CN111245599A - 时域脉冲的延时控制装置以及量子密钥分发系统 - Google Patents

时域脉冲的延时控制装置以及量子密钥分发系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种时域脉冲的延时控制装置以及QKD系统，将初始激光脉冲信号分为第一路激光脉冲信号以及第二路激光脉冲信号，第一路激光脉冲信号以及第二路激光脉冲信号均与初始激光脉冲信号的频率相同，因此，通过第一路激光脉冲信号生成的同步时钟参考信号与初始激光脉冲信号的频率相同，通过该同步时钟参考信号调制第二路激光脉冲信号的宽度时，调制速率可以实现与初始激光脉冲信号的频率匹配的ps量级，大大提高了调制速率，而且，由于是通过该同步时钟参考信号对脉冲宽度进行调制，可以实现随机单脉冲的延时控制。

Description

时域脉冲的延时控制装置以及量子密钥分发系统
本申请要求于2018年11月28日提交中国专利局、申请号为201811434633.8、发明名称为“时域脉冲的干扰攻击装置以及量子密钥分发系统”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，更具体的，涉及一种时域脉冲的延时控制装置以及量子密钥分发(QKD)系统。
背景技术
相对于量子密钥分发系统光源的安全性，探测器端存在更多的潜在威胁。目前提出了多种关于探测器的攻击方案，包括波长攻击、时移攻击、死时间攻击、强光致盲攻击以及初始设备校准攻击等，基于上述的攻击方案也进行了一系列的实际攻击系统演示及效果预估。针对系统这些已有的威胁、漏洞，将系统各种参数都囊括到安全性分析里及进行充足的试验验证，是一种提高系统安全性的有效解决方式。
量子同步光延时调控属于QKD系统参数获取及试验验证的一种实施方案。在量子同步光延时调控方案中，主要采取的方式为同步光脉冲延时调制，通过随机单脉冲延时、整体延时来分析不同流程阶段系统错误率、成码率等参数的变化。在延时调控方案中，较多的为采用光纤延时或电延时两种方案。其中光纤延时方案通过严格控制不同长度步进的光纤延迟线的切换来实现不同延时值下发；电延时方案即通过光电转换将输入光信号转换为电信号，再对电信号进行精确步进延时控制(一般通过电延时芯片完成)，再将调制后的电信号转换为光信号，实现对光脉冲延时的控制。
在现有的量子同步光延时调控方案中，无论是采用光纤延时的调控方式，还是采用电延时的调控方式，调制速率均有待提高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种时域脉冲的延时控制装置以及QKD系统，提高了量子同步光延时控制的调制速率。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种时域脉冲的延时控制装置，所述延时控制装置包括：
分光模块，所述分光模块用于获取初始激光脉冲信号，将所述初始激光脉冲信号分为第一路激光脉冲信号以及第二路激光脉冲信号；
探测模块，所述探测模块用于获取所述第一路激光脉冲信号，将所述第一路激光脉冲信号转换为电信号，所述电信号用于生成同步时钟参考信号；
脉宽延时调制模块，所述脉宽延时调制模块用于获取所述第二路激光脉冲信号，基于所述同步时钟参考信号，调制所述第二路激光脉冲信号的脉冲宽度。
优选的，在上述延时控制装置中，所述脉宽延时调制模块用于调整所述第二路激光脉冲信号的上升沿时序，保持所述第二路激光脉冲信号的下降沿时序不变，以调制所述第二路激光脉冲信号的脉冲宽度。
优选的，在上述延时控制装置中，所述脉宽延时调制模块为M-Z型强度调制器，所述M-Z型强度调制器包括：第一电极、第二电极以及第三电极；
所述第一电极以及所述第三电极分别位于所述第二电极的两侧，且均与所述第二电极正对设置；
所述第一电极与所述第二电极之间、以及所述第二电极与所述第三电极之间均具有一光波导；两个所述光波导的输入端均连接所述分光模块用于输出所述第二路激光脉冲信号的端口；两个所述光波导的输出端连接，用于输出调制后的第二路激光脉冲信号。
优选的，在上述延时控制装置中，入射所述M-Z型强度调制器的第二路激光脉冲信号平均分为两束激光脉冲信号，该两束激光脉冲信号分别入射两个所述光波导；
