CN110752881B - 适用于cvqkd系统脉冲光锁定级联mz强度调制器偏置点的方法 - Google Patents

适用于cvqkd系统脉冲光锁定级联mz强度调制器偏置点的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及适用于CVQKD系统脉冲光锁定级联MZ强度调制器偏置点的方法。本发明的目的是为了解决现有的MZ强度调制器偏置点锁定技术不适用于CVQKD系统的问题。本发明能够在不中断脉冲光的产生下，采用低通滤波器和高增益探测器对纳瓦量级的光脉冲探测，实现CVQKD系统中四个级联MZ强度调制器偏置点的高精度锁定，从而能够使系统稳定产生高消光比的脉冲光和制备高精度的量子态，进而提升系统的性能，适用于CVQKD技术的集成化和实用化。

Description

适用于CVQKD系统脉冲光锁定级联MZ强度调制器偏置点的 方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体涉及适用于CVQKD系统脉冲光锁定级联MZ强度调制器偏置点的方法。
背景技术
随着信息化时代的迅猛发展，人们对信息安全性的要求日益增加。近年来，量子密钥分发技术引起研究人员的广泛关注，它能够在合法通信双方共享安全的密钥，结合一次一密，即可实现无条件安全的量子保密通信。量子密钥分发(QKD)主要包括离散变量子密钥分发(DVQKD)和连续变量量子密钥分发(CVQKD)两种。连续变量量子密钥技术具有中短通信距离密钥率高，兼容于现有光通信网络等特点，适用于组建城域的量子保密通信网络。
在连续变量量子密钥分发系统中，铌酸锂马赫-曾德尔型(MZ)强度调制器是该系统的关键器件，无论是斩脉冲光信号，还是调制信号，都需要MZ强度调制器稳定地工作在合适的偏置点上。然而MZ强度调制器受环境变化的影响，其偏置点会发生漂移，因此需要对MZ强度调制器的偏置点进行锁定。
现有的MZ强度调制器偏置点的控制方法适用于经典光通信技术领域，其光信号较强，反馈硬件电路结构较为复杂，对偏置点电压锁定精度不高。然而在CVQKD系统中，MZ强度调制器的偏置点需要在纳瓦量级脉冲光下高精度锁定，使得其消光比达到40dB以上，因此传统方法不适用。本发明提出的方案能够有效解决以上问题，且锁定系统简单，能够很好地集成于CVQKD系统中。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的MZ强度调制器偏置点锁定技术不适用于CVQKD系统的问题，本发明提出了一种适用于CVQKD系统脉冲光锁定级联MZ强度调制器偏置点的方法，是一种无需中断脉冲光产生，保证通信双方系统时钟同步正常工作，还能够高精度锁定CVQKD系统中四个级联MZ强度调制器偏置点的方法。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
适用于CVQKD系统脉冲光锁定级联MZ强度调制器偏置点的方法，其特征在于：包括有以下步骤：
步骤1：通过四组步进电压依次扫描四个级联MZ强度调制器：强度调制器1、强度调制器2、强度调制器3和强度调制器4，利用低通滤波器和高增益探测器对光脉冲探测，采集得到四组数据；
步骤2：将步骤1中采集得到四组数据采用平均法公式求得四个级联MZ强度调制器的偏置点。
通过采用本技术方案，不仅不需要中断脉冲光的产生，保证通信双方系统时钟同步正常工作，而且还能够高精度锁定CVQKD系统中四个级联MZ强度调制器的偏置点，很好地集成于CVQKD中。
进一步，所述步骤1包括以下步骤：
步骤1.1，将第一组步进电压加载在强度调制器1的DC端上，RF端加载脉冲信号，强度调制器2、强度调制器3和强度调制器4的DC端分别加载强度调制器2的最大通光点Vmax2、强度调制器3的最大通光点Vmax3和强度调制器4的最大通光点Vmax4，RF端不加载任何信号，采集得到第一组数据；
步骤1.2，将第二组步进电压加载在强度调制器2的DC端上，RF端加载脉冲信号，强度调制器1、强度调制器3和强度调制器4的DC端分别加载强度调制器1的最大通光点Vmax1、强度调制器3的最大通光点Vmax3和强度调制器4的最大通光点Vmax4，RF端不加载任何信号，采集得到第二组数据；
步骤1.3，将第三组步进电压加载在强度调制器3的DC端上，每一个步进电压采集五个数据求一个平均值，RF端不加载任何信号，强度调制器1、强度调制器2的DC端分别加载强度调制器1的最小消光点Vmin1和强度调制器2的最小消光点Vmin2，RF端加载脉冲信号，强度调制器4的DC端加载强度调制器4的最大通光点Vmax4，RF端不加载任何信号，采集得到第三组数据；
