CN105337730B

CN105337730B - 基于相位编码qkd系统的单光子偏振控制方法及装置

Info

Publication number: CN105337730B
Application number: CN201510802610.8A
Authority: CN
Inventors: 景明勇; 于波; 胡建勇; 张国峰; 肖连团; 贾锁堂
Original assignee: Shanxi University
Current assignee: Shanxi University
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2018-08-24
Anticipated expiration: 2035-11-19
Also published as: CN105337730A

Abstract

本发明涉及一种用于相位编码量子密钥分发系统的单光子偏振自校准与锁定的方法及装置。该偏振控制方案分为校准过程与锁定过程，两个过程通过判断反馈信号阈值实现自动切换。该方案采用偏振分束器、多自由度偏振控制器配合遗传算法实现高效的偏振自动校准与锁定；基于偏振反馈回路装置包括偏振分束器、偏振控制器、单光子探测器、信号采集处理模块及相应控制电路。该偏振控制方法可以实现在反馈信号强度为单光子量级的情况下实现实时连续且无复位操作的偏振精确控制，整个控制过程无需人为干预。

Description

基于相位编码QKD系统的单光子偏振控制方法及装置

技术领域

本发明涉及量子保密通信领域，具体涉及一种应用于相位编码量子密钥分发系统（QKD）中的偏振自动校准与长时间实时锁定的偏振控制方法及装置。具体讲的是利用电控偏振控制器（EPC）结合偏振分束器（PBS）结合遗传算法（GA）实现相位编码量子密钥分发系统中的系统偏振态（SOP）初始化自动校准，在量子密钥分发过程中进行实时精确高速的偏振锁定，实现全自动且稳定工作的量子密钥分发系统的一种方法与装置。

背景技术

量子密钥分发可以使得通信双方获得安全可靠的密钥，相位编码量子密钥分发系统是常见的量子密钥分发系统之一。在使用标准单模光纤（SSMF）作为光纤信道时，由于光纤的双折射效应，光纤信道输出端光线的偏振态会由于环境变化影响而产生随机偏移，甚至体现出随时不确定变化。该系统的核心调制单元为由铌酸锂晶体（LiNbO3）构成的光纤波导电光调制器（EOM）（包括相位调制器（PM）或强度调制器（AM）等）。该类调制器具有偏振相关调制的现象（PDM），即信号的调制深度随着输入光偏振态变化而变化。为了将偏振相关调制转化为更容易表征的偏振相关损耗现象（PDL），另一种结构的电光调制器在其光纤波导的输入或输出端集成了固定方向的起偏器。然而无论是偏振相关调制还是偏振相关损耗，都会导致误码率增大。

综上所述，在相位编码量子密钥分发系统中，为了确保高密钥产生效率以及低误码率，必须进行系统初始运作时精确的偏振校准以及系统运作时实时精确快速的偏振锁定。

现行的偏振锁定方案往往基于偏振编码量子密钥分发系统，将信息编码到单光子的偏振态中使得偏振的锁定方案繁琐复杂。这些锁定方案分为中断式反馈，和实时连续反馈，实时连续反馈又可以以时隙交织、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）等方式实现。其中中断式反馈不仅由于占用了系统周期，降低了密钥分发效率，而且限制了密钥的长度，有限长的密钥会导致安全性的降低；时隙交织占用了系统周期，降低了密钥分发效率；时分复用降低了系统的重复频率，从而无法实现高速的密钥分发；而在波分复用中，由于用于偏振锁定的参考信号光与用于密钥生成的信号光不同，所以参考信号光无法完全复现信号光的偏振漂移，无法实现精确的偏振补偿，从而增加了密钥的误码率。目前常用的偏振控制器件主要有偏振控制器。对于基于光纤挤压器的偏振控制器往往包含四个偏振控制单元以实现覆盖全偏振庞加莱球面的偏振态转化，且在连续偏振控制的过程中无需因某路电压调节到极限而进行复位操作。对于基于铌酸锂晶体的偏振控制器可能包含更多偏振控制单元。目前所有的偏振控制方案都采用类似穷举法的方法来实现偏振的负反馈过程。它们分别尝试调节所有可能的偏振组合，之后比较各种组合的调制效果，以获得最佳的偏振态。这种偏振控制的算法效率较低，且随着偏振控制器件控制单元数目（n）的增加，其所需遍历的偏振态数目（N）呈指数上升，满足N = 2n。为了实现高效精确的偏振实时反馈，不仅要采用恰当的偏振控制器件（n>=4），又要配合合适的算法以抵消由于n增大而导致的锁定效率降低。同时，完善智能的量子密钥分发系统不仅需要稳定运行，还需要能够自动初始化，做到不需要人为干涉的即插即用。

