CN114039666A - 一种强度调制装置及其稳定控制方法、qkd系统 - Google Patents

一种强度调制装置及其稳定控制方法、qkd系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种强度调制装置及其稳定控制方法、QKD系统，其能够自动实现强度调制器的工作点漂移补偿。借助本发明，通过监测输出光强的变化以及对偏置电压的扫描，可以在不改变强度调制装置/模块及QKD系统基本结构的基础上，以简单可靠的方式实时补偿强度调制器的工作点漂移，使其自动恢复在预设工作点上，从而允许提供稳定的强度调制。

Description

一种强度调制装置及其稳定控制方法、QKD系统
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，具体涉及一种能够自动补偿工作点漂移的强度调制装置及其稳定控制方法，以及应用这种强度调制装置的量子密钥分发(QKD)系统。
背景技术
量子通信是量子信息领域的一个重要分支，经过三十多年的发展，现在已经成为量子力学、电子科学、信息科学和密码学等多学科交叉融合的跨学科研究领域。其中，QKD是量子通信的重要组成部分，它在原理上可以为用户提供无条件安全的保密通信，其安全性由量子力学基本原理保证。
双场量子密钥分发(TF-QKD)是目前实现远距离量子通信的新技术。为抵御光子数分离攻击，TF-QKD及其类似协议中通常会使用诱骗态方案(例如三强度诱骗态方案)。同时，为测量光纤引起的相对相位差，通常需要在发送单光子信号之外，时分复用用于相位反馈的强参考光信号，即需要在诱骗态光强调制的基础上增加一种强度调制。
在QKD中，常常利用强度调制器(IM)对光信号进行强度调制，以实现各种诱骗态和相位反馈强参考光之间的强度比例。
目前，TF-QKD等系统通常使用Mach-Zehnder干涉式IM来进行强度调制。由于Mach-Zehnder干涉式IM的数学模型简单且驱动电压较低，因此在商用上十分普遍。如图1所示的Mach-Zehnder干涉式IM的工作原理，入射光Ein(t)被分解为频率、相位等性质完全相等的两个子信号，然后被送入IM的两条光支路中，这两条光支路都是由LiNbO3、LiTaO3等电光性材料制成。由于电光性材料的折射率会随着外加电压V1、V2的变化而变化，因此光支路中的光波相位也会发生变化。在输出端，两个调相后的光波信号互相叠加得到输出光信号Eout(t)，由于干涉现象的影响，光支路相位
Figure BDA0003377846630000021
将控制Eout(t)的幅值，当
Figure BDA0003377846630000022
相等时，Eout(t)幅值最大；当
Figure BDA0003377846630000023
相差为π时，Eout(t)幅值最小。
作用于电光性材料上的外加电压包括调制信号(电压)和偏置电压。调制信号为加载于IM上的射频信号(例如图2a中的方波、图2b中的正弦波、任意波等)，偏置电压用于设定IM的工作点。
如图2a-2b示出了IM的传输特性曲线，其可以通过改变IM的两个光支路之间的偏置电压获得。在该传输特性曲线中，峰值点通常称为Peak点，谷值点为Null点，两者中间斜率最大处的点为-Quad点和+Quad点，其中，Peak点和Null点之间偏置电压通常相差一个半波电压Vπ。如图所示，通过为IM施加不同的偏置电压，可以在IM上设置不同的工作点。