步骤1.4，将第四组步进电压加载在强度调制器4的DC端上，每一个步进电压采集五个数据求一个平均值，RF端不加载任何信号，强度调制器1、2的DC端分别加载强度调制器1的最小消光点Vmin1和强度调制器2的最小消光点Vmin2，RF端加载脉冲信号，强度调制器3的DC端加载强度调制器3的最大通光点Vmax3，RF端不加载任何信号，采集得到第四组数据。
通过采用本技术方案，只需一套锁定系统，就能够实现CVQKD系统中四个级联MZ强度调制器偏置点的锁定，降低了系统的复杂性，节约了实现成本。
再进一步，所述步骤2具体包括：
将步骤1中采集得到的四组数据，每组数据等分成L和R两小组，分别在这两小组数据中找到离目标值M最近的点，索引出所对应的步进电压，即XL和XR，根据最小消光点Vmin＝(XL+XR)/2和最大通光点Vmax＝(XL+XR)/2的平均法公式，求得Vmin1、Vmin2、Vmax3、Vmax4，根据强度调制器1的最大通光点Vmax1和强度调制器2的最大通光点Vmax2的算法公式，Vmax＝Vmin+Vπ，求得Vmax1和Vmax2，根据强度调制器3的最小消光点Vmin3和强度调制器4的最小消光点Vmin4的算法公式，Vmin＝Vmax-Vπ，求得Vmin3和Vmin4，其中Vπ为半波电压。
通过采用本技术方案，简化了算法，可使用FPGA等编程语言实现，适用于CVQKD技术的集成化和实用化。
更进一步，所述步骤1中，在扫描强度调制器1、强度调制器2、强度调制器3和强度调制器4中任意一个MZ强度调制器的偏置点时，所加载在其余三个MZ强度调制器DC端的Vmin1、Vmax1、Vmin2、Vmax2、Vmax3、Vmax4是系统上次循环锁定得到的电压值；强度调制器1、2扫描Vmin1、Vmin2，强度调制器3、4扫描Vmax3、Vmax4。
通过采用本技术方案，解决了扫描强度调制器3的最小通光点Vmin3和强度调制器4的最小通光点Vmin4所采集得到的第三组数据和第四组数据信噪比低的问题，是精确锁定强度调制器3的偏置点和强度调制器4的偏置点的重要步骤。
更进一步，所述步骤1中所采用的MZ强度调制器的工作波长为1530nm-1550nm，调制带宽最大为10GHz，半波电压Vπ最大值为7V，偏置电压范围为±20V，RF端输入功率最大为28dBm，输入光功率最大为20dBm。
通过采用本技术方案，能够很好地集成于CVQKD系统中。
所采用的高增益探测器的响应频率最大为200KHz，增益为107V/W。
通过采用本技术方案，解决了纳瓦量级脉冲光的探测问题，为脉冲光锁定级联MZ强度调制器偏置点奠定了基础。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明能够在纳瓦量级的脉冲光下，采用低通滤波器和高增益探测器对光脉冲探测，实现CVQKD系统中四个级联MZ强度调制器偏置点的高精度锁定，从而能够使系统稳定产生高消光比的脉冲光和制备高精度的量子态，进而提升系统的性能。
2.本发明不仅不需要中断脉冲光的产生，保证通信双方系统时钟同步正常工作，而且还能够高精度锁定CVQKD系统中四个级联MZ强度调制器的偏置点，很好地集成于CVQKD中。
3.本发明只需一套锁定系统，就能够实现CVQKD系统中四个级联MZ强度调制器偏置点的锁定，降低了系统的复杂性，节约了实现成本。
4.本发明的反馈控制对系统的软硬件要求低，算法简单，可使用FPGA等编程语言实现，适用于CVQKD技术的集成化和实用化。
附图说明
图1是本发明的原理装置图；
图2是四个级联MZ强度调制器偏置点锁定结果图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1为本发明原理装置图，也是CVQKD系统发送端部分装置图。
该装置包括激光器、MZ强度调制器、分束器、低通滤波器、探测器、调制和采集反馈控制系统。其连接关系是：激光器输出连续光给MZ强度调制器1的输入，MZ强度调制器1的输出接MZ强度调制器2的输入，MZ强度调制器2的输出接99/1分束器的输入，99/1分束器的1输出接MZ强度调制器3的输入，MZ强度调制器3的输出接MZ强度调制器4的输入，MZ强度调制器4的输出接10/90分束器的输入，10/90分束器的90输出接低通滤波器的输入，滤波器的输出接探测器的输入，探测器的输出接调制和采集反馈控制系统的输入。另外MZ强度调制器1、2、3、4的RF端和DC端接调制及采集反馈控制系统的输出。