发明内容

本发明提出一种适用于相位编码量子密钥分发系统的，装置简便、算法高效，可以实现系统初始化过程偏振自动校准以及系统密钥分发过程偏振实时精确锁定的方法与装置。

本发明是采用以下技术方案实现的：

一种用于相位编码量子密钥分发系统的偏振控制装置，包括发送端和接收端；发送端产生同步光和信号光，分别通过量子信道和经典信道发送到接收端。

所述接收端包括相位调制模块、偏振控制回路和时钟管理模块。

所述相位调制模块用于对包含相位信息的信号光进行解调。

所述偏振控制回路包括偏振控制器，偏振分束器（PBS）、参考光单光子探测器（SPD_R）、信号采集模块、信号处理模块和偏振控制电路。

所述偏振控制器（EPC）的光输入端接收信号光，所述EPC的输出端与偏振分束器（PBS）输入端连接，所述PBS的反射端与参考光单光子探测器（SPD_R）连接，所述参考光单光子探测器SPD_R的输出端与信号采集模块的参考光输入端相连；所述PBS的透射端与相位调制模块的输入端相连；所述相位调制模块的输出端与信号采集模块的信号光输入端相连；所述信号采集模块的输出端同时与用于产生密钥、运行遗传算法的信号处理模块的输入端和相位调制模块的调控端相连；所述信号处理模块的输出端与偏振控制电路的输入端相连；所述偏振控制电路的输出端与EPC的调控端相连。

所述时钟管理模块的光输入端接收同步光，产生两路时钟，分别输入到信号采集模块的时钟输入端和参考光SPD_R的触发端。

信号光为具有一定重复频率的脉冲光，经过正确调制包含相位信息，且强度在单光子量级（平均光子数小于1）；该信号光在经过长距离标准单模光纤传播之前应具有确定的线偏振态，可以通过使用线偏光激光器与保偏光纤配合实现。所述同步光应为经典脉冲光信号，且与信号光同步。经典信道与量子信道均由长距离标准单模光纤构成。

时钟管理模块具有将光信号转变为电信号，对电信号分束，并分别产生正确延时的功能，以产生用于触发接收端的单光子探测器和信号采集模块的时钟。

接收端信号光光路均使用保偏器件以保证PBS输出的线偏振光偏振态维持不变。

偏振控制器偏振调节单元的数目应等于（或者大于）4，才能实现全范围无复位的偏振控制。所选择的偏振控制器自身应具有小的插入损耗、偏振相关损耗、偏振模式色散。除此之外，该器件的激活损耗（Activation loss）也应该尽可能小，以减小偏振控制器自身对于最终成码以及误码率的影响。出于反馈速度的考虑，该偏振控制器的响应速率应足以弥补由于环境改变导致的偏振漂移。

信号采集模块具体由现场可编程门阵列（FPGA）实现，同时提供和数据处理模块的数据接口，以用于数据收发处理。

基于相位编码量子密钥分发系统的偏振自动校准与实时自动反馈的控制方法，基于偏振反馈回路，偏振反馈回路包括偏振控制器（EPC）、偏振分束器（PBS）、参考光单光子探测器SPD_R、信号采集模块、信号处理模块、偏振控制电路。

偏振控制过程具体步骤如下：

当反馈信号的光路光强达到最小时，信号光光路达到最大且偏振态对准光纤光轴，从而可以消除由于电光调制器的偏振特性造成的偏振相关调制以及偏振相关损耗。所述信号光的光强损耗仅取决于偏振控制器和偏振分束器的插入损耗，而对于成熟的偏振控制器和偏振分束器，其插入损耗总和不大于0.55dB（@1550nm）。