所述第一电极、所述第二电极以及所述第三电极均连接同一控制模块，所述控制模块用于根据所述同步时钟参考信号生成脉冲电压，所述脉冲电压用于控制所述第一电极、所述第二电极以及所述第三电极使得两个所述光波导中的激光脉冲信号产生相位差，所述两束激光脉冲信号经过对应所述光波导输出后，耦合产生干涉，形成调制后的第二路激光脉冲信号。
优选的，在上述延时控制装置中，所述分光模块为光功率分束器。
优选的，在上述延时控制装置中，所述第一路激光脉冲信号的强度小于所述第二路激光脉冲信号的强度。
优选的，在上述延时控制装置中，90％的所述初始激光脉冲信号作为所述第二路激光脉冲信号，10％的所述初始激光脉冲信号作为所述第一路激光脉冲信号。
优选的，在上述延时控制装置中，所述探测模块为PIN或是APD。
本发明还提供了一种量子密钥分发系统，所述量子密钥分发系统包括上述任一项所述的延时控制装置。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的时域脉冲的延时控制装置以及QKD系统中，将初始激光脉冲信号分为第一路激光脉冲信号以及第二路激光脉冲信号，第一路激光脉冲信号以及第二路激光脉冲信号均与初始激光脉冲信号的频率相同，因此，通过第一路激光脉冲信号生成的同步时钟参考信号与初始激光脉冲信号的频率相同，通过该同步时钟参考信号调制第二路激光脉冲信号的宽度时，调制速率可以实现与初始激光脉冲信号的频率匹配的ps量级，大大提高了调制速率，而且，由于是通过该同步时钟参考信号对脉冲宽度进行调制，可以实现随机单脉冲的延时控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种时域脉冲的延时控制装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种脉冲宽度调制的时序图；
图3为本发明实施例提供的一种脉宽延时调制模块的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种脉冲宽度调制的时序图。
具体实施方式
下面将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。
在现有的同步光脉冲延时控制方案中，光纤延时方案主要还是存在于方案验证及平台演示中，其响应速率、可调精度均较低，例如电机驱动以及MEMS切换响应时间基本在ms量级以上。实际QKD系统中同步光频率相对较高，一般在100KHz。在ms量级切换时间内，QKD系统后端同步信号甄别存在帧信号丢失，造成系统同步异常；电延时方案中，通过电子学延时芯片能够对延时可调步进的精度及响应时间大大的提高，但无法实现随机单脉冲的延时控制。另外在电信号转换为光信号输出的过程中，需要考虑波长一致性问题，即输出光信号的波长需与输入光信号波长相同。如果针对不同中心波长同步光输入信号，则需考虑对不同中心波长光源进行匹配，大大的增加了实际延时模块的复杂性。
本发明实施例提供的时域脉冲的延时控制装置是基于脉宽调制的延时可调方案，解决了上述两种传统延时调制方案的问题，具有响应速率快、步进精度高以及宽带宽覆盖的优点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种时域脉冲的延时控制装置的结构示意图，该延时控制装置包括：分光模块11，所述分光模块11用于获取初始激光脉冲信号S0，将所述初始激光脉冲信号S0分为第一路激光脉冲信号S1以及第二路激光脉冲信号S2；探测模块12，所述探测模块12用于获取所述第一路激光脉冲信号S1，将所述第一路激光脉冲信号S1转换为电信号，所述电信号用于生成同步时钟参考信号；脉宽延时调制模块13，所述脉宽延时调制模块13用于获取所述第二路激光脉冲信号S2，基于所述同步时钟参考信号，调制所述第二路激光脉冲信号S2的脉冲宽度，出射调制后的激光脉冲信号S2’。
其中，所述探测模块12为光电二极管PIN或是雪崩光电二极管APD。脉宽延时调制模块13可以为强度调制器(IM)。
所述延时控制装置具有入射端D1以及出射端D2，初始激光脉冲信号S0通过入射端D1入射，经过脉冲宽度调制后的第二路激光脉冲信号S2为激光脉冲信号S2’，通过出射端D2出射，入射到后续光路中。
