CN208350216U - 光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置 - Google Patents

Abstract

一种光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置,采用匹配波长的LED作为光源，通过四象限探测器对角像元并接的方法，提取两路光电流信号，实现双路平衡零差探测；两个对称的前置运算放大器进对两路电流信号分别进行全差分放大，消除共模干扰信号并进一步消除低频段的经典光噪声和一级放大过程中产生的电噪声。经处理产生的量子随机数噪声，符合高斯分布，将高斯分布二值化即可得到真随机数序列。集成度高，提高了信号质量，降低了产品成本；光电流信号经IV转换、反相放大、全差分处理，经高频调制解调、FIR滤波、消直流、分布处理后产生高质量的量子随机数序列。省去分束镜、光纤等设备，结构更加的简单。

Description

光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置

技术领域

本实用新型属于密码学领域，尤其是光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置。

背景技术

真空量子随机数，是指利用真空态涨落的量子化不确定性，对其进行采集、放大和输出，产生随机数据流。而光电探测器的散粒噪声(shot noise)则即是反映了光量子的涨落，因此在技术实现上可以通过提取光电探测器的散粒噪声、放大、鉴别输出实现。

平衡零差探测提取散粒噪声的原理通常将1束光等分成2路并分别入射到2个全同的光电探测器上，然后将两路光电流差分，并将差分后的信号进行放大，以提取散粒噪声电流。

经典电子学或光学中，散粒噪声指的是实验观测中的读出噪声。当被观测的粒子数量少到一定程度时，能引发观测数据的统计涨落，其概率符合Poisson分布。量子光学中的真空散粒噪声机制与经典光学中并不相同，其实质是由于真空涨落引发的观测数据的统计涨落。

相关技术领域已公开专利文献较少。

在光电探测系统中广为使用的多元非成像光电探测器多为四象限光电探测器件。四象限光电探测器采用分立光学器件结合电子学信号处理的方式实现，是把四个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件，常用于激光制导或激光准直中。它包括硅光电池以及四象限光电二极管，如四象限PIN光电二极管、四象限雪崩光电二极管等。四象限光电探测器信号处理系统主要采用以峰值检测电路和峰值保持电路为核心的脉冲信号展宽及采集方式进行工作，在目标指示器脉冲激光的照射下，四象限光电探测器输出窄脉冲电信号，窄脉冲电信号经过前置放大和滤波以满足数据采集的幅度和信噪比要求。峰值保持电路对窄脉冲电信号进行展宽，以减轻模数转换器的带宽限制。峰值检测电路的作用是检测窄脉冲电信号的峰值，为模数转换器提供准确的峰值采样时刻。信号处理单元接收到模数转换器输出的脉冲信号幅值数字量后控制放电电路对峰值保持电路中的储能电容进行放电，然后对脉冲信号幅值数字量进行计算和处理，得到光斑中心位置信息并输出至上位机控制系统。由于峰值保持电路采用跨导放大器对储能电容进行充电来暂存窄脉冲电信号峰值以展宽脉冲宽度，所以储能电容成为影响系统性能的关键部件。虽然如此，但由于储能电容的电荷泄漏以及分立电容参数的不一致性，导致采集到的激光脉冲信号失真，降低了系统精度。此外，由于分立电容参数随温度变化的特性存在较大的个体差异性，导致四个通道的激光脉冲信号处理增益不一致，光斑中心位置测量精度易受环境温度影响。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置。

实现发明目的该装置中包括LED光源、四象限光电探测器、前置运算放大器、全差分放大器、乘法器、低通滤波器、ADC模数转换器、FPGA芯片和QRNG序列模块；其中，LED光源正对安装四象限光电探测器，由四象限光电探测器连接两个对称的前置运算放大器，该两个对称的前置运算放大器通过全差分放大器连接乘法器，然后，进一步的依次连接低通滤波器、ADC模数转换器后通过FPGA芯片连接QRNG序列模块；所述FPGA芯片，包含FIR滤波器、消直流模块和分布处理模块。

