CN107634804B - 量子通信中的高消光比脉冲激光控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种量子通信中的高消光比脉冲激光控制系统及其控制方法，该系统包括同步时钟源部分、延时和放大电路部分和反馈稳压电路部分，其中同步时钟源部分产生一路占空比可调的方波调制信号和一路占空比为50％的同步信号，其中占空比可调的方波调制信号用于激光器的直接调制，同步信号用于电光强度调制器模块的外调。本发明既能提供高消光比的符合连续变量量子通信的脉冲激光源，又经济可靠，简单易行。

Description

量子通信中的高消光比脉冲激光控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种高消光比脉冲激光控制系统及其控制方法，具体地，涉及一种量子通信中的高消光比脉冲激光控制系统及其控制方法。

背景技术

随着计算机信息技术的快速发展以及密码破译手段、病毒多方式入侵等日趋严峻性，信息技术对信息安全的要求日益增加。近些年来，由于量子物理具有的不确定性原理和不可克隆性等特性，利用量子来进行密钥分发引起了研究人员的广泛关注。

量子密钥分发技术主要包括离散变量量子密钥分发和连续变量量子密钥分发。离散变量量子密钥分发研究起步较早也较为成熟。连续变量量子密钥分发起步较晚但相对于离散变量量子密钥分发来讲，它的密钥率更高。连续变量量子密钥分发协议一般采用量子光和本振光的时分复用、偏分复用，在接收端利用本振和量子光产生相干干涉，并通过检测器输出电信号进行检测。在连续变量量子密钥分发中，脉冲激光器的输出至关重要，量子光和本振光的隔离度要尽量的大，一般要达到60-80db，而且脉冲激光的占空比要可调，一般在10％-30％之间，这样才能保证量子光和本振光在光纤链路上进行可靠的偏分复用、时分复用，以达到良好的传输效果。传统的脉冲激光器输出的脉冲激光隔离度不够大，一般在30db左右，而纯粹的外调制则先使用

连续光激光器产生连续光，再通过多个外调制器切脉冲产生脉冲激光，方案复杂且成本高昂。相比之下，本发明既能提供高消光比的符合连续变量量子通信的脉冲激光源，又经济可靠，简单易行，为高消光比的脉冲激光器提供了一种新的思路。

发明内容

针对现在的脉冲激光器的消光比低，以及部分外调制脉冲激光器产生方案复杂且成本高昂的缺陷，本发明提供了一种量子通信中的高消光比脉冲激光控制系统及其控制方法。

根据本发明的一个方面，提供一种量子通信中的高消光比脉冲激光控制系统，其特征在于，包括：

同步时钟源模块，产生一路占空比可调的方波调制信号，经过去抖模块对时钟进行去抖处理，提高时钟输出的质量，然后经过时钟分发模块产生两路频率相同、占空比相同、相位相同的脉冲时钟信号；其中一路脉冲时钟信号经过激光器驱动电路模块用于激光器的直接调制，另一路脉冲时钟信号经过延时电路模块、RF放大电路模块用于电光强度调制器模块的外调制；

激光器驱动电路模块，是将脉冲调制信号放大至恒流脉冲信号以驱动激光器模块，实现激光器输出的脉冲激光信号光功率稳定；

延时电路模块，是使得作用于电光强度调制器模块的外调制信号同步调制经过电光强度调制器模块的激光脉冲信号；延时电路模块计算时钟分发部分输出时钟信号到激光器输出脉冲激光到达电光强度调制器模块的延时时间，再计算时钟分发部分输出时钟信号到达电光强度调制器模块的延时时间；

时钟分发模块，将同步时钟源部分输出的占空比可调脉冲信号，分发为两路频率、相同、占空比相同、相位相同的脉冲信号，一路接入激光器驱动电路直接调制激光器，另一路接入延时电路模块；

