CN110943836A - 一种实现平衡探测系统自动平衡的装置及方法 - Google Patents

一种实现平衡探测系统自动平衡的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现平衡探测系统自动平衡的装置及方法，装置包括依次连接的可调分束比2×2光纤耦合器、平衡放大光电探测电路和信号采集电路，所述信号采集电路依次与信号处理电路、可调分束比2×2光纤耦合器驱动电路和可调分束比2×2光纤耦合器连接。与现有技术相比，本发明的积极效果是：(1)本发明的装置结构简单，体积小，便于集成；(2)可调分束比2×2光纤耦合器调节精度高、响应速度较快、稳定性好，可以快速精确地实现自动平衡调节，使系统长期稳定工作；(3)该装置器件所需少，系统复杂度低，且控制电路和驱动电路结构简单，易于实现。

Description

一种实现平衡探测系统自动平衡的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种实现平衡探测系统自动平衡的装置及方法。
背景技术
随着现代科学技术的发展，信息的安全性越来越受到人们的重视。量子密钥分发基于量子力学的基本原理(海森堡不确定性原理和量子不可克隆定理等)，任何第三方的窃听行为都能够在密钥传输过程中被检测出来，从而使得合法通信双方在异地共享一组无条件的安全密钥。连续变量量子密钥分发(CVQKD)技术因其具有潜在高码率及与经典光通信良好兼容性等特点，受到了业界广泛关注。
平衡探测器是CVQKD系统中接受端的核心模块，其噪声大小、稳定性以及平衡性直接决定了系统的整体性能。理想的平衡探测要求信号光和本振光以精确的50％比例分光并干涉，干涉后两路光信号经过对称光路到达光电二极管(PIN管)进行光电转换，这样才能达到最佳的探测效果。由于受实际器件工艺、环境温度、应力、振动等因素的影响，进入两只PIN管的两臂光路不能实现一样的衰减。同时随环境变化，原来已经平衡的光路也会因为实际器件工艺、环境温度、应力、振动等因素使得两臂衰减不一样，从而使得强度平衡被破坏，这样会极大地降低探测器的共模抑制比而增加了探测器的噪声。如果两臂的强度差异太大，使得探测器的输出超出额定范围而损坏，从而整个CVQKD系统也不能正常工作。
为了消除平衡探测器两臂光路受实际器件工艺、环境温度、应力、振动等因素带来的强度不平衡影响，目前采用的平衡方法有：温控方式、MEMS电控衰减器、基于弯曲光纤原理的自动控制衰减器。由于温度变化与强度调节之间没有固定的函数曲线，而且不具有单调性，控制难度较大；此外，控温所需功耗较大，在为了避免振动而不使用风扇的前提条件下，利用传导散热还会导致系统设计的复杂性增加；再者，温度是一个慢变量，利用控温无法实现探测器双臂的快速平衡，因此采取控温方式实现双臂平衡的方法难以满足连续变量量子密钥分发系统的应用需求。MEMS电控衰减器结构简单，易于集成，但是MEMS电控衰减器受环境振动、工艺缺陷或灰尘颗粒等要素影响，工作时有概率发生动齿和静齿咬合或自卡现象，可靠性存在问题。基于弯曲光纤原理的自动控制衰减器采用直线步进电机作为弯曲光纤的推动装置，具有较高的精度和稳定性，但其体积较大，不便于集成，并且响应速度为秒级，难以实现快速调节。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种实现平衡探测系统自动平衡的装置及方法，能够实现由于各类因素造成的平衡探测系统两臂光强不相等的自动平衡调节，使探测器长期稳定工作在平衡点附近，具有较高的控制精度和较快的响应时间。本发明的装置结构简单，体积小，便于集成；并且调节精度高、响应速度较快、稳定性好，可以快速精确地实现自动平衡调节，保证平衡探测器可长期稳定工作。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种实现平衡探测系统自动平衡的装置，包括依次连接的可调分束比2×2光纤耦合器、平衡放大光电探测电路和信号采集电路，所述信号采集电路依次与信号处理电路、可调分束比2×2光纤耦合器驱动电路和可调分束比2×2光纤耦合器连接。
本发明还提供了一种实现平衡探测系统自动平衡的方法，包括如下步骤：
步骤一、信号光和本振光经可调分束比2×2光纤耦合器干涉，通过耦合器相同长度的尾纤进入平衡放大光电探测电路，经过光电转换和差模放大后输出；
步骤二、信号采集电路将采集到的平衡放大光电探测电路的输出结果发送给信号处理电路；
步骤三、信号处理电路通过控制算法获得平衡位置的偏移量并计算出控制量的大小，并转换成控制信号发送给可调分束比2×2光纤耦合器驱动电路；
步骤四、可调分束比2×2光纤耦合器驱动电路通过控制信号改变可调分束比2×2光纤耦合器的分束比，进而改变平衡探测系统的两臂光强，实现平衡探测系统的自动平衡调节。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
(1)本发明的装置结构简单，体积小，便于集成；
(2)可调分束比2×2光纤耦合器调节精度高、响应速度较快、稳定性好，可以快速精确地实现自动平衡调节，使系统长期稳定工作；
(3)该装置器件所需少，系统复杂度低，且控制电路和驱动电路结构简单，易于实现。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为平衡探测系统自动平衡控制装置原理图；
图2为平衡探测原理示意图。
具体实施方式
本发明提供的一种实现平衡探测系统自动平衡的控制装置，如图1所示，包括：可调分束比2×2光纤耦合器1、平衡放大光电探测电路2(由2只PIN管和差模放大电路组成)、信号采集电路3、信号处理电路4、可调分束比2×2光纤耦合器驱动电路5等，其中：
所述可调分束比2×2光纤耦合器1为强度调节器件，用于实现平衡光路两臂的强度调节，从而实现平衡探测器达到强度平衡。
所述信号处理电路可以采用数字信号处理器(DSP)或可编程逻辑芯片(FPGA)或ARM等构成的数字电路，实现高速信号处理以及算法逻辑。
信号光和本振光经可调分束比2×2光纤耦合器1干涉，通过耦合器相同长度的尾纤进入2只PIN管进行光电转换，转换后的光电信号进行差模放大后输出。信号采集电路3采集平衡放大光电探测电路2的输出结果，并将采样结果发送给信号处理电路4。信号处理电路4通过控制算法获得平衡位置的偏移量并计算出控制量的大小，然后转换成控制信号通过可调分束比2×2光纤耦合器驱动电路5改变可调分束比2×2光纤耦合器1的分束比，进而改变平衡探测系统的两臂光强(使得进入两臂光路的光强一致)，从而快速精确地实现平衡探测系统自动平衡调节。
所述控制算法包括以下步骤：
步骤I：将信号采集电路3获得的信号求取平均值C1，消除散粒噪声的影响；
步骤II：将平均值C1减去无光输入时信号采集电路3获得的信号求取平均值C2，获得平衡状态偏移量C；
步骤III：根据控制算法，将平衡状态偏移量C转换为可调分束比2×2光纤耦合器1的控制量D。
本发明的平衡探测原理如图2所示，通过BS的两路光信号的光场表达式如下：
Figure BDA0002338854950000051
Figure BDA0002338854950000052
信号光Es通过BS后，在端口①和端口②出射的分光比为1:A(强度分光比)，本振光EL通过BS后，在端口①和端口②出射的分光比为1:B(强度分光比)，那么端口①和端口②出射的信号光和本振光叠加的光场表达式分别为
Figure BDA0002338854950000053
和
Figure BDA0002338854950000054
因此，端口①探测到的光电流为
Figure BDA0002338854950000055
端口②探测到的光电流为
Figure BDA0002338854950000056
那么探测器的输出结果为
Figure BDA0002338854950000057
由于在CVQKD系统中，本振光强度远远大于信号光，通常本振光在108光子/脉冲量级，而信号光通常只有10光子量级，在放大倍数巨大的平衡探测输出结果中，信号光不足以引起探测器输出偏置及饱和。因此，如果分束比不为1:1，即B≠1，本振光会引入巨大的偏置，导致探测器饱和，而且会在输出信号中叠加一个缩放系数
Figure BDA0002338854950000061
且该缩放系数随着分束比A和B的变化而变化。而如果B＝1，只需要A≈1，即可保证探测器输出结果I无偏置，即：
Figure BDA0002338854950000062
本发明中提出利用反馈控制系统对2×2BS进行高精度分束比控制，可精细调节进入两臂光路的光强从而保持两臂光路的强度平衡，能够有效解决由于光路不平衡引起的共模抑制比降低，探测输出偏置过大等问题，整体实现降低CVQKD系统过噪声，提高CVQKD系统稳定性和安全码率。

