CN114389706A - 一种测量qkd系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统及方法 - Google Patents

一种测量qkd系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的方法，包括激光光源、光分束器、待测铌酸锂相位调制器、光耦合器、光电探测器、信号发生器和外接设备；信号发生器产生周期性锯齿波电信号驱动待测铌酸锂相位对光信号进行相位调制后得到相位调制光信号，经过光耦合器以及光电探测器后输出周期电信号，周期电信号与信号发生器生成的周期性锯齿波参考电信号同时输入到外接设备，使得外接设备显示一个或多个有完整周期的余弦或正弦波。本发明系统将输入相位调制器的直流电信号换成周期性锯齿波电信号，用周期性锯齿波电信号的周期与余弦或正弦波光信号的周期的比值来确定半波电压，减少了半波电压的测量误差，提高了半波电压的测量精度。

Description

一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统及方法
技术领域
本发明涉及量子信息与光纤通信等技术领域，具体涉及一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统及方法。
背景技术
保密通信不仅在军事、国防等领域发挥独特作用，而且在经济和私人通信等方面也有着广泛的用途。保密通信的安全性主要取决于密钥的安全性，因此，如何安全可靠、迅速高效地在通信双方分配密钥就成为保密通信的一个重大课题。量子密钥分发(quantumkey distribution，QKD)利用量子物理基本原理，从理论上讲可产生无条件安全的密钥。相位编码的QKD系统是通过光脉冲上加载的相位来传递信息的，其关键器件为相位调制器，常用的是电光相位调制器，如铌酸锂相位调制器。半波电压作为铌酸锂电光调制器的重要指标之一，它指使光信号相位改变π所需要的驱动电压，通常用Vπ表示。其测量精度将直接影响QKD系统的性能，半波电压值偏大或偏小都会造成系统误码率升高，密钥生成率降低。
目前测量相位调制器半波电压最常用的方法是极值测量法，其基本原理是搭建马赫-曾德尔干涉仪，在干涉仪的一臂放置调制器，并对调制器加载直流电压，由于所加电压的大小决定了通过干涉仪两臂的光信号的相位差，进而决定了干涉仪输出光强的大小，而根据干涉理论可知，干涉输出光强极大值时的相位差和相邻光强极小值时相位差的差值为π，因此，干涉输出光强相邻极大值和极小值所对应的直流电压之差即为调制器的半波电压；采用极值测量法相对比较简便，但由于外界环境变化(如温度变化、振动等)极易引起相位漂移，从而造成干涉仪输出光强很难长时间稳定，以及准确地定位干涉仪输出光强极大值和极小值的位置本身就有一定的难度，因此极值测量法很难对调制器的半波电压进行精确的测量。
专利“CN104020334A”提出了一种基于测量电路控制模块的方案，通过快速调制和快速读取减小了相位漂移造成的测量误差；专利“CN105717344A”公布了一种基于法拉第反射镜的干涉仪系统，由于干涉光信号通过完全相同的路径，尽管有一个小的时间延迟，但由于相位漂移速度远远小于光速，因此，此系统同样减小了相位漂移造成的测量误差；专利“CN101881669B”阐述了实时闭环测量和追踪半波电压的方法，这种测试方法不仅减小了相位漂移造成的测量误差，而且能够提高测试精度，但这几种方案或增加了系统装置的难度，或增加了系统操作的难度。
因此，有待对现有技术的不足进行改进，提出一种测量QKD系统测量铌酸锂相位调制器半波电压的系统及系统及方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，为了解决对调制器的半波电压进行精确测量的问题，提出了一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统及方法。
本发明方法通过下述技术方案实现的：
一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统，所述系统包括激光光源、光分束器、待测铌酸锂相位调制器、光耦合器、光电探测器、信号发生器和外接设备；
所述激光光源用于产生光信号；
所述光分束器用于将光信号分为两路光信号；
所述待测铌酸锂相位调制器用于对光信号的相位进行调制；
所述光耦合器用于合束两路光信号，以使它们干涉输出周期性余弦或正弦波光信号；
所述光电探测器用于将光信号转换成电信号；
所述信号发生器用于产生周期性锯齿波调制信号及周期性锯齿波参考信号；
所述外接设备用于检测电信号并显示余弦或正弦波；
所述激光光源发出的光信号进入所述光分束器后被分为第一路和第二路两路光信号，其中第一路光信号进入所述光耦合器，第二路光信号进入所述待测铌酸锂相位调制器；所述信号发生器输出周期性锯齿波电信号驱动所述待测铌酸锂相位调制器对所述第二路光信号进行相位调制生成相位调制信号，所述相位调制光信号进入所述光耦合器在所述光耦合器中与第一路光信号进行干涉，干涉输出的周期性余弦或正弦波光信号随后进入光电探测器，所述光电探测器将周期性余弦或正弦波光信号转化为周期电信号后输入到外接设备；