RF放大电路模块，是将脉冲调制信号放大至电光强度调制器模块的半波电压；

半导体制冷模块，根据激光器的参数，设置激光器工作的最优温度；

电光强度调制器模块，通过控制电光强度调制器模块的外调制信号，使其在激光脉冲通过时，同步调制电光强度调制器模块，直接调制消光比与电光强度调制器模块消光比累计可实现高达60～80dB消光比的脉冲激光信号，满足量子通信中时分偏振复用对于本振光与量子光的隔离要求；

反馈控制电路模块，通过分束器监控脉冲激光器的输出，并通过反馈控制算法将反馈量加载在偏置稳定模块上，通过偏置稳定模块输出可调的偏置电压，使得脉冲激光器可以稳定的输出；

电源模块，用于给系统里的各模块提供高精度、低纹波的直流电源；

人机交互模块，用于提供人机界面，实时反馈系统工作状态或根据需要动态调整脉冲激光器的相关参数；

偏置稳定模块，电光强度调制器模块的偏置点受温度影响会有飘移，电光强度调制器模块的正常工作需要实时跟踪偏置点的变化，电光强度调制器模块的输出激光信号经过99：1的光分束器，99％分支激光输出作为整个高消光比脉冲激光器的输出，1％的分支激光输出接入偏置稳定模块，偏置稳定模块监控脉冲激光器的输出并通过反馈控制算法将反馈量加载在电光强度调制器模块的偏置稳定模块上，实时跟踪电光强度调制器模块的偏置点，使得脉冲激光器稳定的输出。

优选地，所述激光器驱动电路模块与RF放大电路模块是将激光器直接调制信号与电光强度调制器模块外调制信号进行放大以便匹配激光器和电光强度调制器模块，而延时电路模块则使得电光强度调制器模块的外调制信号同步调制经过电光强度调制器模块的激光脉冲信号，这样脉冲激光信号经过直接方波调制后，再经过同步的外调制，产生高消光比的脉冲激光。

优选地，所述半导体制冷模块是保证激光器模块工作在恒定温度条件下，避免温度变化引起的激光发光功率变化。

本发明还提供一种量子通信中的高消光比脉冲激光控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，通过同步时钟源模块及时钟分发模块产生两路频率一致，相位相同，占空比相同的同步时钟源；

步骤二，激光器驱动电路模块与RF放大电路模块是将激光器直接调制信号与电光强度调制器模块外调制信号进行放大以便匹配激光器和电光强度调制器模块，而延时电路模块则使得电光强度调制器模块的外调制信号同步调制经过电光强度调制器的激光脉冲信号，这样脉冲激光信号经过直接方波调制后，再经过同步的外调制，产生高消光比的脉冲激光；

步骤三，半导体制冷器保证激光器工作在恒定的温度条件下，保证激光器稳定的输出；

步骤四，电源模块用于给系统里的各模块提供高精度、低纹波的直流电源，使得系统可以产生高质量的激光信号；

步骤五，人机交互模块用于提供人机界面，既可以实时反馈系统工作状态，也可以根据需要动态调整脉冲激光器的相关参数；

步骤六，反馈控制模块通过分束器监控脉冲激光器的输出，并通过反馈控制算法将反馈量加载在偏置稳定模块上，通过偏置稳定模块输出可调的偏置电压，使得脉冲激光器可以稳定的输出。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明既能提供高消光比的符合连续变量量子通信的脉冲激光源，又经济可靠，简单易行，为高消光比的脉冲激光器提供了一种新的思路。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明量子通信中的高消光比脉冲激光控制系统的原理框图。

图2为同步时钟源模块的原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明量子通信中的高消光比脉冲激光控制系统包括：

同步时钟源模块，产生一路占空比可调的方波调制信号，经过去抖模块对时钟进行去抖处理，提高时钟输出的质量，然后经过时钟分发模块产生两路频率相同、占空比相同、相位相同的脉冲时钟信号；其中一路脉冲时钟信号经过激光器驱动电路模块用于激光器的直接调制，另一路脉冲时钟信号经过延时电路模块、RF放大电路模块用于电光强度调制器模块的外调制。其中时钟源占空比可调，一般在10％-30％之间，这样产生的激光脉冲用于时分复用的连续变量量子通信，保证经过时分复用后的相干结果。同步时钟源模块如图2所示，由TCXO(温度补偿晶体振荡器)产生高精度的时钟信号输入高性能PLL(锁相环)，通过PLL产生所需频率的高精度低抖动的50％占空比的时钟信号。50％占空的时钟信号送入占空比调节电路输出10～30％占空比可调的脉冲信号；

