CN113138018A - 一种用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及量子随机数发生器技术领域，具体为一种用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器，包括光电流产生电路、两级放大电路以及直流信号放大电路；所述光电流产生电路中第一光电二极管的阳极和第二光电二极管的阴极连接，第一光电二极管的阴极连接正电压，第二光电二极管的阳极连接负电压；所述两级放大电路中，第一级和第二级分别侧重低噪声系数和高增益放大；所述直流信号放大电路为比例放大电路，其输入端与第一光电二极管的阳极连接，输出端与直流输出端口连接。本发明极大地提高了探测器的信噪比并保证了足够的增益，适用于连续变量量子随机数产生中量子熵含量的高效提取，在量子随机数发生器领域有着很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及量子随机数发生器技术领域，具体为一种用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器。
背景技术
基于连续变量量子态分量起伏不确定性生成随机数的方法，因其模型明确、高带宽、强鲁棒性、可芯片集成等优势成为一种有着很好应用前景的量子随机数产生方案。平衡零拍探测器能够可靠地提取连续变量量子态的量子正交分量的噪声起伏，具有将经典噪声共模抑制的同时还能把量子正交分量起伏增益放大到宏观水平的优点，从而被广泛用于量子随机数发生器中。平衡零拍探测器的信噪比直接影响着连续变量量子随机数的量子噪声熵含量，其带宽则直接决定着连续变量量子随机数的熵源带宽，也就是说，平衡零拍探测器直接影响着连续变量量子随机数发生器的安全性及产生速率。通信技术的飞速发展对信息传输速度与安全性要求越来越高，随机数安全性及产率的提高迫在眉睫。所以本发明提出了研究适用于量子随机数产生的高信噪比、宽带平衡零拍探测器。
平衡零拍探测器在电路设计上多采用一级放大电路结构，这种电路结构因为级数低，器件少，引入的电子噪声少，能够保证较高的信噪比，但是其增益和带宽之间存在矛盾，不能同时获得高增益和宽带的性能。而采用二级放大电路结构的平衡零拍探测器，每一级放大都平衡增益和带宽性能，两级放大后，增益和带宽都能够获得提升，不过其信噪比只能刚刚满足大于10dB这一最低要求，并不能获得较大的值，原因在于随着放大级数的增加，器件增多，引入的电子噪声也会增加，从而导致信噪比降低。除此之外，目前的平衡零拍探测器所用到的放大器基本都是跨阻放大器，如SA5211、AD829AQ等，它们更适用于低频领域，在扩大带宽时，其增益性能会下降。这些问题很大程度上限制了平衡零拍探测器测量量子噪声的能力。因此，如何提高平衡零拍探测器性能，仍需要探究。
发明内容
本发明为了解决现有的量子随机数发生器中平衡零拍探测器信噪比低、带宽窄而导致的量子随机数安全性和产率低的问题，提出了一种适用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器，包括光电流产生电路、两级放大电路以及直流信号放大电路；
所述光电流产生电路包括第一光电二极管、第二光电二极管，第一光电二极管的阳极和第二光电二极管的阴极连接，第一光电二极管的阴极连接正电压，第二光电二极管的阳极连接负电压；
所述两级放大电路包括第一电容、低噪声系数射频放大器、第二电容、高增益射频放大器和第三电容；所述第一光电二极管的阳极通过第一电容连接低噪声系数射频放大器的输入端，低噪声系数射频放大器的输出端通过第二电容连接高增益射频放大器的输入端，高增益射频放大器的输出端通过第三电容连接交流输出；低噪声系数射频放大器和第二电容构成交流信号第一级放大电路，高增益射频放大器和第三电容构成交流信号第二级放大电路；
所述直流信号放大电路为比例放大电路，其输入端与第一光电二极管的阳极连接，输出端与直流输出端口连接。
进一步地，第一电容、第二电容和第三电容为隔直电容。
进一步地，第一电容、第二电容和第三电容都为pF量级。
进一步地，所述直流信号放大电路包括第一电感、第一电阻接地，第二电阻、第三电阻和电压放大器，第一光电二极管的阳极通过第一电感、第一电阻接地，电压放大器的正向输入端通过第一电阻接地，电压放大器的反向输入端通过第二电阻接地，电压放大器的输出端通过第三电阻接电压放大器的反向输入端，电压放大器的输出端连接直流输出。
进一步地，第一电感为uH量级，第一电阻为50Ω，第二电阻为50Ω，第三电阻为1000Ω。
