CN111106934A - 一种适用于cv-qkd系统的偏置点控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于CV‑QKD系统的偏置点控制方法及装置，在不加入导频信号的情况下，通过对CV‑QKD系统发送端瑞利分布幅度调制MZM的输出光信号进行低通滤波可以直接获取在当前偏置电压下的平均光功率，结合“偏置电压——平均光功率”特性曲线上的期望值，基于PID等控制算法，即可完成对偏置电压的调节。相比与传统的无导频信号控制算法，本发明提高了计算和控制速度并减小了光功率异常抖动所带来的影响；相比于基于导频信号控制算法，无需加入导频信号，保障了光信号的纯粹性，尤其在CV‑QKD系统中不会引入安全性隐患。

Description

一种适用于CV-QKD系统的偏置点控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种适用于CV-QKD系统的偏置点控制方法及装置。
背景技术
随着量子计算技术的发展，基于计算复杂度的经典密码体系面临重大的安全隐患。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是一种基于量子物理原理的密钥分发系统，具有无条件安全性，引起了广泛的关注与研究。连续变量量子密钥分发(ContinuousVariable Quantum Key Distribution,CV-QKD)采用光场的正交分量作为信息的载体，大部分器件与经典相干光通信通用，与传统光通信网络兼容性好，是一种有良好前景的量子密钥分发技术。
当前的CV-QKD系统主要基于GG02协议实现，即高斯调制相干态传输协议。在GG02协议中，系统发送端通过对量子态光信号的两个正交分量进行调制来完成高斯随机变量信息的加载，具体的又包含对光信号进行瑞利分布的幅度调制和均匀分布的相位调制。其中对量子态光信号的瑞利分布的幅度调制是通过电光调制器(EOM)来实现的。EOM基于电光效应，控制外加电场信号的大小来改变晶体的折射率，最终实现对光信号强度的调制。EOM根据波导结构的不同，可分为马赫曾德强度调制(MZM)与定向耦合式强度调制器，由于MZM具有数学模型简单、驱动电压低等优点而得到广泛应用，CV-QKD系统中一般也一般采用MZM的电光调制器来实现对光信号的强度调制。
MZM调制器主体结构是马赫曾德结构的铌酸锂晶体，马赫曾德结构具有高速率、高消光比等特点，但同时此结构容易受到外界环境因素(如温度、振动等)的影响，导致调制器的工作点发生漂移。具体来说，一般地，MZM调制器的传递函数为：
Figure BDA0002312360270000021
其中Ei为输入光信号，Eo为输出光信号，VπRF为MZM的射频半波电压，VπDC为MZM的直流偏置半波电压，VRF为射频调制电压，VDC为直流偏置电压，φ0为相位项。由于光信号功率等于信号振幅的平方，即P＝|E|2，则MZM的功率关系式为
Figure BDA0002312360270000022
其中θ0＝2φ0。MZM调制器在设计时严格要求上下两臂长度相等，因此理论上具有平衡的光路，相应的相位项φ0为0。但是实际中由于材料的不均匀性、制造误差等原因，两臂的光路之间必然存在一定差别，造成φ0不为0，并且由于环境因素，φ0是在随时间随机变化的。而为了使MZM调制器正常工作并输出预期的调制光信号，通常需要基于一些控制算法在MZM的直流偏置端加载合适的电压信号，使其偏置在特定的偏置点。例如当φ0＝0时，若要得到开关键控(OOK)信号，需要偏置在Quad点；若要得到二进制相移键控(BPSK)信号，需要偏置在Null点，具体如图1所示。但是，如前文所述，φ0是在随时间随机变化的，造成传递函数曲线在横坐标方向上发生左右漂移，调制信号的偏置点会随之偏离原来的位置，造成原先加载的调制电压无法产生所需的调制光信号。
在传统的光纤通信中，偏置点的随机漂移会造成调制光信号质量变差，眼图恶化，误码率上升等后果。在CV-QKD系统中，偏置点的随机漂移会造成光信号消光比减弱、信号强度调制失准，使得系统成码率降低。因此必须通过一些算法对MZM的偏置点进行稳定控制。在传统的光纤通信系统中，常见的偏置点控制算法主要包括无导频信号和基于导频信号两大类。无导频信号控制算法主要依赖于对MZM调制器实时的输出光功率监控来实现调节，控制精度有限；基于导频信号的控制算法通过在信号上加入一个微弱导频信号再分析导频信号在输出端的一阶、二阶谐波特性来实现调节，相比无扰动控制算法，其控制精度更高，速度更快，但是加入导频信号会对调制光信号产生一定的影响。这两种算法对于CV-QKD系统都有一定的局限性，CV-QKD系统中对信号进行随机的瑞利分布调制对这两种控制算法的效果都会产生一定的影响。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种适用于CV-QKD系统的偏置点控制方法及装置。针对实际CV-QKD系统发送端信号瑞利分布幅度调制时，因MZM调制器偏置点随机漂移而导致消光比下降、调制失准的问题，本发明提出一种不加入导频信号的情况下，基于硬件低通滤波的计算和控制算法，能有效实现MZM调制器偏置点的稳定控制，从而保证CV-QKD系统的正常工作。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于CV-QKD系统的偏置点控制方法，包括如下步骤：
