CN107425920B - 一种高速四电平量子相位调制驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速四电平量子相位调制驱动系统，包括随机信号发生器、第一压控增益放大器、第二压控增益放大器、第一电压控制电路、第二电压控制电路、宽带电阻网络、功率放大器、Bias‑Tee电路和光学相位调制器。随机信号发生器分别与第一压控增益放大器和第二压控增益放大器连接，第一压控增益放大器和第二压控增益放大器均与宽带电阻网络连接，宽带电阻网络与功率放大器连接，功率放大器与Bias‑Tee电路连接，Bias‑Tee电路与光学相位调制器连接；本发明解决了高速方波信号放大波形失真问题、以及高电平保持平坦时间短的问题，从电子学产生四电平信号驱动PM产生四相位激光，从而减少光学器件。

Description

一种高速四电平量子相位调制驱动系统

技术领域

本发明属于量子激光相位调制领域，具体涉及一种高速四电平量子相位调制驱动系统。

背景技术

随着通信技术的发展，特别是在保密通信领域需求增加。在理论上具有绝对安全性的量子保密通信的优越性越来越受到重视。量子密钥分配系统的工作速率是决定其密钥生成率的重要因素，更高的密钥生成速率意味着可以为更广泛的应用提供安全保障。因此，提高量子密钥分配系统的工作速率具有重要的意义。在普通的单模光纤中，由于光纤固有存在的双折射效应会改变光子的偏振态，因此多采用相位编码方案。

如何实现量子信号的随机高速编码和解码是实现高速QKD 系统的关键技术之一。对于高速相位调制系统来说，现有技术通常采用两电平加运算放大器放大驱动光学相位调制器，再通过光学进行叠加产生四相位量子光，经典两电平模式，需要两路驱动放大，同时需要两个光学相位调制器；同时光学进行两路信号叠加，才能产生四相位量子光，因此电路复杂、体积大、成本高；因为方波信号正好是奇谐对称信号，因此通过其傅里叶正弦级数得到：1G的方波信号包含1GHz、3GHz、5GHz……频率分量；运算放大器无法提供如此宽带频率响应，所以导致信号失真，信号无法保持足够长时间的稳定，系统无法正常工作。

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高速四电平量子相位调制驱动系统，本高速四电平量子相位调制驱动系统解决了高于1Gbps高速方波信号放大波形失真问题、以及高电平保持平坦时间短的问题，从电子学产生四电平信号驱动PM产生四相位激光，从而减少光学器件。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种高速四电平量子相位调制驱动系统，包括随机信号发生器、第一压控增益放大器、第二压控增益放大器、第一电压控制电路、第二电压控制电路、宽带电阻网络、功率放大器、Bias-Tee电路和光学相位调制器，所述随机信号发生器分别与第一压控增益放大器和第二压控增益放大器连接，所述第一压控增益放大器和第二压控增益放大器均与宽带电阻网络连接，所述宽带电阻网络与功率放大器连接，所述功率放大器与Bias-Tee电路连接，所述Bias-Tee电路与光学相位调制器连接，所述第一电压控制电路与第一压控增益放大器连接，所述第二电压控制电路与第二压控增益放大器连接；