1、参考光单光子探测器SPD_R工作在盖革计数器模式下采集参考光信号。

2、接收端信号采集模块采集参考光单光子探测器SPD_R输出脉冲并进行计数。

3、计数值作为反馈信号发送给信号处理模块，该信号处理模块运行遗传算法计算控制偏振控制器的调节电压，并将电压值发送给偏振控制电路模块。

4、偏振控制电路模块根据调节电压值将相应电压加载在电控制偏振控制器上，调制的结果反映在参考光单光子探测器SPD_R的输出中，最终实现完整的偏振反馈回路。

在偏振控制过程中，使用者面临精度和速度的优选。在步骤2中，每次反馈信号采集模块采集到的计数决定了偏振控制所能达到的精度，其所能探测到的总计数最大值越大则精度越高。对于固定重复频率的QKD系统，该最大值与积分时间成正比，亦即反馈速度和精度的乘积固定。提高QKD系统的重复频率可以提高该乘积，从而有效提高反馈系统的整体效果。

对于一个高度集成的系统，当偏振控制电路中包含微控制器（MCU）时，使用者可以将遗传算法集成到MCU中。或者使用者可以将遗传算法交由计算机（PC）执行，从而减小算法运算时间，获得更快的反馈速率。

偏振控制回路中所使用的算法为遗传算法。遗传算法是模仿生物进化中的优胜劣汰法则，以种群为进化单位，通过基因的随机突变与确定性选择相配合进行种群基因库优化的算法。其中确定性选择依据的是对于个体的适度值的评分。在偏振控制的过程中，种群大小（M）指一次优化过程所需调节的偏振态数目；个体指单次调节的偏振态；基因指一次调节偏振控制器所需要的四路电压；个体适度值则指对应于该基因的参考光单光子探测器SPD_R计数；评分依据算法的具体实现由适度值获得。遗传算法执行过程如下：

1、设定种群大小为M，随机产生第一代种群的基因。对于一个n轴的偏振控制器，最终初代的基因库为一个M×n的矩阵。

2、信号处理模块配合偏振控制电路将单个个体基因转化为电压加载在偏振控制器上。信号处理模块通过信号采集模块采集固定时间（T）参考光单光子探测器SPD_R输出并计数，获得该个体的适度值。

3、重复执行步骤2直至采集到种群中所有个体的适度值，计算所有个体的适度值的均值S；并且，对每个个体的适度值计算评分，评分采用排序法获得。

4、根据个体评分选择遗传方式。

评分最小的M_e个个体直接遗传获得子代个体基因值；M_e为直接遗传个体数；

评分次小的M_c个个体交叉遗传获得子代个体基因值；M_c为交叉遗传个体数，M_c=(M-M_e）×R_c，R_c为交叉遗传率；

以及M_m个个体突变遗传获得子代个体基因值；M_m为突变遗传个体数，M_m=M-M_e-M_c。

5、重复步骤2至步骤4直至QKD系统通信完毕。

偏振控制处于优化阶段和锁定阶段的界限由参考信号计数阈值确定。当均值S大于该阈值时，QKD系统不传码，系统处于优化阶段。当均值S小于该阈值时QKD系统稳定传码，系统处于实时锁定阶段。

在步骤1中，随机产生第一代种群基因的方式可以多种多样，使用者可以根据实际情况选择服从正态分布、平均分布或者服从其它统计分布的随机数产生基因值。种群大小M则要根据实际情况进行选择。

在步骤3中通过适度值获得评分，最简单的办法是直接将适度值作为评分。然而这种方法会导致随着算法的演化评分逐渐出现漂移的现象（e.g.随着算法的优化适度值，评分逐渐减小），从而影响采取各种遗传方式的概率。一种可以消除该效应的评分方法如下（排序法）：对适度值进行从小到大的排序，并标明该个体在排序后队列中的所处位置r，则该个体的评分为。

