CN107733641B - 高速高可调带宽量子平衡零差探测器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高速高可调带宽量子平衡零差探测器及其控制方法，该探测器包括相干干涉部分、高速平衡零差检测部分、跨阻放大器部分、第二级高增益带宽积放大器部分、滤波电路部分、半导体制冷器；相干干涉部分包括微弱的量子信号光和强度较大的本地振荡光在光束分离器上发生干涉，相干干涉后可通过调节可变衰减器输出精确50:50分光比的两路光信号；高速平衡零差检测部分包括分别在两个PIN光电二极管上按照一定效率和比例由光强大小转换成电流的大小，并将两路光电流汇合获得差分电流。本发明提高探测的带宽、响应速度和稳定度。

Description

高速高可调带宽量子平衡零差探测器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种零差探测器及其控制方法，具体地，涉及一种高速高可调带宽量子平衡零差探测器及其控制方法。
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主要基于的是高斯调制协议，协议中检测量子态的正交场分量是最为关键的一步，而现在大多数基于高斯调制的连续变量量子密钥分发都采用的量子平衡零差探测器进行探测。平衡零差探测器的带宽，响应速率，稳定性等都是实际问题中需要考虑的问题，而现在的平衡零差探测器的带宽通常较低，响应度不是太高，散粒噪声和电噪声的比值通常低于10dB，这些都制约了探测器的检测性能，从而影响了整个通信的稳定性，降低了通信的效率。传统的平衡零差探测器通常受限于不高的带宽和较低的响应速率，这些因素都制约了系统的重复频率，从而制约了检测的密钥率。同时，传统的平衡零差探测器通常有较大的电噪声，这样对于散粒噪声的探测造成了影响，而且低散粒噪声和电噪声比会制约连续变量量子密钥分配的传输距离。
发明内容
针对现在的平衡零差探测带宽较低(100MHz左右)、响应速率较慢的缺陷，本发明提供了一种高速高可调带宽量子平衡零差探测器及其控制方法，其提高探测的带宽至300MHz、并提高响应速度和稳定度。
根据本发明的一个方面，提供一种高速高可调带宽量子平衡零差探测器，其特征在于，包括相干干涉部分、高速平衡零差检测部分、跨阻放大器部分、第二级高增益带宽积放大器部分、滤波电路部分、半导体制冷器；相干干涉部分包括微弱的量子信号光和强度较大的本地振荡光在光束分离器上发生干涉，相干干涉后可通过调节可变衰减器输出精确50:50分光比的两路光信号；高速平衡零差检测部分包括分别在两个PIN光电二极管上按照一定效率和比例由光强大小转换成电流的大小，并将两路光电流汇合获得差分电流；跨阻放大器部分包括低噪声JFET管与高增益带宽积放大器，将微弱差分光电流放大为电压信号；第二级高增益带宽积放大器部分是将跨阻放大器部分放大后的信号进行两次放大；半导体制冷器是稳定PIN光电管与低噪声JFET管的工作温度；滤波电路部分是将是将高频干扰噪声滤除，然后接到示波器或者频谱仪进行带宽和噪声分析。
优选地，所述光电转换部分利用压电陶瓷精确地调节信号光与本振光的相位差，以此来获得想要测量的正交场分量。
优选地，所述跨阻放大器部分结合低噪声JFET管的低电流噪声与高增益带宽积放大器的高增益带宽的乘积的优点，实现高达300MHz以上带宽的微弱电流跨阻放大电路。
优选地，，所述第二级高增益带宽积放大器采用高增益带宽积的运算放大器，高增益带宽积的运算放大器的特征是随着放大倍数的增加，放大带宽会减小；通过使用两级高增益带宽积放大器放大，提高信号的放大带宽。
优选地，所述半导体制冷器是通过制冷器将光电二极管与低噪声JFET管工作在合适的温度条件下；低噪声JFET管的输入偏置电流与输入失调电流受温度影响变化较大，呈现在从温度从低向高变化时，输入偏置电流与输入失调电流也从低向高变化；工作在稳定较低的温度，有助于降低噪声。
优选地，所述滤波电路部分利用可调截止频率的低通滤波器进行探测器带宽选择。
本发明还提供一种高速高可调带宽量子平衡零差探测器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用本振光与量子信号光在光束分离器上干涉；