所述随机信号发生器用于产生两路随机信号；所述第一压控增益放大器用于根据第一电压控制电路的控制电压对随机信号发生器产生的一路随机信号进行增益控制并产生一路驱动信号；所述第二压控增益放大器用于根据第二电压控制电路的控制电压对随机信号发生器产生的另一路随机信号进行增益控制并产生另一路驱动信号；所述宽带电阻网络用于接收第一压控增益放大器和第二压控增益放大器产生的驱动信号并将两路驱动信号进行叠加从而产生四电平信号；所述功率放大器用于对四电平信号进行放大从而产生用于对光学相位调制器进行驱动的四电平驱动信号；所述Bias-Tee电路用于对功率放大器的输出端进行宽带匹配供电，所述光学相位调制器用于接收四电平驱动信号并对输入光量子进行相位调制。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述宽带电阻网络包括电阻R1、电阻R2和电阻R3，所述电阻R1的一端与第一压控增益放大器连接，所述电阻R2的一端与第二压控增益放大器连接，所述电阻R3的一端分别与所述电阻R1的另一端和电阻R2的另一端连接，所述电阻R3的另一端与功率放大器连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，还包括宽带电容，所述宽带电容包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5，所述随机信号发生器通过电容C1与第一压控增益放大器连接，所述第一压控增益放大器通过电容C2与电阻R1的一端连接，所述随机信号发生器通过电容C3与第二压控增益放大器连接，所述第二压控增益放大器通过电容C4与电阻R2的一端连接，所述电阻R3的一端通过电容C5与功率放大器连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一压控增益放大器根据第一电压控制电路的控制电压对一路随机信号进行增益控制并产生一路驱动信号的幅度是所述第二压控增益放大器根据第二电压控制电路的控制电压对另一路随机信号进行增益控制并产生另一路驱动信号的幅度的1倍。

作为本发明进一步改进的技术方案，还包括电源转换电路和上电时序控制电路，所述电源转换电路和上电时序控制电路连接，所述上电时序控制电路分别与第一压控增益放大器、第二压控增益放大器和功率放大器连接。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明能通过随机信号发生器调节输入延迟随机信号，从而使产生的两路随机信号可以实现同步，使信号通过宽带电阻网络实现更好的叠加；最后通过功率放大器驱动输出足够幅度的PM调制控制信号，其中Bias-Tee电路实现宽带匹配供电，宽带电容将直流信号隔离，最终输出完整的四电平驱动信号驱动光学相位调制器，本发明只需要一个功率放大器和一个光学相位调制器，克服了现有技术采用的两路驱动放大和两个光学相位调制器的两电平电路复杂、光学体积难度大的的缺陷，本发明具有方波信号完整性，以及对随机频率信号的兼容的优点。本发明采用宽带匹配设计，能够满足几十KHz到几GHz，带内平坦度4dB。系统设计为50阻抗；本发明的宽带电阻网络，使信号叠加不失真；本发明采用宽带电阻网络和功率放大器解决了现有技术中运算放大器高频信号失真和采用高频放大器低频几十KHz信号失真问题；本发明能由几百mV信号放到至几千mV的大信号。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图。

图2为本发明的整体电路结构示意图。

具体实施方式

下面根据图1和图2对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

参见图1和图2，本发明提供一种高速四电平量子相位调制驱动系统，包括随机信号发生器、第一压控增益放大器VGA1、第二压控增益放大器VGA2、第一电压控制电路、第二电压控制电路、宽带电阻网络、功率放大器PA、Bias-Tee电路和光学相位调制器PM，所述随机信号发生器分别与第一压控增益放大器VGA1和第二压控增益放大器VGA2连接，所述第一压控增益放大器VGA1和第二压控增益放大器VGA2均与宽带电阻网络连接，所述宽带电阻网络与功率放大器PA连接，所述功率放大器PA与Bias-Tee电路连接，所述Bias-Tee电路与光学相位调制器PM连接，所述第一电压控制电路与第一压控增益放大器VGA1连接，所述第二电压控制电路与第二压控增益放大器VGA2连接；所述随机信号发生器用于产生两路随机信号；所述第一压控增益放大器VGA1用于根据第一电压控制电路的控制电压对随机信号发生器产生的一路随机信号进行增益控制并产生一路驱动信号；所述第二压控增益放大器VGA2用于根据第二电压控制电路的控制电压对随机信号发生器产生的另一路随机信号进行增益控制并产生另一路驱动信号；所述宽带电阻网络用于接收第一压控增益放大器VGA1和第二压控增益放大器VGA2产生的驱动信号并将两路驱动信号进行叠加从而产生四电平信号；所述功率放大器PA用于对四电平信号进行放大从而产生用于对光学相位调制器PM进行驱动的四电平驱动信号；所述Bias-Tee电路用于对功率放大器PA的输出端进行宽带匹配供电，所述光学相位调制器PM用于接收四电平驱动信号并对输入光量子进行相位调制。

