器输出模拟信号，经电压跟随器设定该模块输出功率值，自动增益控制器输出信号经双向耦合器分出一路信号与上述设定电平比较，反馈调节增益控制器的增益。通过该方案能够实现输入信号幅度在很宽的范围内波动时，自动增益控制模块保持恒定的正弦信号输出。该模块能够实时补偿时钟输入功率抖动和外界环境所带来的干扰，为窄脉冲产生模块提供恒定功率的正弦信号输入。

如图2所示，上述的窄脉冲产生模块具体由高速比较器、D/A转换器和电压跟随器组成，其中高速比较器的同相输入端与自动增益控制模块中的双向耦合器连接，其反相输入端与电压跟随器连接，其输出端与窄脉冲放大模块连接，所述的电压跟随器与D/A转换器连接，该D/A转换器与外部的控制装置连接。由于高速正弦信号具有天然的“尖顶”特性，无需专门的脉冲压缩模块。外部数字控制信号控制D/A转换器输出模拟信号，经电压跟随器设置鉴别阈值电平，将正弦信号输入高速比较器，高速比较器可以输出脉冲宽度极窄的电脉冲信号，典型值小于200ps。通过将本模块与前述的自动增益控制模块级联工作，能够保证产生的电脉冲信号具有恒定的脉冲宽度与脉冲幅度，进而使激光二极管（LD）产生的光脉冲宽度与每脉冲能量具有很小的抖动范围，这大大降低了本发明在量子保密通信系统中，由于是非理想单光子源所带来的误计数。因此，本装置具有高稳定性的优点。

如图2所示，上述的窄脉冲放大模块具体由射频增益模块和宽带功率放大器级联构成，射频增益模块与上述的高速比较器输出端连接，宽带功率放大器与激光器驱动偏置模块连接。随着重复频率的提高，对窄脉冲的放大需要宽带射频放大器，射频增益模块与宽带功率放大器3dB带宽典型值大于8GHz。此外，宽带功率放大器输出功率1dB压缩点（P1dB）大于27dBm，以提供足够的输出功率保证激光二极管（LD）输出弱相干光脉冲且具有较高的消光比。

如图2、3所示，上述的激光器驱动偏置模块具体由外置的恒流源和宽带偏置树（宽带Bias-T）组成，所加载的偏置电流大小远小于激光二极管（LD）阈值电流I_th，以降低激光二极管（LD）的背景光。通常情况下，LD在驱动电流高于阈值电流I_th才能产生弱相干光输出。对于快速关断的工作模式，如传统的光通信调制驱动方案中，需要预先在LD上加载略高于I_th的偏置电流I_bias以避免LD调制过程中的“开启”与“关断”延时。但是，上述驱动方案产生的光脉冲消光比不高，典型值约为10dB，无法满足量子保密通信系统的要求（大于25dB）。本实施例中，LD的偏置电流I_bias要远低于LD的阈值电流I_th，使得不加载调制电流时几乎没有光输出，加载调制电流后输出一定功率的弱相干光。因此，本实施例单光子源所采用的调制电脉冲功率要远大于传统的光通信调制方案中调制电脉冲功率，才能实现LD的弱相干光输出并保证具有较高消光比。

如图2所示，本实施例中，为提高激光二极管的光脉冲性能，LD工作在反向偏置模式，其中偏置电流由外置恒流源提供，调制电流由宽带功率放大器提供。上述的宽带偏置树（Bias-T）由锥形电感与宽带电容构成；锥形电感是面向宽带和高频应用的器件，它独特的锥形结构可以展宽线圈的带宽，在20MHz至30GHz的宽带范围内无谐振点。锥形电感的实际尺寸较小，通常是用特制细线绕成，因此杂散电容较小。在本实施例的宽带偏置树（Bias-T）中，锥形电感提供了直流偏置电流的注入路径，它可以将电流源与有源器件有效隔离。宽带电容具有低插入损耗，在160KHz至40GHz频率范围内无谐振，是直流阻塞应用的理想电容器。宽带偏置树（Bias-T）将驱动LD的偏置电流与调制电流耦合进入LD。由于单光子源（激光二极管）由脉冲信号驱动，信号频谱由工作基频及高次谐波构成，在脉冲宽度保持一定的情况下，随着工作频率提高，加载在LD上的驱动脉冲的频谱越宽，典型值为6GHz～10GHz，宽带偏置树（Bias-T）的使用可以降低偏置电流与宽带调制电流的相互影响，最大限度的发挥LD的性能，输出脉冲宽度很窄的光信号。

上述单光子源产生装置的驱动电路采用射频电路的设计方法。电路板采用微波板材作为基板，目前使用广泛的FR4板材主要适用于1GHz以下的低频信号传输，微波板材能够传输10GHz以下的高频信号，且具有介电常数精度高，温度稳定性好，损耗小等优点。本实施例中电脉冲等效带宽大于6GHz，微波板材可以很好的传输该信号，减小信号传输过程中的与损耗与失真。此外，高频传输线采用共面波导构成50欧姆阻抗匹配，以降低信号传输过程中各模块之间的回波反射。通过所述激光器驱动偏置模块与射频电路的设计方法相结合，使得本实施例能够对吉赫兹的窄脉冲信号进行无失真放大，实现本实施例响应高重复频率的优点。

本实施例为高速率、高消光比、高稳定性弱相关单光子源提供了完整解决方案，为量子保密通信向更高速率发展奠定了基础。

Claims (3)

1.一种用于吉赫兹量子保密通信系统的弱相干单光子源产生方法，其特征在于所述产生方法至少包括以下步骤：

自动增益控制：将所述量子保密通信系统内所发出的时钟输入信号经带通滤波器消除高次谐波，之后经自动增益控制器进入双向耦合器，所述的双向耦合器分出一路信号反馈回所述自动增益控制器内，并与所述自动增益控制器内的设定电平参考值进行比较，以自动补偿所述时钟的输入功率抖动和外界环境干扰，为之后的窄脉冲产生步骤提供恒定功率的正弦信号输入；

窄脉冲产生：所述正弦信号经高速比较器的同相输入端输入，所述高速比较器的反相输入端由电压跟随器设置鉴别阈值电平，将所述正弦信号与所述鉴别阈值电平比较，以使所述高速比较器输出小于200ps量级的窄脉冲；

窄脉冲放大：之后所述窄脉冲经射频宽带增益模块和功率放大器级联放大，产生高峰值功率的窄脉冲；

激光二极管驱动偏置：通过宽带偏置树将放大后的所述窄脉冲以及由外置恒流源所提供的偏置电流耦合进入激光二极管，以使所述激光二极管产生窄光脉冲输出。

2.根据权利要求1所述的一种用于吉赫兹量子保密通信系统的弱相干单光子源产生方法，其特征在于，所述方法涉及的电路采用微波板材作为电路基板，利用共面波导的方式进行传输线50欧姆阻抗匹配。

3.根据权利要求1所述的一种用于吉赫兹量子保密通信系统的弱相干单光子源产生方法，其特征在于所述宽带偏置树由锥形电感与宽带电容构成。