参考图2，图2为本发明实施例提供的一种脉冲宽度调制的时序图，图2中，初始激光脉冲信号S0具有设定的初始脉冲频率，IM脉冲电压用于控制脉宽延时调制模块13对第二路激光脉冲信号S2进行脉冲宽度调制。基于所述同步时钟参考信号生成所述IM脉冲电压。IM脉冲电压的上升沿与初始激光脉冲信号S0的上升沿时序相同，其脉冲宽度小于初始激光脉冲信号S0的脉冲宽度，与初始激光脉冲信号S0具有相同的脉冲频率。在IM脉冲电压控制下，可以使得出射的激光脉冲信号S2’与初始激光脉冲信号具有相同的频率，激光脉冲信号S2’的下降沿与初始激光脉冲信号S0的下降沿时序相同，其上升沿时序相对于初始激光脉冲信号S0的下降沿时序延时设定时间，从而使得激光脉冲信号S2’的脉冲宽度相对于初始激光脉冲信号S0的脉冲宽度变小，激光脉冲信号S2’的脉冲宽度改变量与IM脉冲电压的脉冲宽度相同。
可见，所述延时控制装置中，所述脉宽延时调制模块13用于调整所述第二路激光脉冲信号S2的上升沿时序，保持所述第二路激光脉冲信号S2的下降沿时序不变，以调制所述第二路激光脉冲信号S2的脉冲宽度，进而形成上述激光脉冲信号S2’。
参考图3，图3为本发明实施例提供的一种脉宽延时调制模块的结构示意图，所示脉宽延时调制模块13为M-Z(马赫-曾德尔)型强度调制器，所述M-Z型强度调制器包括：第一电极21、第二电极22以及第三电极23；所述第一电极21以及所述第三电极23分别位于所述第二电极22的两侧，且均与所述第二电极22正对设置；所述第一电极21与所述第二电极22之间、以及所述第二电极22与所述第三电极23之间均具有一光波导24；两个所述光波导24的输入端均连接所述分光模块11用于输出所述第二路激光脉冲信号S2的端口；两个所述光波导24的输出端连接，用于输出调制后的第二路激光脉冲信号S2，即用于输出激光脉冲信号S2’。
入射所述M-Z型强度调制器的第二路激光脉冲信号S2平均分为两束激光脉冲信号Y1和Y2，该两束激光脉冲信号Y1和Y2分别入射两个所述光波导24；该两束激光脉冲信号Y1和Y2完全相同。
如图1所示，所述延时控制装置还包括控制模块14，控制模块14用于基于探测模块12出射的电信号生成所述同步时钟参考信号，并基于该同步时钟参考信号生成IM脉冲电压。
所述第一电极21、所述第二电极22以及所述第三电极23均连接同一控制模块14，所述控制模块14用于根据所述同步时钟参考信号生成IM脉冲电压，所述IM脉冲电压用于控制所述第一电极21、所述第二电极22以及所述第三电极23使得两个所述光波导24中的激光脉冲信号Y1和Y2产生相位差，所述两束激光脉冲信号Y1和Y2经过对应所述光波导24输出后，耦合产生干涉，形成调制后的第二路激光脉冲信号S2，以出射激光脉冲信号S2’。
其中，在图3所示脉宽延时调制模块13中，第二电极22接地，第一电极21和第三电极23之间的电压差为所述IM脉冲电压。
本发明实施例中，所述分光模块11为光功率分束器。通过所述分光模块11出射两路激光脉冲信号中，所述第一路激光脉冲信号S1的强度小于所述第二路激光脉冲信号S2的强度。可以设置，所述分光模块11为分光比为90:10的光功率分束器，使得90％的所述初始激光脉冲信号S0作为所述第二路激光脉冲信号S2，10％的所述初始激光脉冲信号S0作为所述第一路激光脉冲信号S1。这样，仅是较少的一部分光能量用于作为同步时钟参考信号，提高光信号的利用率。
下面对本发明实施例所述延时控制装置的工作原理进行说明：
本发明实施例中，具有上述M-Z型强度调制器，第一电极21与第二电极22之间，以及第二电极22与第三电极23之间分别设置有一个光波导24，光波导传输两束激光脉冲信号Y1和Y2。光波导为电光材料制备。第二电极22接地，第一电极21以及第三电极23用于输入IM脉冲电压。具体的，M-Z型强度调制器具有偏置电压输入端口以及射频输入端口。偏置电压输入端口与第一电极21以及第三电极23连接，用于输入偏置电压。射频输入端口与第一电极21以及第三电极23连接，用于输入设定脉冲电压，该设定脉冲电压与偏置电压同时作用在第一电极21以及第三电极23，形成IM脉冲电压。
入射M-Z型强度调制器的第二路激光脉冲信号S2被平均分为两束激光脉冲信号Y1和Y2，分别通过两个光波导24传输。由于光波导由电光材料制备，其折射率随着外加电压的大小而变化，从而使得两束激光脉冲信号通过两个光波导分别出射后产生相位差。如果两束激光脉冲信号Y1和Y2的相位差是波长的整数倍，经过光波导24出射的两束激光脉冲Y1和Y2相干抵消，M-Z型强度调制器输出的光信号很小，此时M-Z型强度调制器输出的光信号是一个幅值大小变化的干涉信号，实现了光强度的调制。