步骤二、利用可变衰减器调节干涉后的光束分离器的两路输出，实现精确50：50分光比的两路光信号输出；
步骤三、利用高转换效率、低暗电流的PIN光电二极管实现光电转换过程；
步骤四、利用平衡的光电二极管连接产生差分电流，消除共模干扰；
步骤五、利用低噪声高过渡频率JFET与高增益带宽积放大器组成跨阻放大器将微弱电流信号放大为电压信号；
步骤六、利用第二级高增益带宽积放大器对电压信号再次放大；
步骤七、利用可调截止频率的低通滤波器进行探测器带宽选择；
步骤八、利用半导体制冷器将光电二极管与低噪声JFET管工作在合适的温度。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明通过选取低噪声、高响应度的PIN光电二极管，低噪声前置放大器，低噪声高带宽增益积的放大芯片，都可以提高系统的响应速率，同时在放大倍数一定的情况下可以尽可能提高检测带宽，进而可以提高量子密钥分发的检测效率。本方案通过采用可变衰减器来调节光束分离器的两臂，可以有效地保持系统的稳定性。本方案还通过降温的手段可以有效地降低系统的电噪声，在高带宽的范围保持散粒噪声极限比。本发明提高了探测器的检测带宽，从而有助于激光光源具备更高的重复频率，同时也能提高探测器的响应速率，并且通过降温的方法可以有效地降低电噪声，从而在高带宽也能让散粒噪声极限达到10dB以上。
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为本发明高速高可调带宽量子平衡零差探测器的原理图。
图2为本发明高速高可调带宽量子平衡零差探测器部分简易电路图。
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，本发明高速高可调带宽量子平衡零差探测器包括相干干涉部分、高速平衡零差检测部分、跨阻放大器部分、第二级高增益带宽积放大器部分、滤波电路部分、半导体制冷器；相干干涉部分包括微弱的量子信号光和强度较大的本地振荡光在光束分离器上发生干涉，相干干涉后可通过调节可变衰减器输出精确50:50分光比的两路光信号；高速平衡零差检测部分包括分别在两个PIN光电二极管上按照一定效率和比例由光强大小转换成电流的大小，并将两路光电流汇合获得差分电流；跨阻放大器部分包括低噪声JFET管与高增益带宽积放大器，将微弱差分光电流放大为电压信号；第二级高增益带宽积放大器部分是将跨阻放大器部分放大后的信号进行两次放大；半导体制冷器是稳定PIN光电管与低噪声JFET管的工作温度。滤波电路部分是将是将高频干扰噪声滤除，然后接到示波器或者频谱仪进行带宽和噪声分析。
相干干涉部分通过将本振光与量子信号光送入光束分离器干涉，通过选取分光比为50：50的光束分离器以及在光束分离器的其中一个输出臂上接入可变衰减器。通过调节可变衰减器使光束分离器的两路输出光信号相对平衡。
高速平衡零差检测部分通过选取两个对称的高速PIN光电二极管接在一起。信号光与本征光干涉后输出的两路光信号输入高速平衡光电二极管部分产生两路光电流，通过选取对称两个高速PIN光电二极管，两路光电二极管消除共模部分形成差分输出电流。
跨阻放大器部分由低噪声JFET管与第一级高增益带宽积放大器组成；选用低噪声高过渡频率的JFET，组成JFET源极跟随器电路。JFET具有皮安级的输入偏置电流与输入失调电流，将输入的差分电流输出到后端的放大电路，而不引入过大的电流噪声。选用高带宽增益积(10GHz)的放大器结合低噪声JFET管降低放大电路的电流噪声，使微弱光电流流过跨接在JFET输入级与高增益带宽积放大器的输出的电阻产生电压输出信号。
第二级高增益放大电路部分采用高增益带宽积(10GHz)的运算放大器，高增益带宽积的运算放大器的特征是随着放大倍数的增加，放大带宽会减小；通过使用两级高增益带宽积放大器放大，提高信号的放大带宽，对跨阻放大器部分输出的电压信号进行二次放大的，两级放大可以降低每一级的放大倍数，提高整体放大电路的放大带宽。
半导体制冷器是通过制冷器将光电二极管与低噪声JFET管降温。低噪声JFET管的输入偏置电流与输入失调电流受温度影响变化较大，呈现在从温度从低向高变化时，输入偏置电流与输入失调电流也从低向高变化。通过半导体制冷器可以保持光电二极管的工作温度，同时可以使低噪声JFET管工作在较低温度条件下，有助于降低信号噪声。