所述信号发生器还生成周期性锯齿波参考电信号进入到外接设备。
进一步地，所述外接设备为示波器。
进一步地，所述激光光源发出的光信号至少包括两种，分别为连续光信号和脉冲光信号。
进一步地，当激光光源发出的光信号为连续光信号，所述外接设备显示连续的余弦或正弦波。
进一步地，当激光光源发出的光信号为脉冲光信号，所述外接设备显示余弦或正弦包络。
进一步地，所述光分束器、待测铌酸锂相位调制器和光耦合器的尾纤均为保偏光纤。
一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的方法，应用了上述的一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统，该方法包括如下步骤：
步骤1：激光光源发出光信号进入到光分束器；
步骤2：所述光分束器将光信号分为第一和第二两路光信号；
步骤3：信号发生器产生周期性锯齿波电信号驱动所述待测铌酸锂相位调制器对第二路光信号进行相位调制得到相位调制光信号；
步骤4：所述第一路光信号和所述相位调制光信号进入所述光耦合器；
步骤5：所述光耦合器将所述第一路光信号和相位调制光信号合束，两束光信号干涉后输出周期性余弦或正弦波光信号并进入光电探测器；
步骤6：所述光电探测器将周期性余弦或正弦波光信号转化为周期电信号后输入到所述外接设备；
同时，所述信号发生器生成的周期性锯齿波参考电信号输入到所述外接设备；
步骤7：调节所述信号发生器的电压，控制所述外接设备显示在锯齿波的一个周期内包含一个或多个完整周期的余弦或正弦波、或者包含一个或多个完整周期的余弦或正弦包络；
步骤8：根据余弦、正弦波或余弦、正弦包络的周期计算出半波电压Vπ，计算公式为：
Figure BDA0003453778620000041
其中，Vpp为周期性锯齿波电信号的幅度，T1为周期性锯齿波电信号的周期，T2为余弦、正弦波、余弦或正弦包络的周期。
进一步地，所述外接设备为示波器。
进一步地，当激光光源发出的光信号为连续光信号，所述外接设备显示连续的余弦或正弦波；
进一步地，当激光光源发出的光信号为脉冲光信号，所述外接设备显示余弦或正弦包络。
本发明的有益效果为：
本发明公开的一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统及方法，将输入相位调制器的直流电信号换成周期性锯齿波电信号，用周期性锯齿波电信号的周期与在周期性锯齿波电信号调制下输出的余弦或正弦波光信号的周期的比值来确定半波电压，减小了当采用极值测量法时因判断位置产生误差而引起的半波电压的测量误差，在QKD量子通信终端实际工程应用中，本发明大大提高了半波电压的测量精度，可减小系统误码率，提高成码率。
附图说明
图1为基于马赫-曾德尔干涉仪的相位编码QKD系统框图；
图2为本发明的系统框图；
图3为本发明的连续的余弦或正弦波形图；
图4为本发明的余弦或正弦包络波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
图1为基于马赫-曾德尔干涉仪的相位编码QKD系统框图，信道采用时分马赫-曾德尔干涉仪。由于干涉结果决定了携带信息的单光子的传输路径，因此，通信双方借助相位调制器调节干涉脉冲的相位差，利用单光子探测器计数，便可实现二进制数据的传输。为了监测窃听，发送端(Alice)还需随机切换正交相位编码基。于是，理想情况下，根据单光子探测器的响应情况和收、发双方各自施加的相位编码调制信息的比对结果，通信双方便可实现密钥共享。
通过以上过程描述我们知道，对相位编码的QKD系统，相位调制器是构成系统的核心元件，它直接参与了传输数据的编解码过程。因此，为提高系统成码率，我们需要精确测量相位调制器半波电压，进而实现对相位的精确控制。
一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统如图2所示，所述系统包括激光光源、光分束器、待测铌酸锂相位调制器、光耦合器、光电探测器、信号发生器和外接设备；
所述激光光源用于产生光信号；
所述光分束器用于将光信号分为两路光信号；
所述待测铌酸锂相位调制器用于对光信号的相位进行调制；
所述光耦合器用于合束两路光信号，以使它们干涉输出周期性余弦或正弦波光信号；
所述光电探测器用于将光信号转换成电信号；
所述信号发生器用于产生周期性锯齿波调制信号及周期性锯齿波参考信号；
所述外接设备用于查看完整周期的连续的余弦或正弦波和周期性锯齿波参考信号；
本系统的工作原理为：所述激光光源发出的光信号进入所述光分束器后被分为第一路和第二路两路光信号，其中第一路光信号进入所述光耦合器，第二路光信号进入所述待测铌酸锂相位调制器；