步骤一、在CV-QKD发送端利用BS将相干态激光分束为信号光与本振光；
步骤二、在CV-QKD系统发送端实现相干态信号光的高斯分布调制：相干态信号光需要基于PM实现均匀分布的相位调制和基于MZM实现瑞利分布的幅度调制。在利用MZM调制器进行瑞利分布幅度调制时，在MZM调制器的RF端口加载实现幅度调制的电压信号，同时基于偏置点控制方法计算偏置点控制电压并在MZM调制器的DC端口进行加载，实现偏置电压的实时反馈控制。
进一步地，所述偏置点控制电压的实现方法为：将MZM调制器输出的光信号经过BS分束，然后将其中一束信号光输入到偏置点控制器中经过探测器(PD)探测转换为与功率成正比的电信号，再经过低通滤波得到表征当前偏置电压下平均光功率的电压信号，经过模数转换功能模块(ADC)采样后输入给控制器进行计算得到偏置电压，偏置电压经过数模转换功能模块(DAC)转换后输出至MZM调制器的DC端口。
本发明还提供了一种适用于CV-QKD系统的偏置点控制装置，包括依次连接的MZM调制器和BS分束器，所述BS分束器的一束信号光输出端依次与偏置点控制器中的探测器、低通滤波器、模数转换功能模块、控制器和数模转换功能模块连接，所述数模转换功能模块的输出端与MZM调制器的DC端口连接，所述MZM调制器的RF端口加载实现幅度调制的电压信号。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明在不加入导频信号的情况下，通过对CV-QKD系统发送端瑞利分布幅度调制MZM的输出光信号进行低通滤波可以直接获取在当前偏置电压下的平均光功率，改变偏置电压大小可进一步获取与当前调制电压对应的“偏置电压——平均光功率”特性曲线，再通过对不同偏置电压下的平均光功率的统计计算，即可获取所需偏置点在特性曲线上的位置，即所需的偏置电压和期望的平均光功率值。当相位项φ0发生随机漂移时，可以通过比较当前采集到的平均光功率值与期望的平均光功率值的大小，结合PID等控制算法，完成对偏置电压的调节。
相比于传统的无导频信号控制算法，本发明所提出的算法通过硬件低通滤波获取平均光功率大小，并建立“偏置电压——平均光功率”特性曲线，基于特性曲线结合PID算法完成偏置点控制，提高了计算和控制速度并减小了光功率异常抖动所带来的影响，可在不加入导频信号的情况下实现对MZM调制器偏置点的快速控制，保证CV-QKD系统信号幅度调制的准确度和正确性。相比于基于导频信号的控制算法，本发明所提出的算法无需加入导频信号，保障了光信号的纯粹性，尤其在CV-QKD系统中不会引入安全性隐患。
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MZM调制器偏置点示意图；
图2为CV-QKD系统发送端信号调制示意图；
图3为偏置点控制器结构示意图；
图4为瑞利分布幅度调制低通滤波效果示意图；
图5为“偏置电压——平均光功率”特性曲线。
具体实施方式
如图2所示，CV-QKD系统中，输入的脉冲光首先经过一个光分束器(BS)分为两路，其中一路作为本振光，不需要进行调制，另一路作为信号光，需要进行调制，具体包括基于相位调制器(PM)对信号光的相位进行均匀分布调制，以及基于MZM调制器对信号光的振幅进行瑞利分布调制。调制完成后，信号光就变为了
Figure BDA0002312360270000051
其中
Figure BDA0002312360270000052
为通过PM调制的相位，为均匀分布，{Ei}为通过MZM调制的振幅，为瑞利分布。
信号光的相位调制比较简单，通过PM加载合适的电信号即可完成。但幅度调制相对复杂，一方面需要加载合适的RF信号以实现瑞利分布调制，另一方面还需要通过偏置点控制算法加载合适的直流偏置电压以实现对偏置点的稳定控制，从而保证信号光的消光比与调制的精度和正确性。传统的偏置点控制算法面对CV-QKD系统中高速、随机的瑞利分布幅度调制时适用性有限，一方面信号光的功率随调制幅度而快速变化，会造成基于瞬时功率分析的偏置点控制算法精度下降；另一方面由于随机的瑞利分布调制信号会对信号光的频谱特性造成不确定的影响，会导致对信号光的频谱分析失效。
面对上述问题，本发明提出的偏置点控制算法通过硬件低通滤波建立“偏置电压——平均光功率”特性曲线，并基于特性曲线结合PID算法实现对偏置点的有效控制，具体的结构如图3所示。