进一步地，电压放大器型号为OP27G，采用正负供电模式。
进一步地，低噪声系数射频放大器是指噪声系数小于3dB的射频放大器，高增益射频放大器是指增益大于30dB的射频放大器。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)本发明中，交流信号放大电路采用两级放大结构且两级放大侧重点不同。经研究平衡零拍探测器的总噪声系数主要受第一级放大的噪声系数影响，所以设计第一级放大侧重噪声系数，因为采用低噪声系数射频放大器，此时第一级放大噪声系数低，增益也低；第二级放大侧重增益，采用高增益射频放大器，虽然这样的放大器增益和噪声系数都高，但是当放在第二级放大时，其噪声系数对平衡零拍探测器的总噪声系数影响就很小了，同时其高增益性能也补偿了第一级放大增益低的缺陷。这样的设计使得平衡零拍探测器的噪声系数大大降低，从而使得信噪比远超其他平衡零拍探测器，同时也保证了平衡零拍探测器的增益性能。
(2)本发明对平衡零拍探测器进行了改进，在交流信号放大电路中去掉了传统的跨组放大器，这种放大器带宽一般只有几十或者上百MHz，并不适合高频领域，而采用射频类放大器，其带宽通常有GHz，相比于跨阻放大器在增加探测器带宽方面更有优势。这样的改进使得平衡零拍探测器的带宽大大提高，现有的平衡零拍探测器测量带宽一般在MHz量级，本发明的测量带宽可达GHz量级。
(3)本发明实现了连续变量量子随机数发生器安全性和产生速率的显著提升。平衡零拍探测器的信噪比直接影响着连续变量量子随机数的量子熵含量，熵含量越高，量子随机数发生器安全性越高，本发明的高信噪比特性使得量子随机数的安全性得到了很好的保障；平衡零拍探测器的带宽直接决定着连续变量量子随机数的熵源带宽，带宽越宽，则采样范围越大，潜在的量子随机数实时产生速率也越高，本发明的宽带、高信噪比特性使得连续变量量子随机数的实时产生速率可得到显著提高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器的电路原理图；
图2为具有跨阻放大器电路结构的平衡零拍探测器原理图；
图3为本发明中的电路噪声模型示意图。
其中，1、第一光电二极管，2、第二光电二极管，3、第一电容，4、低噪声系数射频放大器，5、第二电容，6、高增益射频放大器，7、第三电容，8、第一电感，9、第一电阻，10、第二电阻，11、第三电阻，12、电压放大器，13、反馈电阻，14、跨阻放大器，15、第一光电二极管产生的光电流，16、第一光电二极管产生的热噪声，17、第一光电二极管产生的暗电流，18、第一光电二极管分流电阻，19、第一光电二极管结电容，20、第二光电二极管产生的光电流，21、第二光电二极管产生的热噪声，22、第二光电二极管产生的暗电流，23、第二光电二极管分流电阻，24、第二光电二极管结电容。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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所示，一种适用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器，可用于将连续变量量子态正交分量的微观噪声起伏探测放大到宏观水平的光电流信号，同时还可以监测两光电二级管入射光功率的大小。其包括光电流产生电路、两级放大电路以及直流信号放大电路；所述光电流产生电路包括第一光电二极管1、第二光电二极管2，第一光电二极管1的阳极和第二光电二极管2的阴极连接，第一光电二极管1的阴极连接正电压，第二光电二极管2的阳极连接负电压；
所述两级放大电路包括第一电容3、低噪声系数射频放大器4、第二电容5、高增益射频放大器6和第三电容7；所述第一光电二极管1的阳极通过第一电容3连接低噪声系数射频放大器4的输入端，低噪声系数射频放大器4的输出端通过第二电容5连接高增益射频放大器6的输入端，高增益射频放大器6的输出端通过第三电容7连接交流输出；低噪声系数射频放大器4和第二电容5构成交流信号第一级放大电路，高增益射频放大器6和第三电容7构成交流信号第二级放大电路；所述直流信号放大电路为比例放大电路，其输入端与第一光电二极管1的阳极连接，输出端与直流输出端口连接。
具体地，本实施例中，第一电容3、第二电容5和第三电容7为隔直电容。第一电容3、第二电容5和第三电容7都为pF量级。