激光器驱动电路模块，是将脉冲调制信号放大至恒流脉冲信号以驱动激光器模块，实现激光器输出的脉冲激光信号光功率稳定。激光器驱动电路模块驱动激光器产生约30dB消光的比的脉冲激光信号，另窄线宽激光器可实现线宽为KHz量级输出的激光信号，满足相干光干涉的要求。激光器驱动电路模块将时钟分发部分输出的小幅度脉冲信号接入激光器驱动电路的差分恒流源，在脉冲到来时打开第一通路1，恒定电流经过激光器产生恒定的光功率输出，在非脉冲时打开第二通路2以稳定恒流源。

延时电路模块，是使得作用于电光强度调制器模块的外调制信号同步调制经过电光强度调制器模块的激光脉冲信号；延时电路模块计算时钟分发部分输出时钟信号到激光器输出脉冲激光到达电光强度调制器模块的延时时间(包括时钟传输延时、激光器驱动电路延时、电光延迟等)，再计算时钟分发部分输出时钟信号到达电光强度调制器模块的延时时间(包括时钟传输延时、放大电路延时、电光延时等)。两者差值通过调节延时电路模块的延时时间实现两路传输时间完全一致。当电光强度调制器模块的外调制信号同步调制到输入电光强度调制器模块的激光脉冲时，即可实现60～80dB高消光比的脉冲激光输出。

时钟分发模块，将同步时钟源部分输出的占空比可调脉冲信号，分发为两路频率、相同、占空比相同、相位相同的脉冲信号，一路接入激光器驱动电路直接调制激光器，另一路接入延时电路模块。

RF放大电路模块，是将脉冲调制信号放大至电光强度调制器模块的半波电压；延时电路模块输出的脉冲调制信号幅度较小，无法达到电光强度调制器模块的半波电压。需要将脉冲调制信号接入RF放大电路模块放大到5～8V以驱动电光强度调制器模块。通过阻抗匹配，可实现脉冲调制信号的无失真放大。

半导体制冷模块，根据激光器的参数，设置激光器工作的最优温度。半导体制冷器通过测量激光器内部的热敏器件获取激光器的内部温度，计算与设置温度的误差，调节流过激光器的制冷电流控制激光器的工作在最优温度条件下；而半导体制冷模块是保证激光器模块工作在恒定温度条件下，避免温度变化引起的激光发光功率变化。

电光强度调制器模块，相比传统的激光器直接调制可获得更高的消光比，可达40dB以上；通过控制电光强度调制器模块的外调制信号，使其在激光脉冲通过时，同步调制电光强度调制器模块，直接调制消光比与电光强度调制器模块消光比累计可实现高达60～80dB消光比的脉冲激光信号，可满足量子通信中时分偏振复用对于本振光与量子光的隔离要求。

反馈控制电路模块，通过分束器监控脉冲激光器的输出，并通过反馈控制算法将反馈量加载在偏置稳定模块上，通过偏置稳定模块输出可调的偏置电压，使得脉冲激光器可以稳定的输出；

电源模块，用于给系统里的各模块提供高精度、低纹波的直流电源，使得系统可以产生高质量的激光信号；

人机交互模块，用于提供人机界面，实时反馈系统工作状态或根据需要动态调整脉冲激光器的相关参数；

偏置稳定模块，电光强度调制器模块的偏置点受温度影响会有飘移，电光强度调制器模块的正常工作需要实时跟踪偏置点的变化，电光强度调制器模块的输出激光信号经过99：1的光分束器，99％分支激光输出作为整个高消光比脉冲激光器的输出，1％的分支激光输出接入偏置稳定模块，偏置稳定模块监控脉冲激光器的输出并通过反馈控制算法将反馈量加载在电光强度调制器模块的偏置稳定模块上，实时跟踪电光强度调制器模块的偏置点，使得脉冲激光器稳定的输出。

