CN217849444U - 一种量子光探测装置及量子密钥接收机 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种量子光探测装置及量子密钥接收机，其中量子光探测装置，该量子光探测模块包括主控模块、射频模块、温度监控模块以及探测模块，其中探测模块中至少设置有两组及以上的探测单元，每组探测单元中均包括有探测器、制冷器以及温度探测器，射频模块中设置有与探测器数量相同的门控电路以及与探测器数量相同的雪崩信号提取电路，温度监控模块中设置有与探测器数量相同的温控驱动电路以及与探测器数量相同的温度采集电路。本申请通过主控模块对射频模块中的门控电路以及雪崩信号提取电路、温度监控模块中的温控驱动电路以及温度采集电路进行数据控制，从而实现多探测器的温度控制和门控控制，从而多单光子探测器能够稳定的工作。

Description

一种量子光探测装置及量子密钥接收机

技术领域

本申请涉及量子通信技术领域，具体涉及一种量子光探测装置及量子密钥接收机。

背景技术

量子密钥分发(QKD)是利用物质(如光子)的量子特性来设计加解密方案，其安全性是基于量子力学的基本原理而不是数学计算的复杂性，因此通过QKD得到的密钥是绝对安全。用于QKD的密钥分发装置包括量子密钥接收机，其中对弱光信号进行测量，尤其是对单光子量级的光信号进行测量的效率是量子密钥接收机的重要性能指标之一。

目前，单光子探测器的主流控制方式是采用门控驱动电路，门控驱动电路控制单光子探测器的偏置电压只会在光子到达的很短的时间内高于雪崩电压，在其他时间单光子探测器的偏置电压都低于雪崩电压。在门控信号的控制下，单光子探测器对入射光子产生响应信号；最后，通过将响应信号提取出来，即可以实现对单光子的探测。

但是，现在随着通信要求的速率越来越高，只有一个单光子探测器，不能满足系统的工作要求，而且单光子探测器运行稳定的环境温度要求一般在负50摄氏度，因此如何实现多单光子探测器能够稳定的工作是亟需解决的问题。

发明内容

本申请提供一种量子光探测装置及量子密钥接收机，以解决如何实现多单光子探测器能够稳定的工作的问题。

本申请第一方面提供一种量子光探测装置，该量子光探测模块包括主控模块、射频模块、温度监控模块以及探测模块；

所述射频模块用于根据所述主控模块的控制信号生成门控信号，并将门控信号发送至探测模块，所述射频模块还用于将所述探测模块的响应信号提取为计数脉冲信号，并发送至主控模块；

所述温度监控模块用于采集所述探测模块的温度值，并将采集的温度值发送至主控模块，所述主控模块通过所述温度监控模块控制所述探测模块的温度；

其中，所述探测模块中至少设置有两组及以上的探测单元，每组探测单元中均包括有探测器、制冷器以及温度探测器，所述射频模块中设置有与探测器数量相同的门控电路以及与探测器数量相同的雪崩信号提取电路，所述温度监控模块中设置有与探测器数量相同的温控驱动电路以及与探测器数量相同的温度采集电路。

优选地，所述射频模块还设置有倍频单元，所述倍频单元由锁相环组成，用于将时钟信号倍频至所述探测器需要的频率，并将倍频后的信号传输至所述门控电路。

优选地，所述门控电路由依次电连接的滤波器和第一放大器组成；

所述雪崩信号提取单元由雪崩提取电路组成，所述雪崩提取电路包括依次电连接的雪崩甄别电路和信号处理电路。

优选地，所述温控驱动电路包括依次连接的DAC以及DC-DC电路，所述温度采集电路包括依次连接的电桥电路、第二放大器以及ADC。

优选地，所述探测模块中设置有2-6组探测单元。

优选地，所述探测器采用单光子雪崩二极管，所述制冷器采用半导体制冷器，所述温度探测器采用Pt100。

优选地，所述主控模块采用FPGA、DSP、CPU或GPU。

本申请第二方面提供一种量子密钥接收机，该量子密钥接收机采用上述任意一项所述的量子光探测模块对接收的量子光探测。

本申请提供一种量子光探测装置及量子密钥接收机，与现有技术相比有以下优点：

本申请的所述探测模块中至少设置有两组及以上的探测单元，每组探测单元中均包括有探测器、制冷器以及温度探测器，并通过主控模块对射频模块中的门控电路以及雪崩信号提取电路、所述温度监控模块中的温控驱动电路以及温度采集电路进行数据控制，从而实现多探测器的温度控制和门控控制，从而多单光子探测器能够稳定的工作。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请的量子光探测装置的结构示意图；