所述宽带电阻网络包括电阻R1、电阻R2和电阻R3，所述电阻R1的一端与第一压控增益放大器VGA1连接，所述电阻R2的一端与第二压控增益放大器VGA2连接，所述电阻R3的一端分别与所述电阻R1的另一端和电阻R2的另一端连接，所述电阻R3的另一端与功率放大器PA连接。

本发明还包括宽带电容，所述宽带电容包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5，所述随机信号发生器通过电容C1与第一压控增益放大器VGA1连接，所述第一压控增益放大器VGA1通过电容C2与电阻R1的一端连接，所述随机信号发生器通过电容C3与第二压控增益放大器VGA2连接，所述第二压控增益放大器VGA2通过电容C4与电阻R2的一端连接，所述电阻R3的一端通过电容C5与功率放大器PA连接。

所述第一压控增益放大器VGA1根据第一电压控制电路的控制电压对一路随机信号进行增益控制并产生一路驱动信号的幅度是所述第二压控增益放大器VGA2根据第二电压控制电路的控制电压对另一路随机信号进行增益控制并产生另一路驱动信号的幅度的1倍。

本发明还包括电源转换电路和上电时序控制电路，所述电源转换电路和上电时序控制电路连接，所述上电时序控制电路分别与第一压控增益放大器VGA1、第二压控增益放大器VGA2和功率放大器PA连接。其中电源转换电路和上电时序控制电路对第一压控增益放大器VGA1、第二压控增益放大器VGA2和功率放大器PA进行供电。所述电源转换电路用于将供电电源的电压转换为功率放大器PA所需要的电压，上电时序控制电路用于对功率放大器PA实现上电和断电的时序控制。

本发明使用时，首先，随机信号发生器产生两路随机信号，两路随机信号的电压相等，第一路随机信号通过依次通过IN1路：电容C1、第一压控增益放大器VGA1、电容C2和电阻R1，第一压控增益放大器VGA1对第一路随机信号进行增益，第一电压控制电路与第一压控增益放大器VGA1的控制端口连接，第一电压控制电路输入增益控制电压产生控制信号，控制信号对第一压控增益放大器VGA1进行控制，从而使第一压控增益放大器VGA1对第一路随机信号进行增益控制；第二路随机信号依次通过电容C3、第二压控增益放大器VGA2、电容C4和电阻R2；IN2路：第二压控增益放大器VGA2对第二路随机信号进行增益控制，第二电压控制电路与第二压控增益放大器VGA2的控制端口连接，第二电压控制电路输入增益控制电压产生控制信号，控制信号对第二压控增益放大器VGA2进行控制，从而使第二压控增益放大器VGA2对第二路随机信号进行增益控制，第一压控增益放大器VGA1进行增益控制后产生的一路驱动信号的幅度是第二压控增益放大器VGA2进行增益控制后产生另一路驱动信号的幅度的1倍；本发明使用矢网测试通过调节第一电压控制电路和第二电压控制电路去分别控制第一压控增益放大器VGA1和第二压控增益放大器VGA2测试宽带动态范围，能够满足理论设计需求。高速随机信号经过增益控制后，再通过宽带电阻网络将两路高速随机信号叠加从而产生0、1/2、1、3/2 四种电平信号，四种电平信号再经过功率放大器PA放大，Bias-Tee电路宽带匹配供电，最终驱动光学相位调制器PM得到四相位调制，光学相位调制器PM对输入光量子进行相位调制；其中宽带电容用于隔直通交。