然而，尽管IM的制作工艺已经进一步提高，但其在实际使用场景中受环境影响而发生漂移的现象仍然不能完全避免，这将导致IM输出信号失真。如图2a-2b所示，当IM受外界因素影响发生漂移时，其调制特性曲线会发生整体偏移(左漂移或右漂移)，这导致相同偏置电压所对应的调制特性曲线上的工作点发生变化，此时，虽然调制信号保持不变，但是IM的输出光信号已发生改变。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明公开了能够自动实现工作点漂移补偿的强度调制装置/模块及其稳定控制方法，以及利用这种强度调制装置/模块实现的QKD系统。借助本发明，通过监测输出光强的变化以及对偏置电压的扫描，可以在不改变强度调制装置/模块及QKD系统基本结构的基础上，以简单可靠的方式实时补偿IM的工作点漂移，使其自动恢复在预设工作点上，从而允许提供稳定的强度调制。
具体而言，本发明的第一方面涉及一种用于IM的稳定控制方法，其包括预设步骤和补偿步骤；
所述预设步骤用于在当前偏置电压下，向IM加载调制信号，以使其对应于输入光信号输出第一光强，其中，所述第一光强为最大光强或最小光强；
所述补偿步骤用于在相同的输入光信号和调制信号下，改变所述IM的偏置电压，以确定使所述IM输出第二光强的第一偏置电压，并根据所述第一偏置电压锁定所述IM的偏置电压，其中：当所述第一光强为最大光强时，所述第二光强为所述IM在补偿步骤中产生的输出光强的峰值，当所述第一光强为最小光强时，所述第二光强为所述IM在补偿步骤产生的输出光强的谷值。
进一步地，在所述补偿步骤中，获取所述IM在多个偏置电压Bias(i)下的输出光强I(i)，并根据所述输出光强I(i)确定所述第一偏置电压。
进一步地，本发明的稳定控制方法还可以包括用于探测所述IM的工作点漂移的漂移监控步骤。
本发明的第二方面涉及一种用于强度调制模块的稳定控制方法，所述强度调制模块包括多个串联的IM，且所述稳定控制方法包括分别对所述多个IM中的每一个进行稳定控制处理的步骤；
其中，在所述稳定控制处理中，保持其他IM不变，利用上述稳定控制方法实现对所述IM的稳定控制。
进一步地，在所述稳定控制处理之前，使其他IM产生最大的输出光强。
本发明的第三方面涉及一种稳定的强度调制装置，其包括IM、调制信号发生单元、偏置电压发生单元、探测器和控制单元；
所述调制信号发生单元被设置用于向所述IM加载调制信号，其中，所述IM在第一调制信号下产生第一光强，所述第一光强为所述IM在当前偏置电压下输出的最大光强或最小光强；
所述偏置电压发生单元被设置用于控制所述IM的偏置电压；
所述IM被设置用于根据所述调制信号在输入光信号上提供强度调制；
所述探测器被设置用于探测所述IM的输出光强；
所述控制单元被设置用于控制所述偏置电压发生单元在预设范围内改变加载有所述第一调制信号的IM的偏置电压，以确定使所述IM输出第二光强的第一偏置电压，并根据所述第一偏置电压锁定所述IM的偏置电压，其中：当所述第一光强为最大光强时，所述第二光强为所述IM在所述预设范围内产生的输出光强的峰值，当所述第一光强为最小光强时，所述第二光强为所述IM在所述预设范围内产生的输出光强的谷值。
进一步地，所述控制单元还被设置用于根据所述IM的输出光强的变化，判断所述IM是否存在工作点漂移。
本发明的第四方面涉及一种稳定的强度调制模块，其包括N个串联的IM、调制信号发生单元、偏置电压发生单元、探测器和控制单元，N为大于1的正整数；
所述调制信号发生单元被设置用于向所述IM加载调制信号，其中，所述IM在第一调制信号下产生第一光强，所述第一光强为所述IM在当前偏置电压下输出的最大光强或最小光强；
所述偏置电压发生单元被设置用于控制所述IM的偏置电压；
所述IM被设置用于根据所述调制信号，在输入光信号上提供强度调制；
所述探测器被设置用于探测所述IM的输出光强；
所述控制单元被设置用于控制所述偏置电压发生单元在预设范围内改变第i个IM的偏置电压，以确定使其输出第二光强的第一偏置电压，并根据所述第一偏置电压锁定所述第i个IM的偏置电压，其中：当所述第一光强为最大光强时，所述第二光强为所述第i个IM在所述预设范围内产生的输出光强的峰值，当所述第一光强为最小光强时，所述第二光强为所述第i个IM在所述预设范围内产生的输出光强的谷值，且i为不大于N的正整数。