另外，所述信号发生器输出周期性锯齿波电信号驱动所述待测铌酸锂相位调制器对所述第二路光信号进行相位调制生成相位调制信号，所述相位调制光信号进入所述光耦合器在所述光耦合器中与第一路光信号进行干涉，干涉输出的周期性余弦或正弦波光信号随后进入光电探测器，所述光电探测器将周期性余弦或正弦波光信号转化为周期电信号后输入到外接设备；所述信号发生器还生成周期性锯齿波参考电信号进入到外接设备。
其中，所述外接设备为示波器，当周期电信号和周期性锯齿波参考电信号输入到示波器后，示波器显示在锯齿波的一个周期内包含有一个或多个完整周期的余弦或正弦波。
激光光源发出的光信号进入所述光分束器，光信号在光分束器中被分为第一路和第二路两路光信号，其中，第一路光信号进入所述光耦合器，第二路光信号则进入所述待测铌酸锂相位调制器；其中，待测铌酸锂调制器主要是利用铌酸锂晶体的电光效应从而使输入的光信号的相位发生变化，而测量半波电压，实质为测量待测铌酸锂调制器引起相位延迟为π时所对应的电压的改变量。
在信号发生器输出的周期性锯齿波电信号的驱动下，待测铌酸锂相位调制器对输入的第二路光信号进行相位调制后生成相位调制信号；由于周期性锯齿波电信号调制的速度远大于系统所处环境变化的速度，则可以解决由于外界环境变化引起相位漂移带来的半波电压测量精度差的问题，在一个锯齿波周期内有多个周期的余弦或正弦光信号时，则测量得到的半波电压相当于多次测量得到的半波电压的平均值，这在一定程度上提高了半波电压的测量精度。
待测铌酸锂相位调制器输出的相位调制光信号进入光耦合器后与第一路光信号进行干涉，光耦合器输出周期性余弦或正弦波光信号进入光电探测器后转化为周期电信号，周期电信号输入示波器后，当信号发生器输出的周期性锯齿波参考信号到达示波器时，在示波器上可以显示一个或多个周期的余弦或正弦波形图；
其中，为了确保测量结果的准确性，应调节信号发生器的电压使得在示波器上显示一个周期性锯齿波参考信号的周期内包含多个有完整周期的余弦或正弦波形图。
进一步地，所述激光光源发出的光信号至少包括两种，分别为连续光信号和脉冲光信号。
当激光光源发出的光信号为连续光信号时，示波器最终显示连续的余弦或正弦波形图，如图3所示，当周期性锯齿波电信号幅度为Vpp，周期为T1，输出的周期性余弦或正弦波的周期为T2，根据下式计算得到调制器的半波电压Vπ：
Figure BDA0003453778620000061
当激光光源发出的光信号为脉冲光信号时，示波器显示余弦或正弦包络，如图3所示，当周期性锯齿波电信号幅度为Vpp，周期为T1，输出的周期性余弦或正弦包络的周期为T2，根据下式计算得到调制器的半波电压Vπ：
Figure BDA0003453778620000071
一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的方法，应用了上述的一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统，该方法包括如下步骤：
步骤1：激光光源发出光信号进入到光分束器；
其中，所述激光光源发出的光信号至少包括两种，分别为连续光信号和脉冲光信号。
步骤2：所述光分束器将光信号分为第一和第二两路光信号；
步骤3：信号发生器产生周期性锯齿波电信号驱动所述待测铌酸锂相位调制器对第二路光信号进行相位调制得到相位调制光信号；
步骤4：所述第一路光信号和所述相位调制光信号进入所述光耦合器；
步骤5：所述光耦合器将所述第一路光信号和相位调制光信号合束，两束光信号干涉后输出周期性余弦或正弦波光信号并进入光电探测器；
步骤6：所述光电探测器将周期性余弦或正弦波光信号转化为周期电信号后输入到所述外接设备；
其中，所述外接设备为示波器。
同时，所述信号发生器生成的周期性锯齿波参考电信号输入到所述外接设备；
步骤7：调节所述信号发生器的电压，控制所述外接设备显示在锯齿波的一个周期内包含一个或多个完整周期的余弦或正弦波、或者包含一个或多个完整周期的余弦或正弦包络；
步骤8：根据余弦、正弦波或余弦、正弦包络的周期计算出半波电压Vπ，计算公式为：
Figure BDA0003453778620000072
其中，Vpp为周期性锯齿波电信号的幅度，T1为周期性锯齿波电信号的周期，T2为余弦、正弦波或余弦、正弦包络的周期。
其中，当激光光源发出的光信号为连续光信号时，示波器最终显示连续的余弦或正弦波形图，如图3所示，当周期性锯齿波电信号幅度为Vpp，周期为T1，输出的周期性余弦或正弦波的周期为T2，根据下式计算得到调制器的半波电压Vπ：
Figure BDA0003453778620000081
当激光光源发出的光信号为脉冲光信号时，示波器显示余弦或正弦包络，如图4所示，当周期性锯齿波电信号幅度为Vpp，周期为T1，输出的周期性余弦或正弦包络的周期为T2，根据下式计算得到调制器的半波电压Vπ：
Figure BDA0003453778620000082
