CN105071867A - 可实现时域脉冲平衡零拍探测器自动平衡的控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可实现时域脉冲平衡零拍探测器自动平衡的控制装置，包括50/50保偏光纤耦合器(1)，电动可变光纤衰减器(2)，时域脉冲平衡零拍探测器(3)，脉冲采集电路与时钟恢复电路(4)，控制器(5)，反馈信号输出电路(6)，90/10保偏光纤耦合器(7)。该控制装置采用精密直线步进电机控制可变光纤衰减器，结合反馈控制电路和算法，能够实现时域脉冲平衡零拍探测器两臂自动精确快速平衡，无需人工干扰，可避免由于两臂不平衡而导致的散粒噪声基准失真以及额外噪声的增加，可以很好的集成在连续变量量子密钥分发系统中，确保系统长时间稳定运行。
Description
技术领域：
本发明涉及连续变量量子密钥分发系统的自动控制，特别涉及一种可实现连续变量量子密钥分发系统接收端时域脉冲平衡零拍探测器的自动控制装置，具体是一种可实现时域脉冲平衡零拍探测器两臂快速精确自动平衡的控制装置。
背景技术：
基于量子力学基本原理的量子通信，具有无条件的安全性，在国防、商业、网络等领域有着非常广阔的应用前景。量子密钥分发是该领域内最接近实际应用的一个方向，按编码所用物理量是光场的分离谱还是连续谱可分为分离变量和连续变量两个方向。连续变量量子密钥分发无需单光子的产生与探测，受到了国内外科研学者的广泛关注，相关理论和实验技术获得了飞速的发展。
国内外实验小组现均已实现传输距离长达几十公里的连续变量量子密钥分发，相关的样机也有研制，但是该方向距实用化阶段还有一定的距离，需要在减小体积，提高集成度，增强稳定性，提高各器件性能等方面做大量的工作。时域脉冲平衡零拍探测器是连续变量量子密钥分发的接收器件，其稳定性和精度直接关系着系统的稳定性和额外噪声。采用光纤器件制作的时域平衡零拍探测器具有很好的稳定性，探测器对两臂的输入平衡度要求较高，需达到万分之一。随着温度等因素的变化，50/50保偏光纤耦合器的耦合比例随时间缓慢飘移，特别是经过长时间后，耦合比例发生较大的变化时(大于百分之一)，将会导致探测器输出饱和。该饱和现象不仅会导致探测器接收的信号严重失真，还会影响实时校准的散粒噪声精度，从而使系统产生较高的额外噪声，甚至使通信系统产生安全漏洞。
为了避免探测器的输出饱和，需手动调节可变弯曲光纤衰减器的衰减度，以避免探测器发生饱和。基于弯曲光纤原理的衰减器具有衰减精度高的特点(万分之一)，能够实现探测器的两臂精确平衡，但是目前尚无基于弯曲光纤原理的自动控制衰减器，也没有实现时域脉冲平衡零拍探测器两输出臂自动平衡的控制装置。
在实现探测器自动平衡方面，原理上还可以采用控温方式，但是采取控温的方法实现双臂平衡的方法并不是十分有效，首先影响探测器双臂平衡的并不是只有耦合器一个器件，还有光纤衰减器，光纤连接器等；其次耦合器随温度变化并没有固定的函数曲线，而且不具有单调性，控制难度较大；此外控温所需功耗较大，在为了避免振动而不使用风扇的前提条件下，利用传导散热还会导致系统设计的复杂性；再者温度是一个慢变量，利用控温无法实现探测器双臂的快速平衡。因此，我们没有采用控温去实现探测器两输出臂自动平衡。
当前的直线步进电机具有较高的精度和稳定性，利用其作为弯曲光纤的推动装置，不仅可以实现衰减度的快速、精细变化，还可以实现自动控制，并具有功耗低，体积小，易于集成等特点，是实现探测器两输出臂自动平衡的较为理想的器件。
本发明针对现有技术存在的问题提供一种可实现时域脉冲平衡零拍探测器两臂精确自动平衡的控制装置，能够避免由于耦合器比例发生较大变化而引起的探测器饱和，可使探测器工作在平衡点附近，具有较高的测量精度，实现了时域脉冲平衡零拍探测器长期稳定运行，无需人工介入。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题提供一种可实现时域脉冲平衡零拍探测器两臂精确自动平衡的控制装置。该装置能通过对零拍探测器输出的信号进行采集处理，获得反应系统当前平衡度的参数，然后通过直线步进电机挤压光纤绕成的圆环实现光强的精密衰减，进而实现时域脉冲平衡零拍探测器两臂的快速精确的自动平衡。