所述LED光源工作电流需大于10mA，远场发射角需大于6度。

所述LED光源发出中心波长为870nm波段的光。

所述四象限光电探测器2上包括辐射状依次均匀分布的A、B、C、D四个象元，四象限光电探测器做对角象元AC、BD分别并接。

所述FIR滤波器为均衡滤波器。

本实用新型的优点和效果：采用高速差分模数转换器采集四象限光电探测器输出的窄脉冲电信号，消除了传统峰值保持电路引入的信号失真，同时消除了分立电容参数随温度变化的个体差异性，两个对称的前置运算放大器进对两路电流信号分别进行全差分放大，消除共模干扰信号并进一步消除低频段的经典光噪声和一级放大过程中产生的电噪声。经处理产生的量子随机数噪声，符合高斯分布，将高斯分布二值化即可得到真随机数序列。集成度高，同时，当外界环境温度的变化范围较大时，系统精度受影响很小。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中整体设计结构示意图。

图2为本实用新型实施例1中四象限光电探测器连接示意图。

附图标记包括：

LED光源1、四象限光电探测器2、前置运算放大器3、全差分放大器4、乘法器5、低通滤波器6、ADC模数转换器7、FPGA芯片8、QRNG序列模块9、FIR滤波器801、消直流模块802、分布处理模块803。

具体实施方式

本实用新型原理在于，使用四像限光电探测器2作为光学模块的接收部分，设计光电探测器收发创新方案，合理产品经济成本控制的要求，采用匹配波长的LED作为光源，通过四象限光电探测器2对角像元并接的方法，提取两路光电流信号，实现双路平衡零差探测；同时，设置数据后处理模块，其中，FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

本实用新型中：如附图1所示，LED光源1，用于产生光量子；四象限光电探测器2，用于接收光量子并转换成电流信号；两个对称的前置运算放大器3，用于把电流信号转换成电压信号然后提取高频信号并放大；全差分放大器4，用于将两路信号做差分并去除共模干扰；乘法器5，用于把信号和正弦信号进行调制；低通滤波器6，用于把调制后的信号进行解调；ADC模数转换器7，用于采集前述信号；FPGA芯片8，对前述信号进行后处理得到随机序列，QRNG序列模块9，用于输出量子随机数。

本实用新型工作流程为：LED光源1发出光量子，由四象限光电探测器2接收光量子并转换成电流信号，信号经IV转换、反相放大、全差分后与一个高频正弦信号相乘，再经低通滤波完成信号的调制解调；再通过ADC完成采样送至FPGA，由FPGA完成FIR滤波、消直流、分布处理后产生量子随机数。

本实用新型包括：LED光源1、四象限光电探测器2、前置运算放大器3、全差分放大器4、乘法器5、低通滤波器6、ADC模数转换器7、FPGA芯片8和QRNG序列模块9。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：如附图1所示，LED光源1正对安装四象限光电探测器2，由四象限光电探测器2连接两个对称的前置运算放大器3，该两个对称的前置运算放大器3通过全差分放大器4连接乘法器5，然后，进一步的依次连接低通滤波器6、ADC模数转换器7后通过FPGA芯片8连接QRNG序列模块9。

前述中，所述FPGA芯片8，包含、FIR滤波器801、消直流模块802、分布处理模块803；对前述信号进行后处理得到量子随机序列。

前述中，如附图2所示，四象限光电探测器2上包括辐射状依次均匀分布的A、B、C、D四个象元，对四象限光电探测器2做对角象元AC、BD分别做并接处理，以便在提取两路光电流信号时，降低对四个像元一致性要求，而且在光源与探测器安装中心点略有偏差时提高输出信号的均一性。四象限光电探测器2通过对角像元并接；LED灯发出中心波长为870nm波段的光，耦合到四象限光电探测器2上，通过四象限光电探测器2对角像元并接的方法，得到两路电流信号，此时要调整LED灯照射的角度，使得两路信号的光电流相等。

