CN110635850A - 一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置及探测方法，所述自差分平衡探测装置包括光路控制部分和电路控制部分，光路控制部分通过在光路上对干涉单元的两路输出光之间进行延时耦合到一路并通过电路控制部分中的一个光电探测器来进行探测转换成电信号，并将上述电信号分束成两路电信号，同时将两路电信号中的一路进行相同延时的电延时处理，此两路电信号间的时延刚好补偿干涉单元输出光之间的时延，最终实现了高准确度的快速平衡探测。

Description

一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置及探测方法

技术领域

本发明涉及量子密钥分发技术领域和密码学领域，更具体涉及一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置及探测方法。

背景技术

现有基于真空涨落的量子随机数方案和连续变量量子密钥分发接收端方案如图1所示，其探测方案如下：

信号光61(Singal)与本振光62(Local Oscillator)输入干涉单元1中，在量子随机数发生器中信号光61通常为真空态，在连续变量量子密钥分发接收端中信号光61为调制的脉冲信号，干涉后的两路光分别输入到光电探测器2和光电探测器3中做平衡探测，即两个光电探测器输出的电流差经过减法器4作用后经跨阻放大器5放大后转变为电压信号输出，干涉单元1多采用50:50分束器。

平衡探测方法首先要求干涉单元1输出的两路光能够同时到达光电探测器2和光电探测器3，而干涉单元1输出端的光纤长度容易受环境温度等的影响，因此在实际过程中需要在干涉单元1输出端增加可调延时线对干涉输出光进行延时校准使得所述两束光能同时到达光电探测器2和光电探测器3，这样便增加了系统的复杂度；

另一方面，平衡探测方法要求光电探测器2和光电探测器3具有相同的响应特性和噪声特性，但在实际过程中这种情况是不能实现的，即使在干涉单元1输出端增加可调光衰减器来保证光电探测器2和光电探测器3输入端的光电流大小一致也无法保证两个光电探测器的频响特性和噪声特性等保持一致。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种只使用一个光电探测器的用于量子通信系统的自差分平衡探测装置及探测方法。

本发明是通过以下两种技术方案解决上述技术问题的：

技术方案之一：

一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置，所述装置包括光路控制部分和电路控制部分，所述光路控制部分输出端连接电路控制部分的输入端；

所述光路控制部分包括入射光源、干涉单元、光延时装置和分束器，所述光源连接干涉单元，所述干涉单元连接分束器，所述光延时装置设置在干涉单元与分束器之间；其中：所述入射光源包括信号光和本振光，所述干涉单元将信号光和本振光干涉后分为两路输出，所述光延时装置用于将干涉单元输出的两路光中的任一路光信号进行光延时处理，所述分束器用于将经延时处理的光信号与未经延时处理的光信号耦合后输出脉冲时序到电路控制部分；

所述电路控制部分包括光电探测器、功分器、电延时装置、减法器和跨阻放大器，所述光电探测器连接光路控制部分的分束器，将分束器输出的脉冲时序转变为脉冲电信号，所述功分器连接光电探测器，将光电探测器输出的脉冲时序分为两路电信号输出，所述电延时装置连接功分器，用于将功分器输出的两路电信号中的任一路电信号进行电延时处理，所述减法器连接电延时装置和功分器，同时接收功分器输出的未经延时处理的电信号和电延时装置输出的延时电信号，所述跨阻放大器连接减法器，用于将减法器输出的电信号转变为电压信号并进行放大输出。

进一步地，所述信号光为调制的脉冲光或真空态，所述本振光为脉冲光或连续光。

进一步地，所述干涉单元为50:50分束器。

进一步地，所述分束器为50:50分束器。

进一步地，所述功分器为50:50功分器。

进一步地，所述跨阻放大器为50:50跨阻放大器。

本发明还保护一种采用所述的一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置的探测方法，步骤如下：

步骤1、信号光与本振光经过干涉单元干涉后输出两路干涉光，其中一路干涉光信号经过光延时t后与另一路干涉光信号进入分束器耦合后输出；

步骤2、分束器输出的脉冲时序进入光电探测器中，经光电探测器转换成电信号后输入到功分器中，经过功分器输出后形成两路电信号，其中一路电信号经过电延时t后与另一路电信号一起输入减法器中，经过减法器作用后再经过跨阻放大器转变为电压信号并经过放大输出，其中光延时t与电延时t一致，两路电信号间的时延刚好补偿干涉单元输出光之间的时延，完成平衡探测。

