CN105490752B - 单纤量子密钥分配系统中经典信号的驱动与探测甄别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单纤量子密钥分配系统中经典信号的驱动与探测甄别系统，速调制放大器有用于输入经典信号的经典信号输入端；有源微波集成放大器用于对调制放大输出信号进行第二级放大并输出到经典光激光器；经典光探测器输入端与经典光激光器的输出端连接，经典光探测器输出端与高速电压比较器的输入端连接；经典光激光器的输出信号输入到经典光探测器，经典光探测器的探测输出信号输入高速电压比较器，高速电压比较器用于对探测输出信号进行甄别输出。本还公开了单纤量子密钥分配系统中经典信号的驱动与探测甄别方法。本发明能够保证经典信号不会失真，并为经典光激光器提供本底电流，也保证输出信号的阻抗匹配。

Description

单纤量子密钥分配系统中经典信号的驱动与探测甄别系统及 方法

技术领域

本发明涉及一种用于单纤量子密钥分配系统中经典信号的驱动与探测甄别系统及方法。

背景技术

单纤量子密钥分配系统中(以下简称QKD)双方的握手信号、数据纠错信号、量子密钥保密放大信号以及密钥协商信号，这些经典信号都需要经过放大调制之后经过光纤传输到接收端进行探测甄别。目前的QKD系统中对于经典信号的放大调制在阻抗匹配和增益调节方面做得不够完善，输出眼图失真严重，经典信号的接收端所采用的甄别器灵敏度低，当长距离传输衰减加大时，导致到达接收端光强变弱，甄别器无法正常响应。针对这些问题需要重新设计一款经典光信号的驱动和探测甄别系统，以提高QKD系统的性能。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种单纤量子密钥分配系统中经典信号的驱动与探测甄别系统与方法，本单纤量子密钥分配系统中经典信号的驱动与探测甄别系统与方法能够保证经典信号不会失真，同时能够实现实时调制经典信号的增益以提高输出眼图质量降低接收端误码水平，并为经典光激光器提供本底电流，也保证输出信号的阻抗匹配。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：单纤量子密钥分配系统中经典信号的驱动与探测甄别系统，包括驱动端和甄别端；其特征在于：驱动端包括高速调制放大器、数模转换器、经典光激光器、有源微波集成放大器；高速调制放大器有触发使能调节控制端口、幅度调制控制端口和光强调制控制端口；触发使能调节控制端口、幅度调制控制端口和光强调制控制端口分别与数模转换器连接；数模转换器用于对触发使能调节控制端口、幅度调制控制端口和光强调制控制端口进行控制；高速调制放大器有用于输入经典信号的经典信号输入端；高速调制放大器有偏置电流输出端口和调制放大输出端口；偏置电流输出端口与经典光激光器连接，用于输出偏置电流以调节经典光激光器光强；调制放大输出端口与有源微波集成放大器连接，用于输出调制放大输出信号给有源微波集成放大器；有源微波集成放大器用于对调制放大输出信号进行第二级放大并输出到经典光激光器；探测甄别端包括经典光探测器和高速电压比较器；经典光探测器输入端与经典光激光器的输出端连接，经典光探测器输出端与高速电压比较器的输入端连接；经典光激光器的输出信号输入到经典光探测器，经典光探测器的探测输出信号输入高速电压比较器，高速电压比较器用于对探测输出信号进行甄别输出。

数模转换器用于对触发使能调节控制端口、幅度调制控制端口和光强调制控制端口进行控制是指：系统传输经典信号时，CPU向数模转换器写入开启高速调制放大器的指令，数模转换器对应的控制端口输出低电平将高速调制放大器的触发使能端口拉低开启经典信号传输，反之，关闭经典信号传输时则将该端口拉高；经典信号在传输过程中，CPU向数模转换器写入幅度调制信号的指令，当系统误码升高时，数模转换器对应的控制端口输出不同的电平改变高速调制放大器的幅度调制端口实际电平大小以降低误码；经典光在远距离传输衰减变大时，根据线路衰减情况CPU向数模转换器写入增加经典光光强的信号，数模转换器对应的控制端口输出高电平将高速调制放大器的光强调制控制端口电平拉高，增加经典光激光器光强。经典光激光器等效阻抗不是50Ω，并且它的实际阻抗随工作频率、信号幅度变化呈非线性变化，无法给经典光激光器做终端50Ω匹配，只能在源端做50Ω阻抗匹配。为了防止信号失真以及因为阻抗失配造成的信号反射，所以在调制放大器输出后面增加有源滤波放大器，该放大器在芯片内部已经匹配好50Ω输出阻抗，并且芯片自身可以吸收来自终端的反射信号，保证了驱动信号的完整性。