本发明通过将周期性锯齿波电信号加载在待测铌酸锂相位调制器上对光信号进行相位调制，并通过监测示波器上显示的信号波形图的周期来计算半波电压，减少了当采用极值测量法时因判断位置产生误差从而引起半波电压的测量误差；并且当周期性锯齿波电信号的波峰值足够大，使得一个锯齿波周期内有多个周期的光信号时，测量得到的半波电压相当于多次测量得到的半波电压的均值，这使得在一定程度上提高了半波电压的测量精度，在QKD量子通信终端实际工程实际应用中，可减小系统误码率，提高QKD的成码率。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统，所述系统包括激光光源、光分束器、待测铌酸锂相位调制器、光耦合器、光电探测器、信号发生器和外接设备；
所述激光光源用于产生光信号；
所述光分束器用于将光信号分为两路光信号；
所述待测铌酸锂相位调制器用于对光信号的相位进行调制；
所述光耦合器用于将两路光信号合束处理，使两路光信号干涉输出周期性余弦或正弦波光信号；
所述光电探测器用于将光信号转换成电信号；
所述信号发生器用于产生周期性锯齿波调制信号及周期性锯齿波参考信号；
所述外接设备用于检测电信号并显示余弦或正弦波；
所述激光光源发出的光信号进入所述光分束器后被分为第一路和第二路两路光信号，其中第一路光信号进入所述光耦合器，第二路光信号进入所述待测铌酸锂相位调制器；所述信号发生器输出周期性锯齿波电信号驱动所述待测铌酸锂相位调制器对所述第二路光信号进行相位调制生成相位调制信号，所述相位调制光信号进入所述光耦合器在所述光耦合器中与第一路光信号进行干涉，干涉输出的周期性余弦或正弦波光信号随后进入光电探测器，所述光电探测器将周期性余弦或正弦波光信号转化为周期电信号后输入到外接设备；
所述信号发生器还生成周期性锯齿波参考电信号进入到外接设备。
2.根据权利要求1所述的一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统，其特征在于，所述外接设备为示波器。
3.根据权利要求1所述的一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统，其特征在于，所述激光光源发出的光信号至少包括连续光信号和脉冲光信号。
4.根据权利要求3所述的一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统，其特征在于，当激光光源发出的光信号为连续光信号，所述外接设备显示连续的余弦或正弦波。
5.根据权利要求3所述的一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统，其特征在于，当激光光源发出的光信号为脉冲光信号，所述外接设备显示余弦或正弦包络。
6.根据权利要求1所述的一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统，其特征在于，所述光分束器、待测铌酸锂相位调制器和光耦合器的尾纤均为保偏光纤。
7.一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的方法，应用了如1-6的权利要求书任意一项所述的一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的系统，该方法包括如下步骤：
步骤1：激光光源发出光信号进入到光分束器；
步骤2：所述光分束器将光信号分为第一和第二两路光信号；
步骤3：信号发生器产生周期性锯齿波电信号驱动所述待测铌酸锂相位调制器对第二路光信号进行相位调制得到相位调制光信号；
步骤4：所述第一路光信号和所述相位调制光信号进入所述光耦合器；
步骤5：所述光耦合器将所述第一路光信号和相位调制光信号合束，两束光信号干涉后输出周期性余弦或正弦波光信号并进入光电探测器；
步骤6：所述光电探测器将周期性余弦或正弦波光信号转化为周期电信号后输入到所述外接设备；
同时，所述信号发生器生成的周期性锯齿波参考电信号输入到所述外接设备；
步骤7：调节所述信号发生器的电压，控制所述外接设备显示在锯齿波的一个周期内包含一个或多个完整周期的余弦或正弦波、或者包含一个或多个完整周期的余弦或正弦包络；
步骤8：根据余弦、正弦波或余弦、正弦包络的周期计算出半波电压Vπ，计算公式为：
Figure FDA0003453778610000021
其中，Vpp为周期性锯齿波电信号的幅度，T1为周期性锯齿波电信号的周期，T2为余弦、正弦波或余弦、正弦包络的周期。
8.根据权利要求7所述的一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的方法，其特征在于，所述外接设备为示波器。
9.根据权利要求7所述的一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的方法，其特征在于，当激光光源发出的光信号为连续光信号，所述外接设备显示连续的余弦或正弦波。
10.根据权利要求7所述的一种测量QKD系统铌酸锂相位调制器半波电压的方法，其特征在于，当激光光源发出的光信号为脉冲光信号，所述外接设备显示余弦或正弦包络。
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