前述中，两个对称的前置运算放大器3进对两路电流信号分别进行IV转换得到电压信号，此时信号中既有电路噪声和经典光噪声，也有量子噪声，其中电路噪声和经典光噪声主要是低频信号，量子噪声主要是高频信号，经高通滤波器提取高频信号，把提取到的信号分别进行放大，然后，放大后的该两路信号经全差分放大器进行差分放大，消除共模干扰信号并进一步消除低频段的经典光噪声和一级放大过程中产生的电噪声。

前述中，使用高频信号频率的正弦波对前述信号通过乘法器进行调制，为进一步消除低频段的经典光噪声和电噪声从而提高信噪比，以正弦波信号频率为中心，采集其±10MHz的信号。然后使用10MHz的低通滤波器对前述调制后的信号进行解调获得量子噪声信号，使用40MHz的ADC对量子噪声信号进行采样转换并送入FPGA进行数据处理。

前述中，LED光源1工作电流需大于10mA，远场发射角需大于6度。

前述中，进入FPGA芯片8中的FIR滤波器801量子噪声信号，先经过一个100阶FIR低通滤波器，然后，消直流模块经FIR滤波器处理后的量子噪声减去量子噪声信号的期望来消除直流部分。进一步经过消直流模块802消除信号中的高频成分，FIR滤波器801为均衡滤波器，然后经过一个FIR滤波器801将其信号的频谱处理均一，频谱是否均一对产生的随机数指标至关重要，信号通过FIR滤波器801后，在通过计算所有平均数的期望，得到预期的符合高斯分布的信号，紧接着通过分布处理模块产生随机数序列。

由于四象限光电探测器对不同频率的噪声增益不同，运放、真差分、乘法器同样也无法做到每个频率点的增益保持均一，这导致最终ADC采集到的信号的频谱并不平。

经FPGA芯片8处理产生的量子随机数噪声，符合高斯分布，且信号落在高斯分布两侧的概率相同且独立，将高斯分布二值化即可得到真随机数序列，最后输出得到的真随机序列。

本实用新型实施例中，使用四象限光电探测器2作为光学部分的接收器。通过四象限探测器2对角像元并接的方法，提取两路光电流信号，不仅降低对四个像元一致性要求，而且在光源与探测器安装中心点略有偏差时提高输出信号的均一性。输出的量子随机数信号，可以采用USB协议，也可以采用SPI协议或者其它多钟类型的通信接口协议。对两路光电流进行运算处理的前置运算放大器3和全差分放大器4涉及的所有电阻、电容参数应高度一致，以使得两路信号平衡均一，通过差分放大处理抑制掉共模干扰，从而得到高质量的量子噪声信号。

本实用新型实施例中，省去了分束镜、光纤等设备，结构更加的简单，并避免了这些设备本身误差对于随机数的影响。使用硅基四象限光电探测器2，相比使用APD雪崩光电二极管的随机数发生器具有更低的成本。

以上仅就本实用新型的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本实用新型不仅限于以上实施例，凡在本实用新型独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置,包括LED光源(1)、四象限光电探测器(2)、前置运算放大器(3)、全差分放大器(4)、乘法器(5)、低通滤波器(6)、ADC模数转换器(7)、FPGA芯片(8)和QRNG序列模块(9)；其特征在于，LED光源(1)正对安装四象限光电探测器(2)，由四象限光电探测器(2)连接两个对称的前置运算放大器(3)，该两个对称的前置运算放大器(3)通过全差分放大器(4)连接乘法器(5)，然后，进一步的依次连接低通滤波器(6)、ADC模数转换器(7)后通过FPGA芯片(8)连接QRNG序列模块(9)；所述FPGA芯片(8)，包含FIR滤波器(801)、消直流模块(802)和分布处理模块(803)。

2.如权利要求1所述的光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置，其特征在于，LED光源(1)工作电流需大于10mA，远场发射角需大于6度。

3.如权利要求1所述的光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置，其特征在于，LED光源(1)发出中心波长为870nm波段的光。

4.如权利要求1所述的光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置，其特征在于，四象限光电探测器(2)上包括辐射状依次均匀分布的A、B、C、D四个象元，四象限光电探测器(2)做对角象元AC、BD分别并接。

5.如权利要求1所述的光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置，其特征在于，FIR滤波器(801)为均衡滤波器。