本发明的第五方面涉及一种QKD系统，其包括上述强度调制模块，以及分束器；
所述强度调制模块被设置用于对输入光信号提供强度调制；
所述分束器被设置用于将所述强度调制模块的输出光信号分成第一和第二分量；
所述强度调制模块中的探测器被设置用于对所述第一或第二分量进行探测。
进一步地，所述调制信号发生单元包括任意信号发生器；以及/或者，所述探测器包括超导纳米线单光子探测器；以及/或者，所述强度调制模块包括四个串联的IM。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
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使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
图1示出了Mach-Zehnder干涉式IM的工作原理；
图2a和2b分别示出了IM的传输特性曲线；
图3示出了根据本发明的强度调制装置/模块及QKD系统的一种示例性实施方式；
图4示例性地示出了图3的强度调制模块在稳定控制处理中输出光强与时间关系图。
具体实施方式
在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
图3示出了根据本发明的强度调制装置/模块及QKD系统的一种示例。
根据本发明的强度调制装置可以包括IM、调制信号发生单元、偏置电压发生单元、探测器和控制单元。
偏置电压发生单元(BC)用于向IM施加偏置电压，以例如控制其在传输特性曲线上的工作点。例如，可以经校准，通过在IM上提供合适的偏置电压使其工作点位于传输特性曲线的-Quad点或+Quad点上。
调制信号发生单元用于向IM加载调制信号，以例如控制IM在输入光信号上实现的调制强度。调制信号可以为射频信号，例如方波信号、正弦波信号、任意波信号等。作为示例，调制信号发生单元可以包括任意信号发生器(AWG)。
IM则可以在调制信号和偏置电压的共同作用下，在输入光信号上提供相应的强度调制。
探测器设置在IM的输出端，用于探测其输出光强。作为示例，探测器可以包括单光子探测器，例如超导纳米线单光子探测器。
控制单元可以利用探测器输出的探测结果，根据IM的输出光强的变化，判断IM上是否出现了工作点漂移事件；并且，还可以在发生工作点漂移事件时，例如控制偏置电压发生单元改变作用于IM上的偏置电压，补偿这种工作点的漂移，将IM重新锁定在正常工作状态所对应的工作点上。由此，可以保证IM在输入光信号上稳定地提供强度调制。
为更好地理解本发明的控制单元的工作原理，下面将结合图3描述根据本发明的用于IM的稳定控制方法。
通常情况下，在设置IM时，需要对IM进行校准调节操作，通过在IM上施加合适的偏置电压以使其处于(传输特性曲线)预设工作点上，例如-Quad点和+Quad点。在正常工作状态下，IM在该预设工作点上工作，因此允许控制调制信号的大小获得相应的强度调制。
如前所述，在工作一段时间内，由于受到环境温度、湿度、外力、震动以及自然老化等因素的影响，IM的工作点可能会发生漂移，这将导致在相同调制信号下输出的调制强度发生变化。此时，对于相同的输入光信号，IM的输出光强(即光子数)将会增加或减少，这种光强的变化则可以通过探测器监测到。
因此，本发明的稳定控制方法可以包括漂移监控步骤，其用于探测在IM上是否发生了工作点漂移事件。
具体而言，控制单元可以借助探测器监控IM的输出光强的不期望变化，例如在输入光信号和调制信号均未发生变化时，输出光强却出现了变化，并在监控到这种不期望变化时判断在IM上发生了工作点漂移事件。