在步骤4中产生下一代个体的基因值时，直接遗传、交叉遗传以及突变遗传都是不可缺少的。直接遗传可以加快算法的收敛速度；突变遗传可以维持基因的多样性，在优化时可以防止种群的基因收敛于局部最优解，而在锁定阶段可以使得种群的基因随着时间的演化而不断进化；交叉遗传则可介于两者之间，可以增加收敛速度并使基因的组合发生改变，但是它并不会丰富基因库基因的种类。对于遗传算法没有一个万能的参数，所以使用者要根据实际情况仔细选择直接遗传个体数以及交叉遗传概率。

在步骤4中交叉遗传会选择评分较高的两个母代个体，将其基因进行随机的交换。交换由散点式、单点式以及更多复杂的交换方式实现。使用者应根据具体情况选取最佳的方式以获得更好的效果。

在步骤4中，突变遗传是进行偏振自动校准与锁定的关键。它能够保证基因库的丰富性，跳出局部最优解从而使种群进化。一般情况下，个体的突变范围与演化周期成反比，若干代进化之后，突变的效果将无法体现。另一种情况是使用固定的不随演化周期变化的突变方式，然而该突变范围值十分难以确定。如若太小则在初期优化时很难跳出局部最优解，如若太大则会导致在锁定阶段有很大的起伏。一种较好的方案是将突变范围设定为与适度值的均值成正比。在最初校准时，由于初始偏振态较差，此时个体适度值均值较大，则突变个体在较大的范围内变化以搜索全局空间；随着算法的演化，个体适度值的均值逐渐减小，突变范围亦随之减小，当到达最优解附近时，突变的效果十分微弱，对系统的干扰减小，实现稳定的运行。当随着时间的演化偏振态漂移，此时均值逐渐上升，突变的效果逐渐加强，使种群进化重新靠近最优解。使用者需要选择适当的突变范围和适度值均值之间的线性比例系数k，从而获得最佳校准和优化效果。

附图说明

图1表示本发明中相位调制QKD系统偏振控制方案示意图。

图2表示本发明中信号采集模块及信号处理模块工作原理示意图图。

图3表示本发明中控制电路模块工作原理示意图。

图4表示本发明中遗传算法流程图。

图5表示典型的偏振控制过程中系统成码随时间变化趋势。

图6表示典型的偏振控制过程中系统误码率随时间变化趋势。

图7表示典型的偏振控制过程中参考信号随时间变化趋势。

图8表示典型的偏振控制过程中四路偏振控制电压随时间变化趋势。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做详细说明。

如图1所示，基于相位编码QKD系统的单光子偏振控制装置，包括发送端和接收端。

QKD系统的发送端（Alice）产生同步光和信号光，分别通过量子信道和经典信道发送到接收端（Bob）。同步光到达接收端后，进入时钟管理模块。时钟管理模块产生两路时钟，分别输入到用于采集信号光以及参考光计数的信号采集模块时钟输入端口以及用于对参考光信号进行探测的参考光单光子探测器（SPD_R）触发端口。信号光到达接收端后，通过光纤与用于调节光线偏振态的偏振控制器光输入端相连。偏振控制器的输出端与用于区分光线偏振态的偏振分束器（PBS）输入连接。PBS反射端作为参考信号，与用于探测参考信号的参考光单光子探测器SPD_R连接。参考光单光子探测器SPD_R输出端口和用于采集信号的信号采集模块参考光输入端口相连。PBS透射端作为信号光信号，通过光纤与用于编码相位的相位调制模块相连。相位调制模块输出端通过光纤与用于采集信号的信号采集模块信号光输入端口相连。信号采集模块输出端口与用于分析处理数据、产生密钥、运行遗传算法的信号处理模块的输入端相连。信号处理模块的输出端与用于控制偏振控制器的控制电路相连。偏振控制电路与用于控制光线偏振态的偏振控制器的控制端相连。

整个系统运作在B92协议下。系统光路和电气连接如图1所示。其中箭头代表信号传输方向，实线代表光信号，虚线代表电信号。发送端产生两路光信号，分别是信号光信号L1和同步光信号L2，分别通过量子信道与经典信道传输到接收端。信号光信号为重复频率为25MHz，脉宽为3ns的单光子量级的脉冲光信号，该信号正确加载了相位调制信息。同步光信号为重复频率为25MHz，脉宽为20ns的方波信号，且与信号光信号完全同步。