滤波电路部分利用可调截止频率的低通滤波器进行探测器带宽选择。
通过高响应速率的PIN光电二极管可以提高检测的反应速率，通过低噪声高带宽增益积的放大芯片以及可调截止频率的低通滤波器来选择合适的截止频率，在达到散粒噪声极限比的情况下，最高的带宽可以达到1GHz。
在光路干涉的前端部分，光电转换部分利用压电陶瓷可以精确地调节信号光与本振光的相位差，以此来获得想要测量的正交场分量。其中两路光中的一路光经过一个调相器进一步使得两路光的相位差达到稳定值，具有一个补偿提高精度的作用，另一路光通过一个调节可变衰减器可以调节光束分离器的两臂来达到一个相对平衡，提高了系统的稳定性，减小了漂移噪声。
高速平衡光电二极管部分产生的信号电流的电流值通常比较微弱，需将该信号进行放大到ADC可采样的幅度且不可以引入大的电流噪声。通过低噪声JFET管与高增益带宽积组合为高增益带宽积的跨阻放大器。信号电流流过跨接在跨阻放大器上的电阻，转换为幅度可检测的电压信号。
为了提高检测信号的带宽，采用两级放大。通常运算放大器的放大倍数越大，可放大的信号带宽会越小。两级放大可减小每一级的放大倍数，提高信号放大带宽。同时通过调整低通滤波器的截止频率，可以得到适合实验中激光脉冲重复频率所需要的最优带宽，提高检测的精度和效率。
在探测器工作过程中，由于两级放大消耗功率较大以及探测器长时间发热，可能造成系统电噪声的增大以及系统的不稳定性，通过使用ETC半导体或者恒温容器降温的方法，在各元器件正常工作的温度范围内，降低检测器温度，使散粒噪声达到极限比的情况下尽可能的降低本振光的强度，以便提高检测的实际性以及降低本振光泄露的可能性。
如图2所示，本发明高速高可调带宽量子平衡零差探测器的控制方法包括以下步骤：将量子光信号与本振光输入到光束分离器从而发生干涉，输出两路50：50分光比的两路光信号，光束分离器的分光比误差可能会造成两路输出光信号误差；调节其中一路光信号上的可变衰减器使两路光信号平衡；将两路光束分离器输出的两路平衡光信号接入到对称的第一PIN光电二极管D1与第二PIN光电二极D2，形成光电流ID1与ID2；ID1与ID2汇合产生差分电流ID，ID＝ID1-ID2；将差分电流ID输入到低噪声JFET管D3，低噪声JFET管D3选用低噪声JFET管BF862，其输入偏置电流为pA级，电阻R1，在第一电阻R1上形成压降VR1＝ID x R1；第三电阻R3和第四电阻R4设置第一高增益带宽积放大器U1的偏置电压；第二电阻R2设置到低噪声JFET管D3组成的源极跟随器的源极电流在mA级，远超第一高增益带宽积放大器U1的输入偏执电流的要求；第一高增益带宽积放大器U1输出端的电压可由设置的偏置电压与VR1获得；第一级放大器U2；第二级高增益带宽积放大器U2对电压信号进行二次放大，进一步提高输出电压幅值与放大带宽；半导体制冷器检测第一PIN光电二极管D1、第二PIN光电二极D2、低噪声JFET管D3的工作温度；半导体制冷器根据器件要求将第一PIN光电二极管D1、第二PIN光电二极D2、低噪声JFET管D3的工作温度设置在最优的工作温度条件下；利用可调截止频率的低通滤波器进行探测器带宽选择；将放大滤波后的信号输出至ADC电路采样。
低噪声JFET管结合高增益带宽积放大器可以放大微弱信号电流，同时可避免放大芯片的偏置电流对探测结果的影响。两级级联高速低噪声、高带宽增益积的放大芯片可以在保证放大倍数的基础上尽可能提高带宽，同时采取了两级放大，有利于提高系统的重复频率。低通滤波器进行滤波处理，可以根据实验的需求选择最为合适的带宽，提高系统的检测效率和稳定度。
举例来说：需要很低的量子信号。该量子信号是利用一个1550nm连续激光器作为相干源。激光器的线宽大约是1.5kHz，其输出光经过高消光比的AM调制器切割成一个1MHz的脉冲序列，生成的脉宽为200ns。接着利用强度很大的本地振荡光和信号光在50:50的光束分离器上进行干涉，干涉完后的光通过两路照射到PIN光电二极管上。采用InGaAs的光电二极管，型号为KPDE系列的PIN二极管。接着形成的差分电流通过BF862与LT6409进行跨阻放大，再通过一个LT6409对信号幅度进行二次放大，最后我们选择了350MHz的低通滤波器进行低通滤波。