本发明量子通信中的高消光比脉冲激光控制系统的控制方法包括以下步骤：

步骤一，通过同步时钟源模块及时钟分发模块产生两路频率一致，相位相同，占空比相同的同步时钟源。其中时种源占空比可调，一般在10％-30％之间，这样产生的激光脉冲用于时分复用的连续变量量子通信，保证经过时分复用后的相干结果

步骤二，激光器驱动电路模块与RF放大电路模块是将激光器直接调制信号与电光强度调制器模块外调制信号进行放大以便匹配激光器和电光强度调制器模块，而延时电路模块则使得电光强度调制器模块的外调制信号同步调制经过电光强度调制器模块的激光脉冲信号，这样脉冲激光信号经过直接方波调制后，再经过同步的外调制，产生高消光比的脉冲激光。

步骤三，半导体制冷器保证激光器工作在恒定的温度条件下，保证激光器稳定的输出。

步骤四，电源模块用于给系统里的各模块提供高精度、低纹波的直流电源，使得系统可以产生高质量的激光信号。

步骤五，人机交互模块用于提供人机界面，既可以实时反馈系统工作状态，也可以根据需要动态调整脉冲激光器的相关参数。

步骤六，反馈控制电路模块通过分束器监控脉冲激光器的输出，并通过反馈控制算法将反馈量加载在偏置稳定模块上，通过偏置稳定模块输出可调的偏置电压，使得脉冲激光器可以稳定的输出。

本发明产生两路频率相同、占空比相同、相位差可调的脉冲信号，一路用来触发激光器产生脉冲激光信号，该激光信号消光比和普通脉冲激光器相当大概在30dB；另一路脉冲信号通过精确延时处理，再经过放大电路调制到外电光强度调制器模块上，对上述脉冲激光器再进行二次调制，通过二次调制，可以获得60-80db消光比的脉冲激光信号。最后，为了获得稳定的输出，通过反馈稳压电路经过分束器监控脉冲激光器的输出，并通过反馈控制算法将反馈量加载在电光强度调制器模块的偏置电压上，使得脉冲激光器可以稳定的输出。

本发明采用直接调制与外调制相结合的方式，通过严格控制两路调制信号的同步实现高达60～80dB消光比的脉冲激光输出。60～80dB的消光比可满足连续变量量子通信光路中偏振时分复用部分对本振光与量子光的隔离要求。而纯粹的外调制则先使用连续光激光器产生连续光，再通过多个外调制器切脉冲产生脉冲激光，方案复杂且成本高昂。而传统的直接调制方式只能产生约30db的消光比的脉冲激光，又不能满足连续变量量子通信光路中对激光器的要求。相比这两种方式，本发明既能提供高消光比的符合连续变量量子通信的脉冲激光源，又经济可靠，简单易行，为高消光比的脉冲激光器提供了一种新的思路。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种量子通信中的高消光比脉冲激光控制系统，其特征在于，包括：

同步时钟源模块，产生一路占空比可调的方波调制信号，经过去抖模块对时钟进行去抖处理，提高时钟输出的质量，然后经过时钟分发模块产生两路频率相同、占空比相同、相位相同的脉冲时钟信号；其中一路脉冲时钟信号经过激光器驱动电路模块用于激光器的直接调制，另一路脉冲时钟信号经过延时电路模块、RF放大电路模块用于电光强度调制器模块的外调制；

激光器驱动电路模块，是将脉冲调制信号放大至恒流脉冲信号以驱动激光器模块，实现激光器输出的脉冲激光信号光功率稳定；

延时电路模块，是使得作用于电光强度调制器模块的外调制信号同步调制经过电光强度调制器模块的激光脉冲信号；延时电路模块计算时钟分发部分输出时钟信号到激光器输出脉冲激光到达电光强度调制器模块的延时时间，再计算时钟分发部分输出时钟信号到达电光强度调制器模块的延时时间；