同步光信号L1传输到接收端的时钟管理模块进行光电转换、整形、放大并分成两路重复频率25MHz、脉宽20ns且具有固定相对延时的时钟信号CLK1、CLK2。时钟信号CLK1输入到信号采集模块作为信号采集模块的时钟源。时钟信号CLK2输入到参考光单光子探测器SPD_R中用于控制运转在盖革模式下的单光子探测器开门时间。

信号光信号L2到达接收端后先经过电控偏振控制器（EPC），以实时调节偏振。信号光经过EPC后入射到偏振分束器（PBS）中，PBS的反射光L5由参考光单光子探测器SPD_R探测之后，其输出信号C1经由信号采集模块采集计数。PBS透射光L4经过接收端的相位调制模块调制之后由其输出信号L6由信号采集模块探测并采集。信号采集模块采集到解调后的信号光信号和参考光信号之后，对信号光信号的探测结果进行储存以获得最终的密钥。对参考光信号进行计数作为反馈信号，发送给信号处理模块。信号处理模块运行遗传算法并将偏振调节值发送给偏振控制电路，最终控制电路控制EPC完成偏振调节。

信号采集模块与信号处理模块工作原理如图2所示。经过接收端相位调制器正确调制的信号光信号L6由信号光单光子探测器SPD_S正确探测。其输出信号C2由FPGA模块进行采集并储存，同时FPGA对参考光单光子探测器SPD_R的输出进行采集并计数。FPGA的参考时钟为时钟管理模块产生的时钟信号CLK1，并经过板内细调延时产生时钟信号CLK3用作于信号光单光子探测器SPD_S的触发信号。FPGA产生的信号C3用于控制相位调制信号编码相位。参考信号C4通过通用异步收发器UART1与计算机建立通信从而将反馈信号发送给计算机。计算机运行遗传算法预估偏振调节值，并通过通用异步收发器UART2将偏振调节值C5发送给控制电路控制偏振控制器。

偏振控制电路工作原理如图3所示。微控制器（MCU）接收到包含偏振调节信息的UART信号C5，提取出其中的四路12 bit偏振调节电压数字信号，通过复用总线传输至四个12 bit数模转换模块，最终分别通过四个高压放大模块产生高压加载在偏振控制器的四个光纤挤压器上，实现全数控的偏振调节。在数控调节的过程中， MCU通过2-4译码器实现对偏振调节通道的控制，2-4译码器根据输入的2 bit数字信号控制对应通道的芯片（12 bit数模转换模块）使能端，从而使特定通道对当前改变响应。

遗传算法的算法流程图如图4所示，其执行过程如下：

步骤1：设定种群大小为M=10，随机产生第一代种群的基因。该基因分布为全范围内的均匀分布。由于控制过程为全数字控制，所以每个个体基因均由四个均匀分布在0-4095之间的整数构成。对于一个4轴的偏振控制器，最终初代的基因库为一个10×4的矩阵；

步骤2：将单个个体基因通过偏振控制电路转化为电压加载在偏振控制器上。采集固定时间（T）参考光单光子探测器SPD_R输出并计数，获得该个体的适度值；

步骤3：重复执行步骤2直至采集到种群中所有个体的适度值（10次），计算所有个体的适度值的均值S；并评分，其中评分采用排序法获得；

步骤4：根据个体评分选择遗传方式。

评分最小的M_e个个体直接遗传获得子代个体基因值，M_e为直接遗传个体数。

评分次小的M_c个个体交叉遗传获得子代个体基因值，M_c为交叉遗传个体数，M_c=(M-M_e）×R_c，R_c为交叉遗传率。

其中交叉遗传采用散点式，突变遗传采用突变范围与个体适度值均值成正比的方式；

步骤5：重复步骤2至步骤4直至QKD系统通信完毕。

整个过程分为两个阶段：优化与锁定。当算法开始运行直至采集的计数均值S小于给定阈值时，校准阶段结束，锁定阶段开始，QKD系统开始传码。当由于某些突然因素导致系统失锁，计数均值S大于给定阈值，此时QKD系统终止传码，重新进入优化阶段，直至计数均值重新回到预期值。整个过程由算法自动控制而无需人为干预。