CVQKD系统中，所采用的激光器的工作波长为1550nm，输出连续光功率最大为40mW。
CVQKD系统中，所采用的分束器的工作波长为1550nm，输入光功率最大为300mW。
CVQKD系统中，所采用的调制及采集反馈控制系统是由脉冲发生器、低速放大模块，AD/DA子卡和FPGA开发板组成。
适用于CVQKD系统脉冲光锁定级联MZ强度调制器偏置点的方法，包括有以下步骤：
步骤1：通过四组步进电压依次扫描四个级联MZ强度调制器：强度调制器1、强度调制器2、强度调制器3和强度调制器4，利用低通滤波器和高增益探测器对光脉冲探测，采集得到四组数据；
所述步骤1包括以下步骤：
步骤1.1，将第一组步进电压加载在强度调制器1的DC端上，RF端加载脉冲信号，强度调制器2、强度调制器3和强度调制器4的DC端分别加载强度调制器2的最大通光点Vmax2、强度调制器3的最大通光点Vmax3和强度调制器4的最大通光点Vmax4，RF端不加载任何信号，采集得到第一组数据；
步骤1.2，将第二组步进电压加载在强度调制器2的DC端上，RF端加载脉冲信号，强度调制器1、强度调制器3和强度调制器4的DC端分别加载强度调制器1的最大通光点Vmax1、强度调制器3的最大通光点Vmax3和强度调制器4的最大通光点Vmax4，RF端不加载任何信号，采集得到第二组数据；
步骤1.3，将第三组步进电压加载在强度调制器3的DC端上，每一个步进电压采集五个数据求一个平均值，RF端不加载任何信号，强度调制器1、强度调制器2的DC端分别加载强度调制器1的最小消光点Vmin1和强度调制器2的最小消光点Vmin2，RF端加载脉冲信号，强度调制器4的DC端加载强度调制器4的最大通光点Vmax4，RF端不加载任何信号，采集得到第三组数据；
步骤1.4，将第四组步进电压加载在强度调制器4的DC端上，每一个步进电压采集五个数据求一个平均值，RF端不加载任何信号，强度调制器1、2的DC端分别加载强度调制器1的最小消光点Vmin1和强度调制器2的最小消光点Vmin2，RF端加载脉冲信号，强度调制器3的DC端加载强度调制器3的最大通光点Vmax3，RF端不加载任何信号，采集得到第四组数据。
所述步骤1中，在扫描强度调制器1、强度调制器2、强度调制器3和强度调制器4中任意一个MZ强度调制器的偏置点时，所加载在其余三个MZ强度调制器DC端的Vmin1、Vmax1、Vmin2、Vmax2、Vmax3，Vmax4是系统上次循环锁定得到的电压值；强度调制器1、2扫描Vmin1、Vmin2，强度调制器3、4扫描Vmax3、Vmax4。
所述步骤1中所采用的MZ强度调制器的工作波长为1530nm，调制带宽最大为10GHz，半波电压Vπ最大值为7V，偏置电压范围为±20V，RF端输入功率最大为28dBm，输入光功率最大为20dBm。
所述步骤1中所采用的MZ强度调制器的工作波长还可以是1580nm或者1550nm。
所采用的高增益探测器的响应频率最大为200KHz，增益为107V/W。
步骤2：将步骤1中采集得到四组数据采用平均法公式求得四个级联MZ强度调制器的偏置点。
所述步骤2具体包括：
将步骤1中采集得到的四组数据，每组数据等分成L和R两小组，分别在这两小组数据中找到离目标值M最近的点，索引出所对应的步进电压，即XL和XR，根据最小消光点Vmin＝(XL+XR)/2和最大通光点Vmax＝(XL+XR)/2的平均法公式，求得Vmin1、Vmin2、Vmax3、Vmax4，根据强度调制器1的最大通光点Vmax1和强度调制器2的最大通光点Vmax2的算法公式，Vmax＝Vmin+Vπ，求得Vmax1和Vmax2，根据强度调制器3的最小消光点Vmin3和强度调制器4的最小消光点Vmin4的算法公式，Vmin＝Vmax-Vπ，求得Vmin3和Vmin4，其中Vπ为半波电压。
如图2是四个级联MZ强度调制器偏置点锁定结果图，从图2a、2b、2c、2d中可得MZ强度调制器所对应的XL和XR，因此：Vmin1＝[-4.94+(-1.15)]/2＝-3.045V，Vmin2＝[-4.36+(-0.59)]/2＝-2.475V，Vmax3＝(0.64+4.28)/2＝2.46V，Vmax4＝(0.67+4.32)/2＝2.495V。
