CN218103140U - 一种同步时钟恢复装置以及量子密钥接收机 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种同步时钟恢复装置以及量子密钥接收机，其中同步时钟恢复装置包括依次连接的主控模块、同步光探测模块、时钟倍频模块以及射频模块；其中，所述同步光探测模块用于探测同步光，并向所述时钟倍频模块输出同步电信号；所述时钟倍频模块用于将同步电信号倍频，并输出至少两路时钟信号，一路用于生成单光子探测器使用的门控信号，其它时钟信号发送至主控模块，由主控模块根据系统需要将时钟信号发送至需要的模块单元，从而实现收发双方数据同步和交互，解决了如何利用同步光恢复出单光子探测器门控所需的时钟信号以及采样时钟信号的问题。

Description

一种同步时钟恢复装置以及量子密钥接收机

技术领域

本申请涉及量子通信技术领域，具体涉及一种同步时钟恢复装置以及量子密钥接收机。

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，而量子密钥接收机的主要作用是对接收的量子光信号进行解码探测，并与量子密钥发射机进行数据交互通信。

因此在量子通信系统中，量子密钥接收机无论是对量子光信号探测，还是与量子密钥发射机进行通信，均需要时钟信号。即量子密钥接收机根据时钟信号控制单光子探测器的门控，从而达到对量子信号探测的目的，量子密钥接收机根据采样时钟信号对单光探测器探测的信号进行采样，从而得到量子信号数据。因此如何利用同步光恢复出单光子探测器门控所需的时钟信号以及采样时钟信号是亟需解决的问题。

发明内容

本申请提供一种同步时钟恢复装置以及量子密钥接收机，以解决了如何利用同步光恢复出单光子探测器门控所需的时钟信号以及收发双方数据同步和交互的时钟信号的问题。

本申请第一方面提供一种同步时钟恢复装置，该同步时钟恢复装置包括依次连接的主控模块、同步光探测模块、时钟倍频模块以及射频模块；

其中，所述同步光探测模块用于探测同步光，并向所述时钟倍频模块输出同步电信号；

所述时钟倍频模块用于将同步电信号倍频，并输出至少两路时钟信号，其中一路时钟信号输入至所述射频模块生成门控信号，其它时钟信号输入至所述主控模块。

优选地，所述同步光探测模块包括依次连接的DAC、偏压电路、同步光探测器以及比较器；

所述DAC用于将主控模块发出的控制信号转换成模拟信号；

所述偏压电路根据所述DAC输出的模拟信号控制所述同步光探测器对同步光进行探测；

所述比较器用于将所述同步光探测器输出的信号转换为标准电平的数字信号，并将该数字信号传输至时钟倍频模块。

优选地，所述时钟倍频模块包括时钟BUFFER以及第一锁相环；

所述时钟BUFFER用于将同步电信号至少输出为两路时钟信号，其中一路时钟信号输入所述第一锁相环，其它时钟信号输入至所述主控模块；

所述第一锁相环用于将接收的时钟信号倍频至所述射频模块需要的频率。

优选地，所述射频模块包括门控电路以及雪崩信号提取电路；

所述门控电路用于根据接收的时钟信号生成门控信号；

所述雪崩信号提取电路用于将单光子探测器的响应信号提取为计数脉冲信号。

优选地，所述门控电路包括依次连接的滤波器、放大器以及第二锁相环；

所述雪崩信号提取电路包括依次连接的雪崩信号提取电路以及信号处理电路。

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同步时钟恢复装置得到时钟信号。

优选地，该量子密钥接收机还包括探测模块；

所述探测模块根据所述门控信号对接收的量子光进行探测，并将探测得到的响应信号输入至所述射频模块；

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。

本申请提供一种同步时钟恢复装置以及量子密钥接收机，与现有技术相比有以下优点：

本申请提供的一种同步时钟恢复装置包括依次连接的主控模块、同步光探测模块、时钟倍频模块以及射频模块；其中，所述同步光探测模块用于探测同步光，并向所述时钟倍频模块输出同步电信号；所述时钟倍频模块用于将同步电信号倍频，并输出至少两路时钟信号，其中一路时钟信号输入至所述射频模块生成门控信号，其它时钟信号输入至所述主控模块。因此，本申请利用同步光恢复出至少两路时钟信号，一路用于生成单光子探测器使用的门控信号，其它时钟信号发送至主控模块，由主控模块根据系统需要将时钟信号发送至需要的模块单元，从而实现收发双方数据同步和交互，解决了如何利用同步光恢复出单光子探测器门控所需的时钟信号以及采样时钟信号的问题。