图5、6、7、8分别展示了典型的偏振控制过程中QKD系统各项参数的变化情况。图5展示了系统成码随时间变化的过程，总实验时间为6500s，在最初的校准过程中，由于偏振态未调节到最佳，成码较小，随着偏振校准到最佳并进入锁定阶段，成码稳定在22 Kbps附近。图6展示了系统误码随时间变化的过程，在最初的校准过程误码较大，进入锁定阶段后，误码稳定在5%附近，且最大不会超过10%。图7展示了系统参考光光强随时间变化的过程，最开始参考光光路信号较强，进入锁定阶段后参考光光信号维持在较低水平，归一化计数不会大于0.05，从而保证信号光稳定的信号强度。图8展示了四路偏振控制电压随时间变化过程，最初锁定阶段偏振调节电压变化很快以快速寻找最优偏振态，在锁定阶段电压随时间微调以跟踪偏振的缓慢漂移。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims

1.一种基于相位编码QKD系统的单光子偏振控制方法，其特征在于：相位编码量子密钥分发系统包括发送端和接收端；

发送端产生两路光信号，分别是信号光信号L1和同步光信号L2，分别通过量子信道与经典信道传输到接收端；

所述接收端包括相位调制模块，偏振控制回路和时钟管理模块；

所述相位调制模块用于对接收端光信号进行解调；

所述偏振控制回路包括偏振控制器，偏振分束器、参考光单光子探测器SPD_R、信号采集模块、信号处理模块以及偏振控制电路；

所述偏振控制器EPC的光输入端接收信号光，所述偏振控制器EPC的输出端与偏振分束器PBS输入端连接，所述偏振分束器PBS的反射端与参考光单光子探测器SPD_R连接，所述参考光单光子探测器SPD_R的输出端与信号采集模块的参考光输入端相连；所述偏振分束器PBS的透射端与相位调制模块的输入端相连；所述相位调制模块的输出端与信号采集模块的信号光输入端相连；所述信号采集模块的输出端同时与用于产生密钥、运行遗传算法的信号处理模块的输入端和相位调制模块的调控端相连；所述信号处理模块的输出端与偏振控制电路的输入端相连；所述偏振控制电路的输出端与偏振控制器EPC的调控端相连；

所述时钟管理模块的光输入端接收同步光，产生两路时钟，分别输入到信号采集模块的时钟输入端和参考光单光子探测器SPD_R的触发端；

所述信号采集模块由信号光单光子探测器SPD_S和可编程门阵列FPGA构成，所述信号光单光子探测器SPD_S的输入端作为信号采集模块的信号光输入端，信号光单光子探测器SPD_S的输出端与可编程门阵列FPGA的信号光输入端相连，可编程门阵列FPGA的参考光输入端作为信号采集模块的参考光输入端，可编程门阵列FPGA的时钟输入端作为信号采集模块的时钟输入端，可编程门阵列FPGA的输出端作为信号采集模块的输出端；可编程门阵列FPGA的时钟输出端与信号光单光子探测器SPD_S的触发端相连；

所述偏振控制器EPC的偏振调节单元的数目≥4；

所述偏振控制电路包括微控制器MCU，所述微控制器MCU的输入端作为偏振控制电路的输入端，微控制器MCU通过复用总线分别与四个12bit数模转换模块的输入端相连，四个12bit数模转换模块各自通过高压放大模块产生高压加载在偏振控制器EPC上；微控制器MCU通过2-4译码器与对应通道的12bit数模转换模块的使能端相连；

信号处理模块包括用于产生密钥、运行遗传算法的计算机PC，所述计算机PC通过异步收发器UART1与信号采集模块的输出端相连，所述计算机PC通过异步收发器UART2与偏振控制电路的输入端相连；

具体步骤如下：

所述同步光信号L1传输到接收端的时钟管理模块进行光电转换、整形、放大并分成两路时钟信号CLK1、CLK2；时钟信号CLK1输入到信号采集模块作为信号采集模块的时钟源，时钟信号CLK2输入到参考光单光子探测器SPD_R中用于控制运转在盖革模式下的单光子探测器开门时间；