图2为本申请量子光探测装置中的一组量子光探测的结构示意图；

图3为量子光探测装置中的一组温度监控的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、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申请作进一步详细的说明。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，都属于本发明的保护范围。

本申请第一方面提供一种量子光探测装置，其具体结构可参阅图1所示的示意图，具体的该量子光探测模块包括主控模块、射频模块、温度监控模块以及探测模块；所述射频模块用于根据所述主控模块的控制信号生成门控信号，并将门控信号发送至探测模块，所述射频模块还用于将所述探测模块的响应信号提取为计数脉冲信号，并发送至主控模块；所述温度监控模块用于采集所述探测模块的温度值，并将采集的温度值发送至主控模块，所述主控模块通过所述温度监控模块控制所述探测模块的温度。

其中，所述探测模块中至少设置有两组及以上的探测单元，即第一探测单元、第二探测单元…第N探测单元，其中N为大于等于2的整数，且每组探测单元中均包括有探测器、制冷器以及温度探测器。所述射频模块包括门控信号生成单元和雪崩信号提取单元，其中所述门控信号生成单元中设置有与探测器数量相同的门控电路以及与探测器数量相同的雪崩信号提取电路，即所述门控信号生成单元中设置有第一门控电路、第二门控电路…第N门控电路，其中N为大于等于2的整数；所述雪崩信号提取单元中设置有第一雪崩信号提取电路、第二雪崩信号提取电路…第N雪崩信号提取电路，其中N为大于等于2的整数。所述温度监控模块中设置有与探测器数量相同的温控驱动电路以及与探测器数量相同的温度采集电路，即所述温度监控模块中设置有第一温控驱动电路、第二温控驱动电路…第N温控驱动电路，其中N为大于等于2的整数；所述温度监控模块中设置有第一温度采集电路、第二温度采集电路…第N温度采集电路，其中N为大于等于2的整数。优选的上述N的值为2-6，不仅能够满足高速率的要求，且量子光探测装置的结构比较紧凑，可方便的装设在量子密钥接收机内，且与量子密钥接收机内的其他部件(例如控制模块、供电模块、光学模块等)兼容性、匹配性佳。

其中工作原理如下：所述主控模块向所述倍频单元发送时钟信号，也可以是所述主控模块控制外部时钟源向所述倍频单元发送时钟信号，其中所述倍频单元由锁相环组成，用于将时钟信号倍频至所述探测器需要的频率，并将倍频后的方波信号分别传输至所述第一门控电路、第二门控电路…第N门控电路，所述第一门控电路根据得到方波信号生成正弦信号(即门控信号)，所述第一门控电路门控电路向所述第一探测单元中的探测器发送门控信号，该所述第一探测单元中的探测器将响应信号发送至第一雪崩信号提取电路，所述第一雪崩信号提取电路根据响应信号提取为计数脉冲信号，并将该计数脉冲信号发送至所述主控模块。第二门控电路…第N门控电路、第二雪崩信号提取电路…第N雪崩信号提取电路、第二探测单元…第N探测单元均按照上述探测工作原理工作，不在赘述。

同时，所述第一温度采集电路采集所述第一探测单元中的第一温度探测器的温度，并将温度值发送至所述主控模块，所述主控模块根据温度值控制所述第一温控驱动电路输出驱动信号，所述第一探测单元中的制冷器根据驱动信号对所述第一探测单元的探测器进行制冷，使其处于可稳定工作的环境中。所述第二温控驱动电路…第N温控驱动电路、第二温度采集电路…第N温度采集电路、第二探测单元…第N探测单元均按照上述温控工作原理工作，不在赘述。

综上所述，本申请的所述探测模块中至少设置有两组及以上的探测单元，每组探测单元中均包括有探测器、制冷器以及温度探测器，并通过主控模块对射频模块中的门控电路以及雪崩信号提取电路、所述温度监控模块中的温控驱动电路以及温度采集电路进行数据控制，从而实现多探测器的温度控制和门控控制，从而多单光子探测器能够稳定的工作。

所述第一门控电路、第二门控电路…第N门控电路的结构均相同，所述第一雪崩信号提取电路、第二雪崩信号提取电路…第N雪崩信号提取电路的结构均相同，所述第一探测单元、第二探测单元…第N探测单元的结构均相同，所述第一温控驱动电路、第二温控驱动电路…第N温控驱动电路的结构均相同，所述第一温度采集电路、第二温度采集电路…第N温度采集电路的结构均相同。因此本申请为了简洁，将以其中一组具体结构做进一步说明。