时钟分发模块，将同步时钟源部分输出的占空比可调脉冲信号，分发为两路频率、相同、占空比相同、相位相同的脉冲信号，一路接入激光器驱动电路直接调制激光器，另一路接入延时电路模块；

RF放大电路模块，是将脉冲调制信号放大至电光强度调制器模块的半波电压；

半导体制冷模块，根据激光器的参数，设置激光器工作的最优温度；

电光强度调制器模块，通过控制电光强度调制器模块的外调制信号，使其在激光脉冲通过时，同步调制电光强度调制器模块，直接调制消光比与电光强度调制器模块消光比累计可实现高达60～80dB消光比的脉冲激光信号，满足量子通信中时分偏振复用对于本振光与量子光的隔离要求；

反馈控制电路模块，通过分束器监控脉冲激光器的输出，并通过反馈控制算法将反馈量加载在偏置稳定模块上，通过偏置稳定模块输出可调的偏置电压，使得脉冲激光器可以稳定的输出；

电源模块，用于给系统里的各模块提供高精度、低纹波的直流电源；

人机交互模块，用于提供人机界面，实时反馈系统工作状态或根据需要动态调整脉冲激光器的相关参数；

偏置稳定模块，电光强度调制器模块的偏置点受温度影响会有飘移，电光强度调制器模块的正常工作需要实时跟踪偏置点的变化，电光强度调制器模块的输出激光信号经过99：1的光分束器，99％分支激光输出作为整个高消光比脉冲激光器的输出，1％的分支激光输出接入偏置稳定模块，偏置稳定模块监控脉冲激光器的输出并通过反馈控制算法将反馈量加载在电光强度调制器模块的偏置稳定模块上，实时跟踪电光强度调制器模块的偏置点，使得脉冲激光器稳定的输出。

2.根据权利要求1所述的量子通信中的高消光比脉冲激光控制系统，其特征在于，所述激光器驱动电路模块与RF放大电路模块是将激光器直接调制信号与电光强度调制器模块外调制信号进行放大以便匹配激光器和电光强度调制器模块，而延时电路模块则使得电光强度调制器模块的外调制信号同步调制经过电光强度调制器模块的激光脉冲信号，这样脉冲激光信号经过直接方波调制后，再经过同步的外调制，产生高消光比的脉冲激光。

3.根据权利要求1所述的量子通信中的高消光比脉冲激光控制系统，其特征在于，所述半导体制冷模块是保证激光器模块工作在恒定温度条件下，避免温度变化引起的激光发光功率变化。

4.一种量子通信中的高消光比脉冲激光控制系统的控制方法，其特征在于，利用权利要求1至3中任一项所述的量子通信中的高消光比脉冲激光控制系统，包括以下步骤：

步骤一，通过同步时钟源模块及时钟分发模块产生两路频率一致，相位相同，占空比相同的同步时钟源；

步骤二，激光器驱动电路模块与RF放大电路模块是将激光器直接调制信号与电光强度调制器模块外调制信号进行放大以便匹配激光器和电光强度调制器模块，而延时电路模块则使得电光强度调制器模块的外调制信号同步调制经过电光强度调制器的激光脉冲信号，这样脉冲激光信号经过直接方波调制后，再经过同步的外调制，产生高消光比的脉冲激光；

步骤三，半导体制冷器保证激光器工作在恒定的温度条件下，保证激光器稳定的输出；

步骤四，电源模块用于给系统里的各模块提供高精度、低纹波的直流电源，使得系统可以产生高质量的激光信号；

步骤五，人机交互模块用于提供人机界面，既可以实时反馈系统工作状态，也可以根据需要动态调整脉冲激光器的相关参数；

步骤六，反馈控制模块通过分束器监控脉冲激光器的输出，并通过反馈控制算法将反馈量加载在偏置稳定模块上，通过偏置稳定模块输出可调的偏置电压，使得脉冲激光器可以稳定的输出。

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