所述信号光信号L2到达接收端后先经过偏振控制器EPC，以实时调节偏振，经过偏振控制器EPC后入射到偏振分束器PBS中，偏振分束器PBS的反射光L5由参考光单光子探测器SPD_R探测之后，其输出信号C1经由信号采集模块采集并计数；

偏振分束器PBS透射光L4经过接收端的相位调制模块调制之后由其输出信号L6由信号采集模块探测并采集；

信号采集模块采集到编码光信号和参考光信号之后，对编码信号进行储存以获得最终的密钥；信号采集模块对参考光信号进行计数作为反馈信号，发送给信号处理模块；

信号处理模块运行遗传算法并将偏振调节值发送给偏振控制电路，最终偏振控制电路控制偏振控制器EPC完成偏振调节；其中，遗传算法执行过程如下：

（1）、设定种群大小为M，随机产生第一代种群的基因，对于一个n轴的偏振控制器，最终初代的基因库为一个M×n的矩阵；

（2）、信号处理模块将单个个体基因转化为电压加载在偏振控制器EPC上；信号处理模块通过信号采集模块采集固定时间T的参考光单光子探测器SPD_R单光子探测器输出并计数，获得该个体的适度值；

（3）、重复执行步骤（2）直至采集到种群中所有个体的适度值，计算所有个体的适度值的均值S；并且，对每个个体的适度值计算评分，评分采用排序法获得；

（4）、根据个体评分选择遗传方式：

评分最小的M_e个个体直接遗传获得子代个体基因值，M_e为直接遗传个体数；

评分次小的M_c个个体交叉遗传获得子代个体基因值，M_c为交叉遗传个体数，M_c=（M-M_e）×R_c，R_c为交叉遗传率；

以及M_m个个体突变遗传获得子代个体基因值，M_m为突变遗传个体数，M_m=M-M_e-M_c；

（5）、重复步骤2至步骤4直至QKD系统通信完毕；

整个过程分为两个阶段：优化与锁定；当算法开始运行直至步骤（3）采集的计数均值S小于给定阈值时，校准阶段结束，锁定阶段开始，QKD系统开始传码；当由于某些突然因素导致系统失锁，计数均值S大于给定阈值时，此时QKD系统终止传码，重新进入优化阶段，直至计数均值S重新回到预期值；

所述信号采集模块与信号处理模块工作如下：

经过接收端相位调制器正确调制的信号光信号L6由信号光单光子探测器SPD_S正确探测，其输出信号C2由FPGA模块进行采集并储存，同时FPGA对参考光单光子探测器SPD_R的输出进行采集并计数；FPGA的参考时钟为时钟管理模块产生的时钟信号CLK1，并经过板内细调延时产生时钟信号CLK3用作于信号光单光子探测器SPD_S的触发信号；FPGA产生的信号C3用于控制相位调制信号编码相位；参考光信号C4通过通用异步收发器UART1与计算机PC建立通信从而将反馈信号发送给计算机PC，计算机PC运行遗传算法预估偏振调节值，并通过通用异步收发器UART2将偏振调节值C5发送给偏振控制电路控制偏振控制器EPC；

所述偏振控制电路工作如下：

微控制器MCU接收到包含偏振调节信息的UART信号C5，提取出其中的四路12 bit偏振调节电压数字信号，通过复用总线传输至四个12 bit数模转换模块，最终分别通过四个高压放大模块产生高压加载在偏振控制器的四个个光纤挤压器上，实现全数控的偏振调节；在数控调节的过程中，微控制器MCU通过2-4译码器实现对偏振调节通道的控制，2-4译码器根据输入的2 bit数字信号控制对应通道的12 bit数模转换模块使能端，从而使特定通道对当前改变响应；

所述信号光信号L1为重复频率为25MHz，脉宽为3ns的单光子量级的脉冲光信号，该信号正确加载了相位调制信息；所述同步光信号L2为重复频率为25MHz，脉宽为20ns的方波信号，且与信号光信号完全同步；

所述时钟信号CLK1、CLK2为两路重复频率25MHz、脉宽20ns且具有固定相对延时的时钟信号。