所述门控电路以及雪崩信号提取电路的具体结构可参阅图2所示的示意图，具体的所述门控电路由依次电连接的滤波器和第一放大器组成，所述雪崩信号提取单元由雪崩提取电路组成，所述雪崩提取电路包括依次电连接的雪崩甄别电路和信号处理电路，所述信号处理电路的输出端与主控模块电连接连接，用于根据雪崩甄别电路输出的窄脉冲数字信号生成计数脉冲信号并传输至主控模块，所述主控模块控制所述倍频单元根据时钟信号与计数脉冲信号输出方波信号，通过滤波器将该方波信号通过低通滤波的方式滤除数字信号中的高频部分得到正弦信号，所述第一放大器将该正弦信号放大得到门控信号，并将该门控信号发送至单光子探测器。具体为所述主控模块接收到有效计数窄脉冲信号后，控制所述倍频单元停止输出方波信号，从而使得APD进入死时间状态。若主控模块没有接收到有效的计数脉冲信号，则控制所述倍频单元输出方波信号，使得APD进入工作状态，从而实现了通过门控信号控制单光子探测器进入死时间的状态。

所述温控驱动电路以及温度采集电路的具体结构可参阅图3所示的示意图，具体的所述温控驱动电路包括依次连接的DAC以及DC-DC电路，所述温度采集电路包括依次连接的电桥电路、第二放大器以及ADC。具体原理如下，温度探测器放置在所述探测器的表面或者附近，所述电桥电路通过测量所述温度探测器的电阻值从而得到温度值，通过所述第二放大器以及ADC将该温度值放大模数转换发送至主控模块。主控模块根据该温度值向温度驱动电路发出温度控制信号，该温度控制信号通过DAC以及DC-DC电路得到驱动电压信号，所述制冷器根据该驱动电压信号对探测器制冷。另外本申请所述探测器采用单光子雪崩二极管，所述制冷器采用半导体制冷器，所述温度探测器采用Pt100。由于单光子探测器运行稳定的环境温度要求一般在负50摄氏度，半导体制冷器能够快速稳定的对单光子雪崩二极管进行制冷使其工作温度稳定定在负50度左右，且半导体制冷器的体积小，使得量子光探测模块的结构紧凑体积小。Pt100使用温度负200至400摄氏度，且测量准确、通用性佳。

所述主控模块采用FPGA、DSP、CPU或GPU，这些芯片比较常用且均可处理数字信号以及发出控制信号，能够满足本申请的量子光探测模块的处理控制要求。当然本申请的主控模块不仅仅局限于上述列举的四种，其他具有处理数字信号并根据处理的结果向相应的模块发出控制信号的芯片均可以满足本申请的要求。

一种量子密钥接收机，该量子密钥接收机采用上述任意一项所述的量子光探测模块对接收的量子光探测。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种量子光探测装置，其特征在于，该量子光探测模块包括主控模块、射频模块、温度监控模块以及探测模块；

所述射频模块用于根据所述主控模块的控制信号生成门控信号，并将门控信号发送至探测模块，所述射频模块还用于将所述探测模块的响应信号提取为计数脉冲信号，并发送至主控模块；

所述温度监控模块用于采集所述探测模块的温度值，并将采集的温度值发送至主控模块，所述主控模块通过所述温度监控模块控制所述探测模块的温度；

其中，所述探测模块中至少设置有两组及以上的探测单元，每组探测单元中均包括有探测器、制冷器以及温度探测器，所述射频模块中设置有与探测器数量相同的门控电路以及与探测器数量相同的雪崩信号提取电路，所述温度监控模块中设置有与探测器数量相同的温控驱动电路以及与探测器数量相同的温度采集电路。

2.根据权利要求1所述的量子光探测模块，其特征在于，所述射频模块还设置有倍频单元，所述倍频单元由锁相环组成，用于将时钟信号倍频至所述探测器需要的频率，并将倍频后的信号传输至所述门控电路。

3.根据权利要求2所述的量子光探测模块，其特征在于，所述门控电路由依次电连接的滤波器和第一放大器组成；

所述雪崩信号提取单元由雪崩提取电路组成，所述雪崩提取电路包括依次电连接的雪崩甄别电路和信号处理电路。

4.根据权利要求3所述的量子光探测模块，其特征在于，所述温控驱动电路包括依次连接的DAC以及DC-DC电路，所述温度采集电路包括依次连接的电桥电路、第二放大器以及ADC。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的量子光探测模块，其特征在于，所述探测模块中设置有2-6组探测单元。

6.根据权利要求5所述的量子光探测模块，其特征在于，所述探测器采用单光子雪崩二极管，所述制冷器采用半导体制冷器，所述温度探测器采用Pt100。

7.根据权利要求6所述的量子光探测模块，其特征在于，所述主控模块采用FPGA、DSP、CPU或GPU。

8.一种量子密钥接收机，其特征在于，该量子密钥接收机采用权利要求1-7任意一项所述的量子光探测模块对接收的量子光探测。

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