采用分光比为90:10的光功率分束器作为所述分光模块11，90％的初始激光脉冲信号S0作为第二路激光脉冲信号S2进入脉宽延时调制模块13，此时，M-Z型强度调制器先不加射频信号，通过偏置电压调制出射的光信号强度最强，在偏置电压的基础上，射频输入端口再加载脉冲电压并调节，根据实际系统的需求调制出所需要的激光脉冲的幅值，即：
Figure BDA0002249774870000071
公式(1)中，I为M-Z型强度调制器输出的经过强度调制后的光信号强度，I1、I2分别为M-Z型强度调制器中两臂输出的光信号强度。入射M-Z型强度调制器的激光脉冲信号被平均分为两束，故I1＝I2＝I0。Vpi为M-Z型强度调制器的半波电压，输出强度从最大到最小需要改变的电压值。公式(1)可以简化为：
I＝2I0[1+cos(πV/Vpi)] (2)
设定加载的偏置电压V＝VIMDC时，光信号最强：
I＝2I0[1+cos(γVIMDC)]＝4I0 (3)
VIMDC为偏置电压，通过该设定偏置电压调制使得输出光信号最强。一般的，最佳偏置电压点是为了保证周期输出信号质量，避免信号失真，设置M-Z型强度调制器线性区域，如半波电压的一半。
设定加载的脉冲电压V＝VIMDC+VRF时，所需要调制的激光脉冲强度为：
I＝2I0[1+cos(γVIMDC+γVRF)]＝0 (4)
公式(3)、(4)中，γ＝π/Vpi。VRF为射频电压，在预设偏置电压的条件上，通过VRF改变加载电压，实现光信号其他强度调制的目的。
通过上述强度调制过程，使得激光脉冲信号达到需要幅度的条件后，对加载的脉冲电压宽度进行调制，利用不同宽度的脉冲电压输出对激光脉冲信号进行不同宽度范围内的强度调制，时序脉冲调制序列如图4所示，及初始激光脉冲信号S0以上升沿位置作为调制初始位置，调制宽度受到IM脉冲电压宽度影响，不同宽度的IM脉冲电压的输入直接决定了输出激光脉冲信号的脉冲宽度，利用探测模块12，如光电二极管PIN，检测到的第一路激光脉冲信号S1作为M-Z型强度调制器的同步时钟参考信号，保证M-Z型强度调制器的IM脉冲电压与初始激光脉冲信号S0的上升沿对齐，通过输出不同宽度的IM脉冲电压来实现第二路激光脉冲信号S2的脉冲宽度调制，调制后不同脉冲宽度的激光脉冲信号S2的上升沿达到后续光路中探测器的时间在时域上存在不同程度的延时，延时范围主要受到M-Z型强度调制器的IM脉冲电压的脉宽控制，调制过程中需要在实际可调范围内调制第二路激光脉冲信号S2对应输出的激光脉冲信号S2’的脉冲宽度，以PIN作为探测模块12为例，需要保证在PIN可甄别脉宽范围内。上述实施例中，M-Z型强度调制器的两臂相同。
与现有的技术方案相比，本发明实施例中，利用M-Z型强度调制器来实现同步光信号脉宽调制，通过不同宽度脉冲的前沿在时序上到达探测端时间位置差异性来实现延时可控的一种时域脉冲调制方式。本方案实施例中不仅仅局限于90:10光功率分束器、M-Z等臂型强度调制器，其他分束比的光功率分束器件及调制器也可成为本实施例的替代器件；另外，装置实现方式不局限于光纤光学器件，也包括空间光学等其他实施例来完成。本发明实施例可以实现通过对脉冲光脉冲宽度的不同调制来实现延时调控的方式；利用调制器的高速率调制时间实现了随机单脉冲延时可控以及整体脉冲延时的可配置。
本发明实施例所述延时控制装置中，将初始激光脉冲信号S0分为第一路激光脉冲信号S1以及第二路激光脉冲信号S2，第一路激光脉冲信号S1以及第二路激光脉冲信号S2均与初始激光脉冲信号S0的频率相同，因此，通过第一路激光脉冲信号S1生成的同步时钟参考信号与初始激光脉冲信号S0的频率相同，在通过该同步时钟参考信号调制第二路激光脉冲信号S2的宽度时，调制速率、响应速率以及步进精度可与初始激光脉冲信号的频率匹配，可以大大提高调制速率、响应速率以及步进精度，可以适用于不同带宽的激光信号，具有宽带宽覆盖的优点，不局限于用于QKD系统中的同步光的延时调制，也可以用于QKD系统中信号光的延时调制，或其他上升沿触发调制带宽的光信号的延时调制。而且由于是通过该同步时钟参考信号对脉冲宽度进行调制，可以实现随机单脉冲的延时控制。