另外，Vmax1＝Vmin1+Vπ＝-3.045+6.57＝3.525V，Vmax2＝Vmin2+Vπ＝-3.475+6.29＝2.815V，Vmin3＝Vmax3-Vπ＝2.46-6.68＝-4.42V，Vmin4＝Vmax4-Vπ＝2.495-6.48＝-3.985V。最后将该计算结果反馈加载在MZ强度调制器的DC端。
以上锁定结果能够让CVQKD系统中斩得的脉冲光的消光比高达80dB以上，且不中断脉冲光的产生，保证通信两端时钟同步正常工作，满足CVQKD系统的要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.适用于CVQKD系统脉冲光锁定级联MZ强度调制器偏置点的方法，其特征在于：包括有以下步骤：
步骤1：通过四组步进电压依次扫描四个级联MZ强度调制器：强度调制器1、强度调制器2、强度调制器3和强度调制器4，利用低通滤波器和高增益探测器对光脉冲探测，采集得到四组数据；
步骤2：将步骤1中采集得到四组数据采用平均法公式求得四个级联MZ强度调制器的偏置点；
所述步骤1包括以下步骤：
步骤1.1，将第一组步进电压加载在强度调制器1的DC端上，RF端加载脉冲信号，强度调制器2、强度调制器3和强度调制器4的DC端分别加载强度调制器2的最大通光点Vmax 2、强度调制器3的最大通光点Vmax 3和强度调制器4的最大通光点Vmax 4，RF端不加载任何信号，采集得到第一组数据；
步骤1.2，将第二组步进电压加载在强度调制器2的DC端上，RF端加载脉冲信号，强度调制器1、强度调制器3和强度调制器4的DC端分别加载强度调制器1的最大通光点Vmax 1、强度调制器3的最大通光点Vmax 3和强度调制器4的最大通光点Vmax 4，RF端不加载任何信号，采集得到第二组数据；
步骤1.3，将第三组步进电压加载在强度调制器3的DC端上，每一个步进电压采集五个数据求一个平均值，RF端不加载任何信号，强度调制器1、强度调制器2的DC端分别加载强度调制器1的最小消光点Vmin 1和强度调制器2的最小消光点Vmin 2，RF端加载脉冲信号，强度调制器4的DC端加载强度调制器4的最大通光点Vmax 4，RF端不加载任何信号，采集得到第三组数据；
步骤1.4，将第四组步进电压加载在强度调制器4的DC端上，每一个步进电压采集五个数据求一个平均值，RF端不加载任何信号，强度调制器1、强度调制器2的DC端分别加载强度调制器1的最小消光点Vmin 1和强度调制器2的最小消光点Vmin 2，RF端加载脉冲信号，强度调制器3的DC端加载强度调制器3的最大通光点Vmax 3，RF端不加载任何信号，采集得到第四组数据；
所述步骤2具体包括：
将步骤1中采集得到的四组数据，每组数据等分成L和R两小组，分别在这两小组数据中找到离目标值M最近的点，索引出所对应的步进电压，即XL和XR，根据最小消光点Vmin＝(XL+XR)/2和最大通光点Vmax＝(XL+XR)/2的平均法公式，求得Vmin 1、Vmin 2、Vmax 3、Vmax 4，根据强度调制器1的最大通光点Vmax 1和强度调制器2的最大通光点Vmax 2的算法公式，Vmax＝Vmin+Vπ，求得Vmax 1和Vmax 2，根据强度调制器3的最小消光点Vmin 3和强度调制器4的最小消光点Vmin 4的算法公式，Vmin＝Vmax-Vπ，求得Vmin 3和Vmin 4，其中Vπ为半波电压。
2.根据权利要求1所述的适用于CVQKD系统脉冲光锁定级联MZ强度调制器偏置点的方法，其特征在于：所述步骤1中，在扫描强度调制器1、强度调制器2、强度调制器3和强度调制器4中任意一个MZ强度调制器的偏置点时，所加载在其余三个MZ强度调制器DC端的Vmin 1、Vmax 1、Vmin 2、Vmax 2、Vmax 3、Vmax 4是系统上次循环锁定得到的电压值；强度调制器1、强度调制器2扫描Vmin 1、Vmin 2，强度调制器3、强度调制器4扫描Vmax 3、Vmax 4。
3.根据权利要求2所述的适用于CVQKD系统脉冲光锁定级联MZ强度调制器偏置点的方法，其特征在于：所述步骤1中所采用的MZ强度调制器的工作波长为1530nm-1580nm，调制带宽最大为10GHz，半波电压Vπ最大值为7V，偏置电压范围为±20V，RF端输入功率最大为28dBm，输入光功率最大为20dBm。
4.根据权利要求1所述的适用于CVQKD系统脉冲光锁定级联MZ强度调制器偏置点的方法，其特征在于：所采用的高增益探测器的响应频率最大为200KHz，增益为107V/W。
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