为实现上述技术目的，本发明采取的另一种技术方案为：单纤量子密钥分配系统中经典信号的驱动与探测甄别方法，其特征在于包括以下步骤：

经典光信号从高速调制放大器左侧端口输入，通过高速调制放大器对经典光信号进行一级放大；高速调制放大器有两路输出，一路经过调制放大输出到第有源微波集成放大器中，经过有源微波集成放大器的第二级放大之后输出到经典光激光器；高速调制放大器另一路输出偏置电流，以调节经典光激光器光强；

通过数模转换器控制对高速调制放大器触发使能调节控制端口、幅度调制控制端口和光强调制控制端口进行控制；

经典光激光器的输出信号从经典光探测器的左侧输入到经典光探测器，经典光探测器将探测输出至高速电压比较器，通过高速电压比较器进行甄别输出。

本发明的经典光激光器的驱动端采用调制放大加有源偏置单片微波放大器的方案，前级调制放大采用传输速率4.25Gbps的驱动芯片，该芯片带有触发使能、幅度调制以及光强调制的功能，后级采用最高带宽6GHz的InGaP/GaAs HBT MMIC(磷化镓铟异结双极晶体管单片微波放大器)，最大增益可达20dB，50Ω标准输出阻抗，实现了源端阻抗匹配。

经典信号的探测甄别端，采用InGaAs/InP雪崩光电二极管、低噪声前置互阻放大器和滞回电压比较器的方案，比较器使用带宽8GHz高速电压比较器，利用滞回比较器的滞回特性保证了它的抗干扰能力。

经典光信号从左侧端口输入，经过两级放大之后驱动经典光激光器。第一级是高速调制放大器，调制放大器有三个控制端口：触发使能调节、幅度调制和光强调制，三个端口均采用一款温漂系数为5ppm/℃的精密数模转换器控制。调制放大器有两路输出，一路经过调制放大输出到第二级有源偏置单片微波放大器中，它采用磷化镓铟异结双极晶体管构成，禁带宽度宽，电子渡越时间短，最高工作频率高达6GHz、最大功耗只有0.55W、在-20℃-80℃都可以正常工作。放大器内部采用达林顿结构输出，输出能力强增益高，1dB压缩极点最大输出功率可达20dBM。芯片内部已经匹配好50Ω标准输出阻抗，即使激光器终端等效阻抗不是50Ω，源端也可以很好吸收来自终端的反射信号保证信号完整性。经过第二级放大之后输出到经典光激光器。调制放大器另一路输出偏置电流调节经典光激光器光强。

在QKD系统中经典光信号和其它信号采用分时复用的方法，需要对经典光激光器进行使能控制，CPU可通过写数据的方式控制数模转换器，当触发使能管脚拉低时，调制放大器开启输出经典光激光器正常发光，反之，不发光。

经典光信号是0和1的随机码型，需要通过光电采样示波器观察经典光信号的眼图质量，当眼图失真造成在经典光信号的接收端出现较大误码时，CPU可通过写数据的方式控制模数转换器继而对经典光激光器进行幅度调制以改善眼图质量降低误码。

在远距离传输中，由于信道衰减会造成经典光光强减弱，导致到达接收端光强太弱无法正常探测甄别，CPU可通过写数据的方式控制数模转换器控制调制放大器的光强调节管脚来改变输出偏置电流，达到改变经典光光强的目的。

经典光激光器的输出信号从左侧输入到经典光探测器，探测输出后进入高速电压比较器甄别输出。

经典光探测器工作带宽为2.5Gb/s，内置一个InGaAs/InP雪崩光电二极管(以下简称APD)和一个低噪声前置互阻放大器，APD工作在反向偏压状态，当有光子入射时，APD产生光生电流经过互阻放大器放大输出。高速电压比较器等效最高输入带宽高达8GHz，甄别输出信号抖动只有200fs保证了输出信号精度，经典光信号在信道传输中当出现反射或者有噪声串扰时会影响信号甄别，通过调节滞回电压可以提高比较器的抗干扰能力。

本发明的经典光激光器的光强调节：远距离传输信道衰减加大，到达接收端光强减弱，需要根据信道衰减实时调节激光器光强大小。

总之，本发明的有益效果为：

1、经典信号的高速调制放大：调制放大器需要具备很高的模拟带宽，保证经典信号不会失真，同时能够实现实时调制经典信号的增益以提高输出眼图质量降低接收端误码水平。

2、为经典光激光器提供本底电流：由于激光器发光的物理过程即在等待触发到完成触发之间有个过渡时间，当某一时刻关闭经典信号同时又不给经典光激光器提供本底电流时，在下一时刻开启经典信号时由于激光器触发需要过渡时间，这样就会导致丢失一部分经典信号丢失造成误码升高。