本申请的发明人注意到，IM的转换函数可以表达为：
Figure BDA0003377846630000071
其中，Pout为输出光强，Pin为输入光强，Vb为偏置电压，Vπ为IM的半波电压(对于相同的Pin，使Pout从最小值变到最大值需要改变的电压值)，θ为IM的本征相位。
每个IM都有固定的半波电压Vπ，而θ会受环境、机械、老化等因素影响，导致其工作点发生漂移。因此，基于该转换函数可知，在工作点发生漂移时，通过改变IM的偏置电压Vb可以补偿θ的变化，使IM稳定地在预设工作点上工作，从而允许实现稳定的强度调制。
进一步地，经研究发现，例如图2a-2b所示，无论IM是否发生工作点漂移，IM调制输出的光信号的波形与调制电信号的波形在峰值位置和谷值位置上仍然是相互对应的。
基于此，本发明提出为补偿IM的工作点漂移，还需要执行预设步骤和补偿步骤。
在预设步骤中，在当前偏置电压和输入光信号下，由调制信号发生单元向IM施加第一调制信号，以使其输出具有第一光强的调制信号。其中，第一光强可以为最大输出光强，也可以为最小输出光强。
在保持向IM施加第一调制信号的情况下，执行补偿步骤。
在补偿步骤中，可以在预设的一定电压范围(例如[-10V，10V)内改变IM的偏置电压Bias(i)，同时监测IM的输出光强I(i)，直至确定使IM输出的第二光强的第一偏置电压。
根据本发明，当第一光强为最大输出光强时，第二光强则相应为IM的输出光强的峰值；当第一光强为最小输出光强时，第二光强则相应为IM的输出光强的谷值。
例如在图3的示例中，可以在IM1上加载第一调制信号，使其输出强度最小，即SNSPD实时检测的光子计数率最小。
在此基础上，可以通过BC在预设电压范围(例如[-10V，10V)内扫描施加于IM1上的偏置电压，以确定使其输出强度最小(即SNSPD实时检测的光子计数率最小)的第一偏置电压。例如，在[-10V，10V]之间，首先通过大步长(如0.5V)来大致锁定调制范围，然后再设置小步长(如0.1V)来更精确的锁定需要的偏置电压，直至达到最小的计数率为止。
本领域技术人员能够理解，此时确定的第一偏置电压为对应于当前传输特性曲线上的Peak点或Null点的偏置电压。由于传输特性曲线上其他工作点与Peak点或Null点存在确定的对应关系，因此，基于该第一偏置电压，可以锁定正常工作状态所要求的预设工作点所对应的偏置电压。换言之，基于该第一偏置电压，可以确定在当前时刻，使IM恢复预设工作点(例如-Quad点和+Quad点)的偏置电压。
由此可见，在本发明的IM中，可以借助控制单元利用探测器的探测结果，实现上述稳定控制方法，从而自动地将漂移的工作点恢复到预设工作点上，进而保证IM能够提供稳定的强度调制。
在QKD系统等应用中，往往需要设置多级IM来实现高消光比的强度调制，因此，本发明还在上文的基础上进一步扩展，描述用于包括多个串联的IM的强度调制模块的稳定控制方法。其中，出于简要的目的，与上文中相同的内容不再赘述。
根据本发明，强度调制模块可以包括多个(N个)串联的IM、偏置电压发生单元、探测器和控制单元，用以为输入光信号提供高消光比。
偏置电压发生单元用于分别向每个IM施加偏置电压。例如图3所示，当N＝4时，可以相应地具有四个偏置电压发生单元BC1、BC2、BC3和BC4，分别用于向IM1、IM2、IM3和IM4施加偏置电压。
调制信号发生单元用于为每个IM加载调制信号。
每个IM则可以在相应的偏置电压下，根据被加载的调制信号在输入光信号上提供相应的强度调制。
探测器用于探测由多个串联的IM联合调制输出的光强。
控制单元可以利用探测器输出的探测结果，根据输出光强的变化，判断强度调制模块(其中的IM)是否出现了工作点漂移事件；并且，还可以在发生工作点漂移时，分别改变各个IM上的偏置电压，以补偿其上可能存在的工作点漂移，重新将各个IM锁定在正常工作状态所要求的工作点上。由此，可以保证各个IM在输入光信号上稳定地提供强度调制，由此实现强度调制模块的稳定控制。