本发明由于采取了高响应、低暗电流的PIN光电二极管，高速低噪声、高带宽增益积的放大芯片，可以极大程度提高探测器的响应速率和带宽，对于芯片的供电应用低纹滤波电源可以得到很低的噪声，同时低通滤波器可以进行带宽设计选择。本方案的半导体或者容器降温方法可以有效地降低芯片工作温度和电噪声，使得探测器在高带宽处仍然可以达到散粒噪声极限比，或者在带宽一定要求条件下降低本振光的强度来减小本振光泄露而遭受攻击的可能性。
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 (2)

1.一种高速高可调带宽量子平衡零差探测器，其特征在于，包括相干干涉部分、高速平衡零差检测部分、跨阻放大器部分、第二级高增益带宽积放大器部分、滤波电路部分、半导体制冷器；相干干涉部分包括微弱的量子信号光和高强度本地振荡光在光束分离器上发生干涉，相干干涉后可通过调节可变衰减器输出精确50:50分光比的两路光信号；高速平衡零差检测部分包括分别在两个PIN光电二极管上按照预设效率和比例将光强大小转换成电流的大小，并将两路光电流汇合获得差分电流；跨阻放大器部分包括低噪声JFET管与高增益带宽积放大器，将微弱差分光电流放大为电压信号；第二级高增益带宽积放大器部分是将跨阻放大器部分放大后的信号进行两次放大；半导体制冷器是稳定PIN光电管与低噪声JFET管的工作温度；滤波电路部分是将是将高频干扰噪声滤除，然后接到示波器或者频谱仪进行带宽和噪声分析；
光电转换部分利用压电陶瓷精确地调节信号光与本振光的相位差，以此来获得想要测量的正交场分量；
所述两路光信号中的一路光信号通过调节可变衰减器调节光束分离器的两臂来达到一个相对平衡；
所述跨阻放大器部分结合低噪声JFET管的低电流噪声与高增益带宽积放大器的高增益带宽的乘积的优点，实现高达300MHz以上带宽的微弱电流跨阻放大电路；
所述第二级高增益带宽积放大器采用高增益带宽积的运算放大器，高增益带宽积的运算放大器的特征是随着放大倍数的增加，放大带宽会减小；通过使用两级高增益带宽积放大器放大，提高信号的放大带宽；
所述半导体制冷器是通过制冷器将光电二极管与低噪声JFET管工作在预设温度条件下；低噪声JFET管的输入偏置电流与输入失调电流受温度影响变化较大，呈现在从温度从低向高变化时，输入偏置电流与输入失调电流也从低向高变化；工作在稳定较低的温度，有助于降低噪声；
所述滤波电路部分利用可调截止频率的低通滤波器进行探测器带宽选择。
2.一种高速高可调带宽量子平衡零差探测器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用本振光与量子信号光在光束分离器上干涉；
利用压电陶瓷调节信号光与本振光的相位差，以此来获得想要测量的正交场分量；
步骤二、利用可变衰减器调节干涉后的光束分离器的两路输出，实现精确50：50分光比的两路光信号输出；
所述两路光信号中的一路光信号通过调节可变衰减器调节光束分离器的两臂来达到一个相对平衡；
步骤三、利用高转换效率、低暗电流的PIN光电二极管实现光电转换过程；
步骤四、利用平衡的光电二极管连接产生差分电流，消除共模干扰；
步骤五、利用低噪声高过渡频率JFET管与高增益带宽积放大器组成跨阻放大器将微弱电流信号放大为电压信号；
所述跨阻放大器部分结合低噪声JFET管的低电流噪声与高增益带宽积放大器的高增益带宽的乘积的优点，实现高达300MHz以上带宽的微弱电流跨阻放大电路；
步骤六、利用第二级高增益带宽积放大器对电压信号再次放大；
所述第二级高增益带宽积放大器采用高增益带宽积的运算放大器，通过使用两级高增益带宽积放大器放大，提高信号的放大带宽；
步骤七、利用可调截止频率的低通滤波器进行探测器带宽选择；
步骤八、利用半导体制冷器将光电二极管与低噪声JFET管工作在合适的温度；
所述半导体制冷器是通过制冷器将光电二极管与低噪声JFET管工作在预设温度条件下；低噪声JFET管的输入偏置电流与输入失调电流受温度影响变化较大，呈现在从温度从低向高变化时，输入偏置电流与输入失调电流也从低向高变化；工作在稳定较低的温度，有助于降低噪声。
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