3、保证输出信号的阻抗匹配：经典信号的传输速率为1.25Gbps，如果终端负载不是标准的50Ω阻抗就会出现信号反射失真，激光器不是一个纯阻性负载，它的阻抗特性随触发信号频率、幅度呈非线性变化，无法对激光器进行终端阻抗匹配，这就需要在源端实现标准50Ω阻抗匹配。

附图说明

图1为驱动端的结构示意图；

图2为探测甄别端的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

参见图1，本单纤量子密钥分配系统中经典信号的驱动与探测甄别系统，包括驱动端和甄别端；驱动端包括高速调制放大器、数模转换器、经典光激光器、有源微波集成放大器；高速调制放大器有触发使能调节控制端口、幅度调制控制端口和光强调制控制端口；触发使能调节控制端口、幅度调制控制端口和光强调制控制端口分别与数模转换器连接；数模转换器用于对触发使能调节控制端口、幅度调制控制端口和光强调制控制端口进行控制；高速调制放大器有用于输入经典信号的经典信号输入端；高速调制放大器有偏置电流输出端口和调制放大输出端口；偏置电流输出端口与经典光激光器连接，用于输出偏置电流以调节经典光激光器光强；调制放大输出端口与有源微波集成放大器连接，用于输出调制放大输出信号给有源微波集成放大器；有源微波集成放大器用于对调制放大输出信号进行第二级放大并输出到经典光激光器；

参见图2，探测甄别端包括经典光探测器和高速电压比较器；经典光探测器输入端与经典光激光器的输出端连接，经典光探测器输出端与高速电压比较器的输入端连接；经典光激光器的输出信号输入到经典光探测器，经典光探测器的探测输出信号输入高速电压比较器，高速电压比较器用于对探测输出信号进行甄别输出。

实施例2

参见图1和图2，本单纤量子密钥分配系统中经典信号的驱动与探测甄别方法，包括以下步骤：

经典光信号从高速调制放大器左侧端口输入，通过高速调制放大器对经典光信号进行一级放大；高速调制放大器有两路输出，一路经过调制放大输出到第有源微波集成放大器中，经过有源微波集成放大器的第二级放大之后输出到经典光激光器；高速调制放大器另一路输出偏置电流，以调节经典光激光器光强；

通过数模转换器控制对高速调制放大器触发使能调节控制端口、幅度调制控制端口和光强调制控制端口进行控制；

经典光激光器的输出信号从经典光探测器的左侧输入到经典光探测器，经典光探测器将探测输出至高速电压比较器，通过高速电压比较器进行甄别输出。

Claims (2)

1.单纤量子密钥分配系统中经典信号的驱动与探测甄别系统，包括驱动端和甄别端；其特征在于：

驱动端包括高速调制放大器、数模转换器、经典光激光器、有源微波集成放大器；

高速调制放大器有触发使能调节控制端口、幅度调制控制端口和光强调制控制端口；触发使能调节控制端口、幅度调制控制端口和光强调制控制端口分别与数模转换器连接；数模转换器用于对触发使能调节控制端口、幅度调制控制端口和光强调制控制端口进行控制，高速调制放大器有用于输入经典信号的经典信号输入端；

高速调制放大器有偏置电流输出端口和调制放大输出端口；偏置电流输出端口与经典光激光器连接，用于输出偏置电流以调节经典光激光器光强；

调制放大输出端口与有源微波集成放大器连接，用于输出调制放大输出信号给有源微波集成放大器；有源微波集成放大器用于对调制放大输出信号进行第二级放大并输出到经典光激光器；

探测甄别端包括经典光探测器和高速电压比较器；

经典光探测器输入端与经典光激光器的输出端连接，经典光探测器输出端与高速电压比较器的输入端连接；经典光激光器的输出信号输入到经典光探测器，经典光探测器的探测输出信号输入高速电压比较器，高速电压比较器用于对探测输出信号进行甄别输出。

2.单纤量子密钥分配系统中经典信号的驱动与探测甄别方法，其特征在于包括以下步骤：

经典光信号从高速调制放大器左侧端口输入，通过高速调制放大器对经典光信号进行一级放大；高速调制放大器有两路输出，一路经过调制放大输出到有源微波集成放大器中，经过有源微波集成放大器的第二级放大之后输出到经典光激光器；高速调制放大器另一路输出偏置电流，以调节经典光激光器光强；

通过数模转换器控制对高速调制放大器触发使能调节控制端口、幅度调制控制端口和光强调制控制端口进行控制；

经典光激光器的输出信号从经典光探测器的左侧输入到经典光探测器，经典光探测器将探测输出至高速电压比较器，通过高速电压比较器进行甄别输出。