本发明提供的一种可实现时域脉冲平衡零拍探测器两臂精确自动平衡的控制装置，包括50/50保偏光纤耦合器，电动可变光纤衰减器，时域脉冲平衡零拍探测器，脉冲采集电路与时钟恢复电路，控制器，反馈信号输出电路，90/10保偏光纤耦合器；外部输入的信号光场和本地光场经50/50保偏光纤耦合器耦合后输出至时域脉冲平衡零拍探测器，电动可变光纤衰减器使时域脉冲平衡零拍探测器两臂达到平衡；90/10保偏光纤耦合器从本地光场中提取小部分光信号，并将其输入至脉冲采集电路与时钟恢复电路；脉冲采集电路与时钟恢复电路将采集的电信号输出至控制器，并由控制器运行反馈算法，计算出施加于电动可变光纤衰减器的反馈信号；反馈信号通过反馈信号输出电路施加在电动可变光纤衰减器上，实现时域脉冲平衡零拍探测器的自动平衡。
所述的电动可变光纤衰减器，包括电机驱动器，直线步进电机，第一固定块，可动滑块，第二固定块，底座，滑杆，螺杆，一对光纤固定夹具和光纤圆环；直线步进电机具有低功耗、低振动、小噪声、高速度和高精度的特点，可实现正反转控制；电机驱动器驱动直线步进电机、螺杆转动，使可动滑块进退，改变光纤圆环的曲率半径。所述的光纤圆环由50/50保偏光纤耦合器的尾纤绕制而成。
所述的脉冲采集电路与时钟恢复电路，包括宽带探测器，高速比较器，脉宽调制芯片，时钟延时芯片，稳压源，电位器，模数转换电路；宽带探测器使光脉冲转换为电脉冲，该电脉冲经高速比较器后输出矩形脉冲，然后再经过脉宽调制芯片与时钟延时芯片后输出可调脉宽、可精确延时的时钟信号，该时钟信号作为模数转换电路的触发信号，使其能够精确采集光场的正交分量值；稳压源与电位器组合后向高速比较器提供可调比较电压。
所述的反馈算法，采用数字滤波的方法滤除探测结果中含有的散粒噪声，并计算出时域脉冲平衡零拍探测器的平衡度，根据平衡度采用可变步长，然后将步长值转换为电机驱动器可识别的反馈信号。
所述的90/10保偏光纤耦合器，可用其它耦合比例的保偏光纤耦合器替代，需确保进入到时域脉冲平衡零拍探测器的光场具有足够的功率，且脉冲采集电路与时钟恢复电路能够正常工作。
与现有技术相比，本发明的优点和效果：
现有的实现时域脉冲平衡零拍探测器两输出臂平衡的方法主要是采用手动调节可变光纤衰减器的办法，缺点主要是需要人工不断介入，调节时间慢，无法自动快速实现平衡，从而导致连续变量量子密钥分发系统不能长时间运行。
本发明采用精密的直线步进电机推动可变光纤衰减器，结合脉冲采集与时钟恢复电路，反馈控制电路等可实现探测器两输出臂快速精确地自动平衡，能够避免由于耦合器比例发生较大变化而引起的探测器饱和，可使探测器工作在平衡点附近且具有较高的测量精度，可确保时域脉冲平衡零拍探测器长期稳定运行。
附图说明:
图1自动平衡装置原理图
图2电动可变光纤衰减器原理图
图3脉冲采集电路与时钟恢复电路原理图
图4探测器输出的散粒噪声与精确延时的时钟
图5反馈算法流程图
图6探测器两臂的平衡过程
具体实施方式:
图1所示的是一种可实现时域脉冲平衡零拍探测器两臂精确自动平衡的控制装置，包括50/50保偏光纤耦合器1，电动可变光纤衰减器2，时域脉冲平衡零拍探测器3，脉冲采集电路与时钟恢复电路4，控制器5，反馈信号输出电路6，90/10保偏光纤耦合器7。外部输入的信号光场和本地光场经50/50保偏光纤耦合器耦合后输出至时域脉冲平衡零拍探测器，电动可变光纤衰减器采用精密直线步进电机挤压光纤圆环的原理对光功率较高一臂的光场进行衰减，使时域脉冲平衡零拍探测器两臂达到平衡；时域脉冲平衡零拍探测器输出的脉冲峰值正比于信号光场的正交分量，90/10保偏光纤耦合器用于从本地光场中提取小部分光信号，并将其输入至脉冲采集电路与时钟恢复电路，产生与本地光场同步的时钟信号；脉冲采集电路与时钟恢复电路将采集的电信号输出至控制器，经过反馈算法处理后计算出施加于电动可变光纤衰减器的反馈信号；反馈信号通过反馈信号输出电路施加在电动可变光纤衰减器上，实现时域脉冲平衡零拍探测器的自动平衡。需要注意的是具体实施过程中使用的是基于前置电荷放大器的时域脉冲平衡零拍探测器，该类探测器的脉冲峰值正比于光场的正交分量，只需采集电脉冲的峰值信号。如果采用了基于前置电压或电流放大器的时域脉冲平衡零拍探测器，需根据入射脉冲的时间宽度和探测器的带宽来决定是采集脉冲峰值还是采集整个脉冲并对脉冲面积进行积分。