进一步地，如图1所示，所述直流信号放大电路包括第一电感8、第一电阻9接地，第二电阻10、第三电阻11和电压放大器12，第一光电二极管1的阳极通过第一电感8、第一电阻9接地，电压放大器12的正向输入端通过第一电阻9接地，电压放大器12的反向输入端通过第二电阻10接地，电压放大器12的输出端通过第三电阻11接电压放大器12的反向输入端，电压放大器12的输出端连接直流输出。进一步地，第一电感为uH量级，第一电阻为50Ω，第二电阻为50Ω，第三电阻为1000Ω。电压放大器型号为OP27G，采用正负供电模式。
具体地，本实施例中，低噪声系数射频放大器是指噪声系数小于3dB的射频放大器，高增益射频放大器是指增益大于30dB的射频放大器。
具体地，本实施例中，低噪声系数射频放大器4和高增益射频放大器6的型号分别为PSA-39+和BGM1013。PSA-39+在1GHz时的噪声系数为2.2dB，增益为21.3dB；BGM1013在1GHz时的噪声系数为4.6dB，增益为35.5dB；。
具体地，本实施例的工作原理为：第一光电二极管1、第二光电二极管2产生的光电流，其直流分量经第一电感8、第一电阻9接地，并在第一电阻9上产生了电压信号，电压信号再输入到由电压放大器12、第二电阻10、第三电阻11构成的比例放大电路，经过放大后从直流输出端输出，用于监测两光电二级管入射光功率的大小；交流分量经由第一电容3输出到低噪声系数射频放大器4和第二电容5，经过第一次放大，然后输出到高增益射频放大器6和第三电容7，经过第二次放大，最后从交流输出端输出，用于测量连续变量量子态正交分量的噪声起伏。
本实施例中，两个光电二极管均测量1550nm的激光，具有低结电容、高响应度、低暗电流的特性；低噪声系数射频放大器具有宽带、低增益、低噪声系数的特性；高增益射频放大器具有宽带、高增益、高噪声系数的特性。
现有技术中多采用如图2所示的跨阻放大器电路结构来设计平衡零拍探测器，两光电二极管将光信号转化为光电流，光电流信号中的交流分量通过隔直电容进入跨阻放大器，然后通过反馈电阻将电流信号转化成电压信号，最后由AC端输出。跨阻放大器的增益(即反馈电阻R)与增益带宽GBW之间具有这样的关系：
式中C是跨阻放大器反向输入端的总电容(包括光电二极管的结电容、跨阻放大器的输入电容和寄生电容)，GBW为跨阻放大器的增益带宽，R是反馈电阻。可以看出，跨阻运算放大器的-3dB带宽与增益成反比。例如，跨阻放大器AD829，GBW为750MHz，反相输入端总电容约1uF(包括两光电二极管并联的结电容2pF、跨阻运算放大器的输入电容1uF)，当带宽为1GHz时，增益仅为万分之一，这相当于把电流信号放小了，并不符合我们的初衷。所以，在平衡零拍探测器中使用跨阻放大器时，探测器的带宽与增益不能同时取得很好的特性。
本发明使用的射频类放大器，其增益与带宽一般是固定的，这避免了增益与带宽之间的矛盾。已知本发明中两光电二极管的结电容均为1pF，低噪声系数射频放大器的带宽为6GHz，高增益射频放大器的带宽为3GHz，根据RC低通滤波器截止频率公式：
可得，其带宽为1.6GHz，再把元器件封装和焊脚的寄生电容考虑在内，总寄生电容约为1pF左右，那么带宽将下降0.6GHz，故平衡零拍探测器的带宽为1GHz，为GHz量级。已知在1GHz时，本发明中低噪声系数射频放大器的增益为21dB，高增益射频放大器的增益为36dB，根据射频类放大器级联增益公式：G＝G1+G2，其中，G为总功率增益，G1为低噪声系数射频放大器的功率增益，G2为高增益射频放大器的功率增益；可得平衡零拍探测器的总增益为57dB。综上所述，本发明所设计的平衡零拍探测器在带宽为1GHz时仍有57dB的增益，即在宽带时拥有较高的增益。
采用如图3所示的电路噪声模型来定量分析本发明平衡零拍探测器的信噪比。光电二极管的热噪声为：
其中K为波尔兹曼常数，T为热力学温度，Rd为光电二极管分流电阻。光电二极管的暗电流噪声为：
其中q为电子电量，id为光电二极管的暗电流。光电二极管的总噪声为：
光电二极管被1550nm激光照射时产生的光电流为：
iPD,signal＝P·ρ； (6)
其中P为入射光功率，ρ为光电二极管在1550nm波长时的响应度。光电流谱密度为：
因此，光电二极管处的信噪比为：
已知本发明中光电二极管的噪声等效功率：
假设入射光为8mW的1550nm激光，可得光电二极管处的信噪比为84.76dB。低噪声系数射频放大器的输入端信噪比约为光电二极管处的信噪比，故低噪声系数射频放大器输入端的信噪比为84.76dB。噪声系数是为了衡量某一线性电路(如放大器)或系统(如接收机)的噪声特性而引入的对系统内部噪声大小的度量，射频类放大器的噪声系数NF＝输入端信噪比/输出端信噪比，即：