要在CV-QKD系统发送端实现高斯分布相干态调制，相干态信号光需要基于PM进行均匀分布的相位调制和基于MZM实现瑞利分布的幅度调制。在利用MZM调制器进行瑞利分布幅度调制时，RF端口加载实现幅度调制的电压信号{VRF}，DC端口加载实现偏置点控制的偏置点控制电压{VDC}。MZM调制器输出的光信号分束之后，一部分信号光将输入到偏置点控制器中首先经过PD探测转换为与功率成正比的电信号，再经过低通滤波得到表征当前偏置电压下平均光功率的电压信号，经过模数转换功能模块(ADC)采样后输入到控制器(如STM32或其他同等性能的微控处理器、FPGA、DSP等)中，控制器将当前的平均光功率值与“偏置电压——平均光功率”特性曲线上的理论值进行比较，再通过PID算法得到所需的偏置电压大小，最后控制器将偏置电压通过数模转换功能模块(DAC)输出至MZM调制器的DC端口，实现偏置电压的实时反馈控制。具体的步骤为：
步骤一、首先输出瑞利分布幅度调制电压{VRF}至MZM调制器的RF端口，对光信号进行瑞利分布的幅度调制。同时基于控制器通过DAC控制DC端口的直流偏置电压VDC以一定的步进值逐渐从0增大到10V左右，并每间隔一定时间采集当前偏置电压下经过低通滤波后的平均光功率大小。其中直流偏置电压的步进值与采集时间间隔的设定与CV-QKD系统的具体参数设置有关。
如图4所示，进行瑞利分布幅度调制时，在不同的偏置电压下，最后滤波得到的平均光功率信号是不同的，因此在初始化扫描之后就可以建立一条当前状况下的“偏置电压——平均光功率”特性曲线。
步骤二、注意到初始化扫描时相位项φ0一般不为0，因此通过将初始化扫描时建立的特性曲线和φ0＝0时的标准特性曲线(可以通过仿真计算或者实验测量得到)进行比较，通过横向移动的方向和点数，即可计算得到当前的相位项φ0，具体而言即
·特性曲线左移时，φ0＝横移点数*步进电压/(2*VRF)*π；
·特性曲线右移时，φ0＝-1*横移点数*步进电压/(2*VRF)*π。
获取φ0的大小后，即可人为设定
Figure BDA0002312360270000071
的大小，即可将MZM调制器的偏置点控制在特定工作点上。例如设定
Figure BDA0002312360270000072
计算出相应的VDC大小再通过控制器输出至MZM调制器DC端，即可其工作在Null点上。
步骤三、当相位项φ0发生改变时，可以根据实时采集到的平均光功率大小和期望工作点所对应的平均光功率大小，利用PID算法对偏置电压进行调节。如图5所示，在相位项φ0为0时的标准特性曲线上，p0为预期偏置点所对应的平均光功率大小，对应的偏置电压为VDC0；当φ0>0时，在向左漂移后的特性曲线上，ps为同一偏置电压下在新的特性曲线上对应的平均光功率大小。则可计算Δp＝p0-ps，VDC1＝VDC0+k*Δp，其中k>0为PID调节的比例项系数。易知Δp<0，则直流偏置电压减小，抵消φ0变大的影响，达到稳定偏置点的效果。当φ0<0，特性曲线向右漂移时，同理也可进行调节。

Claims (6)

1.一种适用于CV-QKD系统的偏置点控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、在CV-QKD发送端利用BS将相干态激光分束为信号光与本振光；
步骤二、在CV-QKD系统发送端实现相干态信号光的高斯分布调制：相干态信号光需要基于PM进行均匀分布的相位调制和基于MZM实现瑞利分布的幅度调制；在利用MZM调制器进行瑞利分布幅度调制时，在MZM调制器的RF端口加载实现幅度调制的电压信号，同时基于偏置点控制方法计算偏置点控制电压并在MZM调制器的DC端口进行加载，实现偏置电压的实时反馈控制。
2.根据权利要求1所述的一种适用于CV-QKD系统的偏置点控制方法，其特征在于：所述偏置点控制电压的实现方法为：将MZM调制器输出的光信号经过BS分束，然后将其中一束信号输入到偏置点控制器中经过探测器探测转换为与功率成正比的电信号，再经过低通滤波得到表征当前偏置电压下平均光功率的电压信号，经过模数转换功能模块采样后输入给控制器，控制器将当前的平均光功率值与“偏置电压——平均光功率”特性曲线上的理论值进行比较，再通过PID算法计算得到所需的偏置电压大小，偏置电压经过数模转换后输出至MZM调制器的DC端口。
3.一种适用于CV-QKD系统的偏置点控制装置，其特征在于：包括依次连接的MZM调制器和BS分束器，所述BS分束器的一束信号输出端依次与偏置点控制器中的探测器、低通滤波器、模数转换功能模块、控制器和数模转换功能模块连接，所述数模转换功能模块的输出端与MZM调制器的DC端口连接，所述MZM调制器的RF端口加载实现幅度调制的电压信号。
4.根据权利要求3所述的一种适用于CV-QKD系统的偏置点控制装置，其特征在于：所述相位调制器对信号光进行均匀分布的相位调制。
5.根据权利要求3所述的一种适用于CV-QKD系统的偏置点控制装置，其特征在于：所述MZM调制器对信号光进行瑞利分布的幅度调制。
6.根据权利要求3所述的一种适用于CV-QKD系统的偏置点控制装置，其特征在于：所述控制器为STM32或其他同等性能的微控处理器、FPGA、DSP等。
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