技术方案之二：

一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置，所述装置包括光路控制部分和电路控制部分，所述光路控制部分输出端连接电路控制部分的输入端；

所述光路控制部分包括入射光源、干涉单元、光延时装置和分束器；其中光源连接干涉单元，所述干涉单元连接分束器，所述光延时装置设置在干涉单元与分束器之间；其中：所述入射光源包括信号光和本振光，所述干涉单元将信号光和本振光干涉后分为两路输出，所述光延时装置用于将干涉单元输出的两路光中的任一路光信号进行光延时处理，所述分束器用于将经过延时处理的光信号与未经延时处理的光信号耦合后输出到电路控制部分；

所述电路控制部分包括光电探测器、跨阻放大器、电延时装置和加法器，所述光电探测器连接光路控制部分的分束器，将分束器输出的耦合光信号转变为电信号，所述跨阻放大器连接光电探测器，将光电探测器输出的电信号分为两路电信号，放大并分成两路输出，所述电延时装置连接跨阻放大器，用于将跨阻放大器输出的两路电信号中的任一路电信号延时，所述加法器分别连接跨阻放大器和电延时装置，同时接收跨阻放大器输出的未经延时处理的电信号和经电延时装置延时处理的电信号，最终作为输出信号输出。

进一步地，所述信号光为调制的脉冲光或真空态，所述本振光为脉冲光或连续光。

进一步地，所述干涉单元为50:50分束器。

进一步地，所述分束器为50:50分束器。

进一步地，所述跨阻放大器为50:50跨阻放大器。

本发明还保护一种采用所述的一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置的探测方法，步骤如下：

步骤1、将信号光与本振光经过干涉单元干涉后输出两路干涉光，其中一路干涉光信号经过光延时t后与另一路干涉光信号进入分束器耦合后输出；

步骤2、分束器输出的耦合光信号输入光电探测器中，经光电探测器转换成电信号后输入到跨阻放大器中，经过跨阻放大器放大后分成两路电压信号输出，两路电压信号中的任一路电压信号经过电延时t后与另一路放大后的电压信号一起进入加法器中，经过加法器作用后作为输出信号输出，其中光延时t与电延时t一致，两路电压信号间的时延刚好补偿干涉单元输出光之间的时延，实现平衡探测。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明的装置中只采用一个探测器进行自差分探测，从而避免两个探测器之间存在的差异或由于环境因素等带来的不一致性导致系统的平衡探测出现“不平衡”现象，采用两个探测器的方案中通常还需要复杂的反馈机制，而采用单个探测器的方案降低了这种“不平衡”现象对系统效率和可靠性等造成的的不良影响。此外，本方案中增加的大部分均为商用化非常成熟的器件，带宽高噪声小，无需反馈机制，未增加系统的复杂度。

附图说明

图1为现有基于真空涨落的量子随机数方案和连续变量量子密钥分发接收端方案的装置示意图；

图2为本发明实施例1的自差分平衡探测装置示意图；

图3为本发明实施例1的自差分平衡探测装置中对应光信号和电信号时序图；

图4为本发明实施例2的自差分平衡探测装置示意图；

图5为本发明实施例2的自差分平衡探测装置中对应光信号和电信号时序图。

其中：1、干涉单元；2、光电探测器；3、光电探测器；4、减法器；5、跨阻放大器；6、入射光源；61、信号光；62、本振光；7、第一分束器；8、光延时装置；9、第二分束器；10、光电探测器；11、50:50功分器；12、电延时装置；13、减法器；14、50:50跨阻放大器；15、加法器。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1一种用于量子随机数发生器的自差分平衡探测装置