图2所示是可变光纤衰减器的原理图，图中的上图为主视示意图，下图为俯视示意图，具体包括电机驱动器8，直线步进电机9，第一固定块10、第二固定块12，可动滑块11，底座13，滑杆14，螺杆15，光纤固定夹具16和光纤圆环17。光纤圆环17由50/50保偏光纤耦合器的尾纤绕制而成，可避免引入外接跳线而引起的插入损耗。光纤固定夹具16可将光纤圆环17固定于可动滑块11与与第二固定块12之间，当可动滑块滑动时，通过改变光纤的弯曲度来改变光纤中光场强度的衰减。小体积直线步进电机9(20cm×20cm×28cm)安装于第一固定块10之上，电机采用两相四线接法，上电后可带动螺杆15转动，从而带动可动滑块11沿滑杆14滑动，步进精度3微米。为了确保光纤衰减器具有良好的稳定性，可动滑块11与滑杆14需严密结合，光纤圆环通过光纤固定夹具16牢固地固定在可动滑块11与第二固定块12之间。电机驱动器可驱动直线步进电机工作，大大简化了电机的控制方式。为了避免直线步进电机过热而导致机械装置发生明显的热胀冷缩现象，直线步进电机和电机驱动器应具有较低的功耗。
电机驱动器的使用大大简化了直线步进电机的控制方式，实验中所选的驱动器需具有低振动，小噪声，高速度的特点，可实现正反转控制，可接12-32V直流电压。驱动器具有内置的六个拨码开关和四个接线端。通过三位拨码开关SW1，SW2，SW3选择23＝8档细分控制(1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128)。实验中为了获得足够的单步步进精度，选取最小步长1/128。通过三位拨码开关SW4，SW5，SW6可选择23＝8档电流控制(0.2A、0.4A、0.6A、0.8A、1.05A、1.3A、1.55A、1.8A)。因为弯曲光纤所用力度较小，实验中选取最低驱动电流0.2A，同样为了降低电机的功耗，接入了12V直流电源。在该驱动功率和室温25℃的环境下，直线步进电机的工作温度低于35度。驱动器的四个接线端分别是单步脉冲输入端PUL(脉冲上升沿有效)，步进方向输入端DIR(高低电平代表不同的步进方向)，驱动器使能端ENA和逻辑电平的公共接线端COM。上述四个控制接口与数据采集卡的I/O接口相连，通过采用安装在计算机中的LabView软件进行控制。
在调节探测器两臂的平衡度时，为避免信号态光场对探测器当前的平衡度产生影响，应当使信号输入端的光场为真空态。实验中为了获取探测器输出电脉冲的峰值，我们设计制作了脉冲采集电路与时钟恢复电路4，其结构如图3所示，空心箭头表示使用90/10保偏光纤耦合器提取的小部分本地光场，经宽带探测器18后，可输出与光脉冲形状一致的高斯电脉冲，该电脉冲经高速比较器19后可输出矩形脉冲，然后再经过脉宽调制芯片20与时钟延时芯片21后输出可精确延时的时钟信号。22为稳压源，与电位器23组合后可向高速比较器提供可调比较电压。模数转换电路24的具体实现形式为数据采集卡。
图4所示是自动平衡后探测器输出的散粒噪声图与精确延时的时钟信号图，将这两路信号分别输入数据采集卡的模拟输入端口和外接时钟输入端口，可对探测器输出的电脉冲峰值进行精确的采集。这里我们采用了直接脉冲峰值的采集方法，这种峰值采集方法要求时钟具有较快的上升沿和精确的延时精度，探测器输出的电脉冲具有较为平坦的峰值，脉冲的上升沿与峰值的时间坐标需精确对齐或存在一个固定的时间差；数据采集卡的模拟输入通道配置专有的模数转换芯片，避免多路复用等情况。
实施过程中我们具体采用计算机来实现控制器的功能，数据采集卡将所采集的电压值传输给计算机，经过反馈算法计算出步进电机所需移动的方向和步长，并通过反馈信号输出电路6输出至步进电机的驱动器，驱动直线步进电机工作。反馈信号电路6采用具有数字I/O口的多功能数据采集卡实现。具体的反馈算法如图5所示，计算机采用数字滤波的方法滤除探测结果中含有的散粒噪声，并计算出所测电信号的平均值，平均值与平衡度的换算公式见式(Ⅰ)。计算机首先判断当前的平衡度是否超出阈值，如果没有超出阈值，输出的反馈信号为零移动，如果超出阈值则根据超出的程度，即平衡度的大小选择相应的移动步长，根据平衡度的正负选择移动方向；然后计算机将步长值转换为反馈信号(数字信号)并通过数据采集卡的数字I/O口输出至步进电机驱动器，驱动步进电机实现时域平衡零拍探测器两臂精确快速平衡。