Claims (7)

1.一种实现平衡探测系统自动平衡的装置，其特征在于：包括依次连接的可调分束比2×2光纤耦合器、平衡放大光电探测电路和信号采集电路，所述信号采集电路依次与信号处理电路、可调分束比2×2光纤耦合器驱动电路和可调分束比2×2光纤耦合器连接。
2.根据权利要求1所述的一种实现平衡探测系统自动平衡的装置，其特征在于：所述平衡放大光电探测电路由2只PIN管和差模放大电路组成。
3.根据权利要求2所述的一种实现平衡探测系统自动平衡的装置，其特征在于：所述可调分束比2×2光纤耦合器通过其相同长度的尾纤与2只PIN管连接。
4.根据权利要求1所述的一种实现平衡探测系统自动平衡的装置，其特征在于：所述信号处理电路为采用DSP、FPGA或ARM构成的数字电路。
5.根据权利要求1所述的一种实现平衡探测系统自动平衡的装置，其特征在于：所述可调分束比2×2光纤耦合器为强度调节器件，用于对信号光和本振光进行耦合干涉，实现平衡光路两臂的强度调节。
6.一种实现平衡探测系统自动平衡的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、信号光和本振光经可调分束比2×2光纤耦合器干涉，通过耦合器相同长度的尾纤进入平衡放大光电探测电路，经过光电转换和差模放大后输出；
步骤二、信号采集电路将采集到的平衡放大光电探测电路的输出结果发送给信号处理电路；
步骤三、信号处理电路通过控制算法获得平衡位置的偏移量并计算出控制量的大小，并转换成控制信号发送给可调分束比2×2光纤耦合器驱动电路；
步骤四、可调分束比2×2光纤耦合器驱动电路通过控制信号改变可调分束比2×2光纤耦合器的分束比，进而改变平衡探测系统的两臂光强，实现平衡探测系统的自动平衡调节。
7.根据权利要求6所述的一种实现平衡探测系统自动平衡的方法，其特征在于：所述控制算法为：
(1)将信号采集电路获得的信号求取平均值，记为C1；
(2)将信号采集电路获得的无信号光输入时的信号求取平均值，记为C2；
(3)将C1-C2，获得平衡状态偏移量C；
(4)将平衡状态偏移量C转换为可调分束比2×2光纤耦合器的控制量D。
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