本实施例的自差分平衡探测装置的结构如图2所示，包括光路控制部分和电路控制部分，其中：光路控制部分由入射光源6、第一分束器7、光延时装置8和第二分束器9组成；所述入射光源6包括信号光61和本振光62，所述信号光61为真空态，所述本振光62为连续光，入射光源6连接第一分束器7，信号光61和本振光62沿着各自的光学链路同时传输到第一分束器7中，所述第一分束器7将信号光61和本振光62干涉后输出两路干涉光，两路光分别沿着第一分束器7的上下臂传输，所述第一分束器7连接第二分束器9，所述光延时装置8设置在第一分束器7的上臂上，所述光延时装置8用于将第一分束器7上臂输出的光信号进行光延时处理，生成光脉冲信号，所述第二分束器9用于将光脉冲信号与未经延时处理的沿第一分束器7下臂传输的另一路光信号耦合后输出，其中第一分束器7和第二分束器9均为50:50分束器；

电路控制部分由光电探测器10、50:50功分器11、电延时装置12、减法器13和50:50跨阻放大器14组成，所述的光电探测器10连接第二分束器9，将第二分束器9输出的脉冲时序转变为电信号，所述的50:50功分器11连接光电探测器10，将光电探测器10输出的电信号分为两路电信号输出，两路电信号分别沿50:50功分器11的上下臂传输，所述电延时装置12设置在50:50功分器11的下臂上，对下臂上传输的电信号进行电延时处理，所述减法器13连接电延时装置12和50:50功分器11，同时接收50:50功分器11上臂输出的另一路电信号和电延时装置12输出的延时电信号，所述50:50跨阻放大器14连接减法器13，用于将减法器13输出的电信号放大并转变为电压信号输出。

在本实施例中，本发明提供的自差分平衡探测装置在量子随机数发生器中的探测方法步骤如下：

步骤1、将信号光与本振光经过第一分束器7干涉后输出两路干涉光，其中一路干涉光信号经过光延时t后形成延时光信号，延时光信号与另一路未经延时处理的光信号进入第二分束器9耦合后输出脉冲时序；

步骤2、第二分束器9输出的脉冲时序进入光电探测器10中，经光电探测器10转换成电信号后输入到50:50功分器11中，经过50:50功分器11输出后形成两路电信号，其中一路电信号经过电延时t后与另一路电信号一起输入减法器13中，经过减法器13作用后再经过50:50跨阻放大器14放大并转变为电压信号输出，其中光延时t与电延时t一致，两路电信号间的时延刚好补偿第一分束器7输出光之间的时延，完成平衡探测。

其中对应光信号和电信号时序图如图3所示：

图3(a)为第二分束器9输出的光信号时序图，脉冲序号2’、1’分别对应图2中第一分束器7上下两臂输出脉冲，同样4’、3’分别对应一个系统周期T后图2中第一分束器7上下两臂输出脉冲；脉冲2’、1’间的时间间隔以及脉冲4’、3’之间的时间间隔即光延时t；上述耦合光信号经光电探测器10转换成电信号后输入到50:50功分器11中。

50:50功分器11输入端电信号时序图如图3(b)所示，对应的电信号为1”、2”、3”、4”；上述电信号经过50:50功分器11输出后形成两路电信号，其中一路电信号经过电延时t后与另一路电信号一起输入减法器13中。

减法器13两路输入端的电信号时序图如图3(c)所示，50:50功分器11输入端电信号序列1”经过50:50功分器11后被分成1”a和1”b两路电信号，同样的，电信号序列2”、3”、4”被分别分成2”a和2”b、3”a和3”b、4”a和4”b；因为光延时t与电延时t一致，因此对于减法器13而言，2”a和1”b、4”a和3”b分别在时序上一一对应，它们经过减法器13作用后再经过50:50跨阻放大器14放大并转变为电压信号输出。

实施例2一种用于量子随机数发生器的自差分平衡探测装置

本实施例的自差分平衡探测装置的结构如图4所示，包括光路控制部分和电路控制部分，其中：光路控制部分由入射光源6、第一分束器7、光延时装置8和第二分束器9组成；其中入射光源6包括信号光61和本振光62，所述信号光61为真空态，所述本振光62为连续光，所述入射光源6连接第一分束器7，所述信号光61和本振光62分别沿各自光学链路同时传输到第一分束器7，所述第一分束器7将信号光61和本振光62干涉后分为两路光输出，两路光分别沿第一分束器7的上下臂传输，所述第一分束器7连接第二分束器9，所述光延时装置8设置在第一分束器7的上臂上，将沿第一分束器7上臂传输的光进行延时处理，所述第二分束器9将第一分束器7上臂输出的延时光信号与第一分束器7下臂输出的未经延时处理的光信号耦合后输出，其中第一分束器7和第二分束器9均为50:50分束器；