具体而言，在对强度调制模块进行稳定控制时，可以利用上文所述的稳定控制方法逐个对强度调制模块中的IM提供稳定控制处理。
然而，需要说明的是，在对强度调制模块中的某一个IM(例如第i个IM)进行稳定控制处理时，可以保持其他IM的工作状态不变，此时，由多个串联的IM调制输出的光强上的变化即为经历稳定控制处理的第i个IM的输出光强的变化。
进一步地，为改善探测器的信噪比，在对强度调制模块中的某一个IM(例如第i个IM)进行稳定控制之前，可以使其他IM处于输出最大光强的工作状态。
进一步地，本发明还提出了一种具有稳定的强度调制功能的QKD系统，其包括上文所公开的强度调制模块，以及分束器。
分束器被设置成对强度调制模块的输出光信号进行分光，以形成第一分量和第二分量。
其中，第一分量可以被用于实现QKD过程，第二分量可以由强度调制模块中的探测器进行探测，用以监测强度调制模块的输出光强的变化，以允许实现对强度调制模块的稳定控制。
在图3所示的QKD系统中，强度调制模块包括串联的四个IM，即IM1、IM2、IM3和IM4。
在搭建QKD系统时，可以对各个IM进行调节校准，使它们处于具有预设工作点的正常工作状态，并开始执行QKD过程。
在工作过程中，强度调制模块中的控制单元通过探测器监测强度调制模块的输出光强变化，并在监测到输出光强发生变化时，停止执行QKD过程，开始执行稳定控制处理，以使强度调制模块恢复至正常工作状态。
在稳定控制处理中，借助强度调制模块中的控制单元逐级对各个IM进行调制。
图4示例性地示出了图3的强度调制模块在稳定控制处理中输出光强与时间关系图。
如图4所述，可以在t0-t1时间段对IM1开展稳定控制处理。在此期间，可以在IM1上加载调制电信号以使IM1的输出光强最小，同时在IM2，IM3，IM4上加载调制电信号使IM2，IM3，IM4的输出光强最大。然后，通过BC1对施加于IM1上的偏置电压进行扫描，以获得使探测器的计数率达到最低值的第一偏置电压。因此，可以根据该第一偏置电压确定使IM1处于预设工作点的偏置电压，从而将IM1恢复为正常工作状态。
接着，分别在t1-t2、t2-t3，t3-t4等时间段对IM2、IM3，IM4进行上述稳定控制处理，分别获得关于IM2、IM3、IM4的第一偏置电压，并基于第一偏置电压使IM2、IM3和IM4恢复为正常工作状态。
最终，完成QKD系统中强度调制模块的工作点漂移补偿，使其能够稳定地实现强度调制功能。
由此可见，借助本发明的稳定控制方法，可以在不改变强度调制装置/模块和QKD原有结构的基础上，以简单可靠的方式，自动地实现IM工作点漂移的监测和补偿，从而确保强度调制装置能够提供稳定的强度调制，进而保证QKD系统的系统效率，尤其是能够有效保证TF-QKD等系统的稳定成码。
此外，通过在QKD系统中采用这种强度调制装置/模块，可以稳定地实现高消光比，从而改善系统成码率。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于强度调制器的稳定控制方法，其包括预设步骤和补偿步骤；
所述预设步骤用于在当前偏置电压下，向强度调制器加载调制信号，以使其对应于输入光信号输出第一光强，其中，所述第一光强为最大光强或最小光强；
所述补偿步骤用于在相同的输入光信号和调制信号下，改变所述强度调制器的偏置电压，以确定使所述强度调制器输出第二光强的第一偏置电压，并根据所述第一偏置电压锁定所述强度调制器的偏置电压，其中：当所述第一光强为最大光强时，所述第二光强为所述强度调制器在补偿步骤中产生的输出光强的峰值，当所述第一光强为最小光强时，所述第二光强为所述强度调制器在补偿步骤产生的输出光强的谷值。