其中，SNRin为输入端信噪比，SNRout为输出端信噪比。已知低噪声系数射频放大器的输入端信噪比为84.76dB，低噪声系数射频放大器的在1GHz时的噪声系数为2.2dB,高增益射频放大器的在1GHz时的噪声系数为4.6dB，由射频放大器级联噪声系数公式：
其中G1为低噪声系数射频放大器的功率增益，NF1为低噪声系数射频放大器的噪声系数，NF2为高增益频放大器的噪声系数，可得平衡零拍探测器的噪声系数为2.24dB，那么高增益射频放大器输出端信噪比为50.6dB，即平衡零拍探测器的信噪比为50.6dB。该信噪比不仅满足平衡零拍探测器信噪比必须大于10dB这一基本要求，而且远远超过其他平衡零拍探测器。
综上所述，本申请提供了一种用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器，交流信号放大电路采用两级放大结构且两级放大侧重点不同。第一级放大侧重噪声系数，采用低噪声系数射频放大器，此时第一级放大噪声系数低，增益也低；第二级放大侧重增益，采用高增益射频放大器，虽然这样的放大器增益和噪声系数都高，但是当放在第二级放大时，其噪声系数对平衡零拍探测器的总噪声系数影响就很小了，同时其高增益性能也补偿了第一级放大增益低的缺陷。因此，本申请的平衡零拍探测器的噪声系数大大降低，从而使得信噪比远超其他平衡零拍探测器，同时也保证了平衡零拍探测器的增益性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器，其特征在于，包括光电流产生电路、两级放大电路以及直流信号放大电路；
所述光电流产生电路包括第一光电二极管（1）、第二光电二极管（2），第一光电二极管（1）的阳极和第二光电二极管（2）的阴极连接，第一光电二极管（1）的阴极连接正电压，第二光电二极管（2）的阳极连接负电压；
所述两级放大电路包括第一电容（3）、低噪声系数射频放大器（4）、第二电容（5）、高增益射频放大器（6）和第三电容（7）；所述第一光电二极管（1）的阳极通过第一电容（3）连接低噪声系数射频放大器（4）的输入端，低噪声系数射频放大器（4）的输出端通过第二电容（5）连接高增益射频放大器（6）的输入端，高增益射频放大器（6）的输出端通过第三电容（7）连接交流输出；低噪声系数射频放大器（4）和第二电容（5）构成交流信号第一级放大电路，高增益射频放大器（6）和第三电容（7）构成交流信号第二级放大电路；
所述直流信号放大电路为比例放大电路，其输入端与第一光电二极管（1）的阳极连接，输出端与直流输出端口连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器，其特征在于，第一电容（3）、第二电容（5）和第三电容（7）为隔直电容。
3.根据权利要求1所述的一种用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器，其特征在于，第一电容（3）、第二电容（5）和第三电容（7）都为pF量级。
4.根据权利要求1所述的一种适用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器，其特征在于，所述直流信号放大电路包括第一电感（8）、第一电阻（9）接地，第二电阻（10）、第三电阻（11）和电压放大器（12），第一光电二极管（1）的阳极通过第一电感（8）、第一电阻（9）接地，电压放大器（12）的正向输入端通过第一电阻（9）接地，电压放大器（12）的反向输入端通过第二电阻（10）接地，电压放大器（12）的输出端通过第三电阻（11）接电压放大器（12）的反向输入端，电压放大器（12）的输出端连接直流输出。
5.根据权利要求4所述的一种适用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器，其特征在于，第一电感为uH量级，第一电阻为50Ω，第二电阻为50Ω，第三电阻为1000Ω。
6.根据权利要求4所述的一种适用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器，其特征在于，电压放大器型号为OP27G，采用正负供电模式。
7.根据权利要求1所述的一种适用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器，其特征在于，低噪声系数射频放大器为噪声系数小于3dB的射频放大器，高增益射频放大器为增益大于30dB的射频放大器。
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