电路控制部分由光电探测器10、50：50跨阻放大器14、电延时装置12和加法器15组成，所述的光电探测器10连接第二分束器9，将第二分束器9输出的耦合光信号转变为电信号，所述的50：50跨阻放大器14连接光电探测器10，将光电探测器10输出的电信号分为两路电压信号放大后输出，所述的电延时装置12设置在两路电压信号中的一路上，用于将该路电压信号进行电延时处理，所述的加法器15连接电延时装置12和50:50跨阻放大器14，同时接收50:50跨阻放大器14输出的另一路电压信号和电延时装置12输出的延时电压信号，经过加法器15作用后最终作为输出信号输出。

在本实施例中，本发明提供的自差分平衡探测装置的探测方法步骤如下：

步骤1、将信号光61与本振光62经过第一分束器7干涉后分为两路输出，其中一路光信号经过光延时t处理，延时处理的光信号与另一路未经延时处理的光信号经第二分束器9耦合后输出；

步骤2、第二分束器9输出的耦合光信号输入光电探测器10中，经光电探测器10转换成电信号后输入到50:50跨阻放大器14中，经过50:50跨阻放大器14后输出两路电压信号，并分别放大，放大后的两路电压信号中的任一路电压信号经过电延时t后与另一路放大后的电压信号一起进入加法器15中，经过加法器15作用后作为输出信号输出，由于光延时t与电延时t一致，两路电压信号间的时延刚好补偿第一分束器7输出光之间的时延，实现平衡探测。

其中对应光信号和电信号时序图如图5所示：

图5(a)为第二分束器9输出的光信号时序图，脉冲序号2’、1’分别对应图2中第一分束器7上下两臂输出脉冲，同样4’、3’分别对应一个系统周期T后图2中第一分束器7上下两臂输出脉冲；脉冲2’、1’间的时间间隔以及脉冲4’、3’之间的时间间隔即光延时t；上述耦合光信号经光电探测器10转换成电信号后输入到50:50跨阻放大器14中。

50:50跨阻放大器14输入端的电信号时序图如图5(b)所示，经光电探测器10输入到50:50跨阻放大器14中的电信号时序为1”、2”、3”、4”。

上述1”电信号分别放大后再分为两路电信号，分别为1”a和1”b，同理，2”、3”、4”电信号分别放大后再分为2”a和2”b、3”a和3”b、4”a和4”b；50:50跨阻放大器14输出的两路电信号中的一路经过电延时t与另一路未经延时处理的电信号输入到加法器15中，加法器15输入端的电信号时序如图5(c)所示，由于光延时t与电延时t一致，因此对于加法器15而言，2”a和1”b、4”a和3”b分别在时序上一一对应，它们经过加法器15作用后最终作为输出信号输出。

实施例3一种用于CVQKD通信系统接收端装置的自差分平衡探测装置

本实施例的自差分平衡探测装置结构同实施例1，区别在于，本实施例中信号光61为调制的脉冲光，本振光62为脉冲光。

实施例4一种用于CVQKD通信系统接收端装置的自差分平衡探测装置

本实施例的自差分平衡探测装置结构同实施例2，区别在于，本实施例中信号光61为调制的脉冲光，本振光62为脉冲光。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置，其特征在于，所述装置包括光路控制部分和电路控制部分，所述光路控制部分输出端连接电路控制部分的输入端；

所述光路控制部分包括入射光源、干涉单元、光延时装置和分束器，所述入射光源连接干涉单元，所述干涉单元连接分束器，所述光延时装置设置在干涉单元与分束器之间；其中：所述入射光源包括信号光和本振光，所述干涉单元将信号光和本振光干涉后分为两路输出，所述光延时装置用于将干涉单元输出的两路光中的任一路光信号进行光延时处理，所述分束器用于将经延时处理的光信号与未经延时处理的光信号耦合后输出脉冲时序到电路控制部分；