综上所述，本发明实施例所述延时控制装置具有如下有益效果：
通过对脉冲光信号时域脉宽的调制，实现探测器端甄别信号时域位置差异性来实现延时的方式；相比较于传统的光纤及延时芯片下发延时，利用高速调制器实现了ps量级随机单脉冲延时可控以及整体脉冲延时可控，提高了调制速率；解决了现有不同延时方案中的短板，实现了响应速率快、步进精度高、宽带宽覆盖同时具备的特性。
基于上述实施例本发明所述的延时控制装置，本发明另一实施例还提供了一种QKD系统，所述QKD系统包括上述实施例的所述的延时控制装置。
一般的，QKD系统包括发射端以及接收端。发射端用于将光源装置发射的激光脉冲信号进行编码发送给接收端。接收端用于对发射端出射的激光脉冲信号进行解码和探测，生成量子密钥。可以将所述延时控制装置设置在所述接收端，也可以设置在所述发射端至所述接收端的路径上任一位置。
本发明实施例所述QKD系统具有上述实施例所述的延时控制装置，解决了传统延时调制存在的问题，具有响应速率快、步进精度高以及宽带宽覆盖的优点。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的QKD系统而言，由于其与实施例公开的延时控制装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见延时控制装置部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种时域脉冲的延时控制装置，其特征在于，所述延时控制装置包括：
分光模块，所述分光模块用于获取初始激光脉冲信号，将所述初始激光脉冲信号分为第一路激光脉冲信号以及第二路激光脉冲信号；
探测模块，所述探测模块用于获取所述第一路激光脉冲信号，将所述第一路激光脉冲信号转换为电信号，所述电信号用于生成同步时钟参考信号；
脉宽延时调制模块，所述脉宽延时调制模块用于获取所述第二路激光脉冲信号，基于所述同步时钟参考信号，调制所述第二路激光脉冲信号的脉冲宽度。
2.根据权利要求1所述的延时控制装置，其特征在于，所述脉宽延时调制模块用于调整所述第二路激光脉冲信号的上升沿时序，保持所述第二路激光脉冲信号的下降沿时序不变，以调制所述第二路激光脉冲信号的脉冲宽度。
3.根据权利要求1或2所述的延时控制装置，其特征在于，所述脉宽延时调制模块为M-Z型强度调制器，所述M-Z型强度调制器包括：第一电极、第二电极以及第三电极；
所述第一电极以及所述第三电极分别位于所述第二电极的两侧，且均与所述第二电极正对设置；
所述第一电极与所述第二电极之间、以及所述第二电极与所述第三电极之间均具有一光波导；两个所述光波导的输入端均连接所述分光模块用于输出所述第二路激光脉冲信号的端口；两个所述光波导的输出端连接，用于输出调制后的第二路激光脉冲信号。
4.根据权利要求3所述的延时控制装置，其特征在于，入射所述M-Z型强度调制器的第二路激光脉冲信号平均分为两束激光脉冲信号，该两束激光脉冲信号分别入射两个所述光波导；
所述第一电极、所述第二电极以及所述第三电极均连接同一控制模块，所述控制模块用于根据所述同步时钟参考信号生成脉冲电压，所述脉冲电压用于控制所述第一电极、所述第二电极以及所述第三电极使得两个所述光波导中的激光脉冲信号产生相位差，所述两束激光脉冲信号经过对应所述光波导输出后，耦合产生干涉，形成调制后的第二路激光脉冲信号。
5.根据权利要求1所述的延时控制装置，其特征在于，所述分光模块为光功率分束器。
6.根据权利要求1所述的延时控制装置，其特征在于，所述第一路激光脉冲信号的强度小于所述第二路激光脉冲信号的强度。
7.根据权利要求6所述的延时控制装置，其特征在于，90％的所述初始激光脉冲信号作为所述第二路激光脉冲信号，10％的所述初始激光脉冲信号作为所述第一路激光脉冲信号。
8.根据权利要求1所述的延时控制装置，其特征在于，所述探测模块为PIN或是APD。
9.一种量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子密钥分发系统包括如权利要求1-8任一项所述的延时控制装置。
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