2.如权利要求1所述的稳定控制方法，其中，在所述补偿步骤中，获取所述强度调制器在多个偏置电压Bias(i)下的输出光强I(i)，并根据所述输出光强I(i)确定所述第一偏置电压。
3.如权利要求1所述的稳定控制方法，其还包括用于探测所述强度调制器的工作点漂移的漂移监控步骤。
4.一种用于强度调制模块的稳定控制方法，所述强度调制模块包括多个串联的强度调制器，且所述稳定控制方法包括分别对所述多个强度调制器中的每一个进行稳定控制处理的步骤；
其中，在所述稳定控制处理中，保持其他强度调制器不变，利用如权利要求1-3中任一项所述的稳定控制方法实现对所述强度调制器的稳定控制。
5.如权利要求4所述的稳定控制方法，其中，在所述稳定控制处理之前，使其他强度调制器产生最大的输出光强。
6.一种稳定的强度调制装置，其包括强度调制器、调制信号发生单元、偏置电压发生单元、探测器和控制单元；
所述调制信号发生单元被设置用于向所述强度调制器加载调制信号，其中，所述强度调制器在第一调制信号下产生第一光强，所述第一光强为所述强度调制器在当前偏置电压下输出的最大光强或最小光强；
所述偏置电压发生单元被设置用于控制所述强度调制器的偏置电压；
所述强度调制器被设置用于根据所述调制信号在输入光信号上提供强度调制；
所述探测器被设置用于探测所述强度调制器的输出光强；
所述控制单元被设置用于控制所述偏置电压发生单元在预设范围内改变加载有所述第一调制信号的强度调制器的偏置电压，以确定使所述强度调制器输出第二光强的第一偏置电压，并根据所述第一偏置电压锁定所述强度调制器的偏置电压，其中：当所述第一光强为最大光强时，所述第二光强为所述强度调制器在所述预设范围内产生的输出光强的峰值，当所述第一光强为最小光强时，所述第二光强为所述强度调制器在所述预设范围内产生的输出光强的谷值。
7.如权利要求6所述的强度调制装置，其中，所述控制单元还被设置用于根据所述强度调制器的输出光强的变化，判断所述强度调制器是否存在工作点漂移。
8.一种稳定的强度调制模块，其包括N个串联的强度调制器、调制信号发生单元、偏置电压发生单元、探测器和控制单元，N为大于1的正整数；
所述调制信号发生单元被设置用于向所述强度调制器加载调制信号，其中，所述强度调制器在第一调制信号下产生第一光强，所述第一光强为所述强度调制器在当前偏置电压下输出的最大光强或最小光强；
所述偏置电压发生单元被设置用于控制所述强度调制器的偏置电压；
所述强度调制器被设置用于根据所述调制信号，在输入光信号上提供强度调制；
所述探测器被设置用于探测所述强度调制器的输出光强；
所述控制单元被设置用于控制所述偏置电压发生单元在预设范围内改变第i个强度调制器的偏置电压，以确定使其输出第二光强的第一偏置电压，并根据所述第一偏置电压锁定所述第i个强度调制器的偏置电压，其中：当所述第一光强为最大光强时，所述第二光强为所述第i个强度调制器在所述预设范围内产生的输出光强的峰值，当所述第一光强为最小光强时，所述第二光强为所述第i个强度调制器在所述预设范围内产生的输出光强的谷值，且i为不大于N的正整数。
9.一种量子密钥分发系统，其包括如权利要求8所述的强度调制模块和分束器；
所述强度调制模块被设置用于对输入光信号提供强度调制；
所述分束器被设置用于将所述强度调制模块的输出光信号分成第一和第二分量；
所述强度调制模块中的探测器被设置用于对所述第一或第二分量进行探测。
10.如权利要求9所述的量子密钥分发系统，其中：
所述调制信号发生单元包括任意信号发生器；以及/或者，
所述探测器包括超导纳米线单光子探测器；以及/或者，
所述强度调制模块包括四个串联的强度调制器。
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