所述电路控制部分包括光电探测器、功分器、电延时装置、减法器和跨阻放大器，所述光电探测器连接光路控制部分的分束器，将分束器输出的脉冲时序转变为脉冲电信号，所述功分器连接光电探测器，将光电探测器输出的脉冲时序分为两路电信号输出，所述电延时装置连接功分器，用于将功分器输出的两路电信号中的任一路电信号进行电延时处理，所述减法器连接电延时装置和功分器，同时接收功分器输出的未经延时处理的电信号和电延时装置输出的延时电信号，所述跨阻放大器连接减法器，用于将减法器输出的电信号转变为电压信号并进行放大输出。

2.根据权利要求1所述的一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置，其特征在于，所述信号光为调制的脉冲光或真空态，所述本振光为脉冲光或连续光。

3.根据权利要求1所述的一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置，其特征在于，所述干涉单元为50:50分束器。

4.根据权利要求1所述的一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置，其特征在于，所述分束器为50:50分束器。

5.根据权利要求1所述的一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置，其特征在于，所述功分器为50:50功分器。

6.根据权利要求1所述的一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置，其特征在于，所述跨阻放大器为50:50跨阻放大器。

7.一种采用如权利要求1至6任一所述的一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置的探测方法，步骤如下：

步骤1、信号光与本振光经过干涉单元干涉后输出两路干涉光，其中一路干涉光信号经过光延时t后与另一路干涉光信号进入分束器耦合后输出；

步骤2、分束器输出的脉冲时序进入光电探测器中，经光电探测器转换成电信号后输入到功分器中，经过功分器输出后形成两路电流信号，其中一路电流信号经过电延时t后与另一路电流信号一起输入减法器中，经过减法器作用后再经过跨阻放大器放大并转变为电压信号输出，其中光延时t与电延时t一致，两路电流信号间的时延用于补偿干涉单元输出光之间的时延，完成平衡探测。

8.一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置，其特征在于，所述装置包括光路控制部分和电路控制部分，所述光路控制部分输出端连接电路控制部分的输入端；

所述光路控制部分包括入射光源、干涉单元、光延时装置和分束器；其中入射光源连接干涉单元，所述干涉单元连接分束器，所述光延时装置设置在干涉单元与分束器之间；其中：所述入射光源包括信号光和本振光，所述干涉单元将信号光和本振光干涉后分为两路输出，所述光延时装置用于将干涉单元输出的两路光中的任一路光信号进行光延时处理，所述分束器用于将经过延时处理的光信号与未经延时处理的光信号耦合后输出到电路控制部分；

所述电路控制部分包括光电探测器、跨阻放大器、电延时装置和加法器，所述光电探测器连接光路控制部分的分束器，将分束器输出的耦合光信号转变为电信号，所述跨阻放大器连接光电探测器，将光电探测器输出的电信号分为两路电信号，放大并分成两路输出，所述电延时装置连接跨阻放大器，用于将跨阻放大器输出的两路电信号中的任一路电信号延时，所述加法器分别连接跨阻放大器和电延时装置，同时接收跨阻放大器输出的未经延时处理的电信号和经电延时装置延时处理的电信号，最终作为输出信号输出。

9.根据权利要求8所述的一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置，其特征在于，所述信号光为调制的脉冲光或真空态，所述本振光为脉冲光或连续光。

10.根据权利要求8所述的一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置，其特征在于，所述干涉单元为50:50分束器。

11.根据权利要求8所述的一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置，其特征在于，所述分束器为50:50分束器。

12.根据权利要求8所述的一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置，其特征在于，所述跨阻放大器为50:50跨阻放大器。

13.一种采用如权利要求8至12任一所述的一种用于量子通信系统的自差分平衡探测装置的探测方法，步骤如下：

步骤1、将信号光与本振光经过干涉单元干涉后输出两路干涉光，其中一路干涉光信号经过光延时t后与另一路干涉光信号进入分束器耦合后输出；

步骤2、分束器输出的耦合光信号输入光电探测器中，经光电探测器转换成电信号后输入到跨阻放大器中，经过跨阻放大器放大后分成两路电压信号输出，两路电压信号中的任一路电压信号经过电延时t后与另一路放大后的电压信号一起进入加法器中，经过加法器作用后作为输出信号输出，其中光延时t与电延时t一致，两路电压信号间的时延刚好补偿干涉单元输出光之间的时延，实现平衡探测。

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