当前探测器的增益为3.2×10-6V/光子，本地光场的光子数为107，当平衡度为万分之一时，探测器输出散粒噪声的平均值所允许的误差为3.2毫伏，计算公式如式(Ⅰ)所示：
NLO·B·G＝A
(Ⅰ)
107×10-4×3.2×10-6＝3.2×10-3(V)
式中NLO为本地光场的光子数，B为平衡度，G为探测器的增益，A为平均值。图6给出了在反馈电路运转后探测器从几种不平衡状态转向平衡状态的过程，所需时间约为十几秒。从图中可以看出，探测器锁定后平均值达到的精度约为几毫伏，显然当前可变光纤衰减器可使时域脉冲平衡零拍探测器的平衡度达到万分之一左右。
Claims (6)
1.一种可实现时域脉冲平衡零拍探测器自动平衡的控制装置，其特征在于，包括50/50保偏光纤耦合器(1)，电动可变光纤衰减器(2)，时域脉冲平衡零拍探测器(3)，脉冲采集电路与时钟恢复电路(4)，控制器(5)，反馈信号输出电路(6)，90/10保偏光纤耦合器(7)；外部输入的信号光场和本地光场经50/50保偏光纤耦合器(1)耦合后输出至时域脉冲平衡零拍探测器(3)，电动可变光纤衰减器(2)使时域脉冲平衡零拍探测器(3)两臂达到平衡；90/10保偏光纤耦合器(7)从本地光场中提取小部分光信号，并将其输入至脉冲采集电路与时钟恢复电路(4)；脉冲采集电路与时钟恢复电路(4)将采集的电信号输出至控制器(5)，并由控制器(5)运行反馈算法，计算出施加于电动可变光纤衰减器(2)的反馈信号；反馈信号通过反馈信号输出电路(6)施加在电动可变光纤衰减器(2)上，实现时域脉冲平衡零拍探测器(3)的自动平衡。
2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述的电动可变光纤衰减器(2)，包括电机驱动器(8)，直线步进电机(9)，第一固定块(10)，可动滑块(11)，第二固定块(12)，底座(13)，滑杆(14)，螺杆(15)，一对光纤固定夹具(16)和光纤圆环(17)；直线步进电机(9)可实现正反转控制；电机驱动器(8)驱动直线步进电机(9)、螺杆(15)转动，使可动滑块(11)进退，改变光纤圆环(17)的曲率半径。
3.如权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述的光纤圆环(17)由50/50保偏光纤耦合器(1)的尾纤绕制而成。
4.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述的脉冲采集电路与时钟恢复电路(4)，包括宽带探测器(18)，高速比较器(19)，脉宽调制芯片(20)，时钟延时芯片(21)，稳压源(22)，电位器(23)，模数转换电路(24)；宽带探测器(18)使光脉冲转换为电脉冲，该电脉冲经高速比较器(19)后输出矩形脉冲，然后再经过脉宽调制芯片(20)与时钟延时芯片(21)后输出可调脉宽、可精确延时的时钟信号，该时钟信号作为模数转换电路(24)的触发信号，使其能够精确采集光场的正交分量值；稳压源(22)与电位器(23)组合后向高速比较器(19)提供可调比较电压。
5.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述的反馈算法，采用数字滤波的方法滤除探测结果中含有的散粒噪声，并计算出时域脉冲平衡零拍探测器(3)的平衡度，根据平衡度采用可变步长，然后将步长值转换为电机驱动器(8)可识别的反馈信号。
6.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述的90/10保偏光纤耦合器(7)，可用其它耦合比例的保偏光纤耦合器替代。
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