本发明能通过调节随机信号发生器输入延迟的随机信号，从而使产生的两路随机信号可以实现同步，使信号通过宽带电阻网络实现更好的叠加；最后通过功率放大器PA驱动输出足够幅度的PM调制控制信号，其中Bias-Tee电路实现宽带匹配供电，宽带电容将直流信号隔离，最终输出完整的四电平驱动信号驱动光学相位调制器PM，本发明只需要一个功率放大器PA和一个光学相位调制器PM，克服了现有技术采用的两路驱动放大和两个光学相位调制器PM的两电平电路复杂、光学体积难度大的的缺陷，本发明具有方波信号完整性，以及对随机频率信号的兼容的优点。本发明采用宽带匹配设计（本发明中VGA1、VGA2 和PA均为宽带设计），能够满足60KHz-6GHz，带内平坦度4dB，系统设计为50阻抗；板材采用罗杰斯、电路传输线经过仿真计算得出、传输线电容均做相关实验测试保持通频带内特性；本发明的宽带电阻网络，使信号叠加不失真，本发明解决了采用运算放大器高频信号失真和采用高频放大器低频几十KHz信号失真问题；本发明能由几百mV信号放到至几千mV 大信号；本发明的优势：通过电信号叠加产生四电平信号，减少功放数量，同时光学无需再次叠加，降低光学难度和体积；本发明中的电路均采用贴片元件便于系统集成，工艺难度低。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高速四电平量子相位调制驱动系统，其特征在于：包括随机信号发生器、第一压控增益放大器、第二压控增益放大器、第一电压控制电路、第二电压控制电路、宽带电阻网络、功率放大器、Bias-Tee电路和光学相位调制器，所述随机信号发生器分别与第一压控增益放大器和第二压控增益放大器连接，所述第一压控增益放大器和第二压控增益放大器均与宽带电阻网络连接，所述宽带电阻网络与功率放大器连接，所述功率放大器与Bias-Tee电路连接，所述Bias-Tee电路与光学相位调制器连接，所述第一电压控制电路与第一压控增益放大器连接，所述第二电压控制电路与第二压控增益放大器连接；

所述随机信号发生器用于产生两路随机信号；所述第一压控增益放大器用于根据第一电压控制电路的控制电压对随机信号发生器产生的一路随机信号进行增益控制并产生一路驱动信号；所述第二压控增益放大器用于根据第二电压控制电路的控制电压对随机信号发生器产生的另一路随机信号进行增益控制并产生另一路驱动信号；所述宽带电阻网络用于接收第一压控增益放大器和第二压控增益放大器产生的驱动信号并将两路驱动信号进行叠加从而产生四电平信号；所述功率放大器用于对四电平信号进行放大从而产生用于对光学相位调制器进行驱动的四电平驱动信号；所述Bias-Tee电路用于对功率放大器的输出端进行宽带匹配供电，所述光学相位调制器用于接收四电平驱动信号并对输入光量子进行相位调制。

2.根据权利要求1所述的高速四电平量子相位调制驱动系统，其特征在于：所述宽带电阻网络包括电阻R1、电阻R2和电阻R3，所述电阻R1的一端与第一压控增益放大器连接，所述电阻R2的一端与第二压控增益放大器连接，所述电阻R3的一端分别与所述电阻R1的另一端和电阻R2的另一端连接，所述电阻R3的另一端与功率放大器连接。

3.根据权利要求2所述的高速四电平量子相位调制驱动系统，其特征在于：还包括宽带电容，所述宽带电容包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5，所述随机信号发生器通过电容C1与第一压控增益放大器连接，所述第一压控增益放大器通过电容C2与电阻R1的一端连接，所述随机信号发生器通过电容C3与第二压控增益放大器连接，所述第二压控增益放大器通过电容C4与电阻R2的一端连接，所述电阻R3的一端通过电容C5与功率放大器连接。

4.根据权利要求1所述的高速四电平量子相位调制驱动系统，其特征在于：所述第一压控增益放大器根据第一电压控制电路的控制电压对一路随机信号进行增益控制并产生一路驱动信号的幅度是所述第二压控增益放大器根据第二电压控制电路的控制电压对另一路随机信号进行增益控制并产生另一路驱动信号的幅度的1倍。

5.根据权利要求1所述的高速四电平量子相位调制驱动系统，其特征在于：还包括电源转换电路和上电时序控制电路，所述电源转换电路和上电时序控制电路连接，所述上电时序控制电路分别与第一压控增益放大器、第二压控增益放大器和功率放大器连接。