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为本申请的一种同步时钟恢复装置的结构示意图；

图2为本申请的一种同步光探测模块的结构示意图；

图3为本申请的一种时钟倍频模块的结构示意图；

图4为本申请的一种射频模块的结构示意图。

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同步时钟恢复装置，该同步时钟恢复装置的结构可参阅图1所示的示意图，其具体结构包括依次连接的主控模块、同步光探测模块、时钟倍频模块以及射频模块；其中，所述同步光探测模块用于探测同步光，并向所述时钟倍频模块输出同步电信号；所述时钟倍频模块用于将同步电信号倍频，并输出至少两路时钟信号，其中一路时钟信号输入至所述射频模块生成门控信号，其它时钟信号输入至所述主控模块。因此，本申请利用同步光恢复出至少两路时钟信号，一路用于生成单光子探测器使用的门控信号，其它时钟信号发送至主控模块，由主控模块根据系统需要将时钟信号发送至需要的模块单元，从而得到收发双方数据同步和交互的时钟信号，解决了如何利用同步光恢复出单光子探测器门控所需的时钟信号以及采样时钟信号的问题。

其中所述同步光探测模块的具体结构可参阅图2所示的示意图，具体结构包括依次连接的DAC、偏压电路、同步光探测器以及比较器，所述DAC(数模转换器)将主控模块发出的控制信号转换成模拟信号，所述偏压电路根据该模拟信号控制同步光探测器对同步光进行探测，其中所述同步光探测器采用APD(雪崩光电二极管)或者PIN(光电二极管)，由于同步光一般为连续光，因此所述同步光探测器需要在连续模式下工作。优选的采用APD，APD内部集成TIA，将光信号直接转换成电压信号输出，APD输出信号通过比较器，转换为标准电平的数字信号，输出100KHz同步电信号给到接收机的时钟倍频模块。APD的灵敏度与加载到器件两端的反向偏置电压正相关，因此DAC受控于接收机主控模块的控制，输出模拟电压信号，作为偏压电路的输入设定信号，偏压电路输出的高压与输入设定信号成线性关系。此外，APD工作在线性模式，要求反向偏压不能高于器件的雪崩电压，由于APD的雪崩电压与温度正相关，外部环境温度变化会导致雪崩电压参数变化，导致器件工作状态发生变化，为保障APD工作环境温度基本恒定，要求对APD温度进行闭环控制，通常采用半导体制冷器(TEC)对APD制冷或加热以维持APD的工作温度恒定。

所述时钟倍频模块的结构可参阅图3所示的示意图，其具体结构包括时钟BUFFER以及第一锁相环；所述时钟BUFFER用于将同步电信号至少输出为两路时钟信号，其中一路时钟信号输入所述第一锁相环，其它时钟信号输入至所述主控模块；所述第一锁相环用于将接收的时钟信号倍频至所述射频模块需要的频率。一般而言时钟倍频模块的作用是将100KHz时钟信号倍频为一路25MHz的时钟信号和其他路均为100MHz的时钟信号，当然根据器件性能以及系统提要求也可以将100KHz时钟信号倍频至其他需要的频率。其中25MHz时钟信号送给射频模块作为其门控驱动的时钟源，100MHz时钟信号送给到主控模块，作为探测计数脉冲信号采样时钟。100K时钟源有两个，一个是来自同步光探测模块输出的100KHz系统同步时钟，该时钟用于正常工作时钟；另一个源自由主控模块内的GTX输出。在任何时刻，两个 100KHz时钟源只有一个是有效的。为降低输出时钟的相位噪声及减少电磁辐射，还可以在第一锁相环后级还可接一个滤波器，将第一锁相环输出的方波信号滤波为正弦波信号，送给射频模块作为工作时钟源。同步光探测模块中的APD在同步恢复100KHz光信号同时兼同步链路光功率检测功能。

所述射频模块的结构可参阅图4所示的示意图，具体结构包括门控电路以及雪崩信号提取电路；所述门控电路用于根据接收的时钟信号生成门控信号；所述雪崩信号提取电路用于将单光子探测器的响应信号提取为计数脉冲信号。其中，所述门控电路包括依次连接的滤波器、放大器以及第二锁相环，所述滤波器和放大器主要作用是将所述第一锁相环输出的时钟信号功率放大，使其符合所述第二锁相环的要求，所述第二锁相环用于将所述第一锁相环输出的时钟信号倍频至符合探测要求的门口空信号；所述雪崩信号提取电路包括依次连接的雪崩信号提取电路以及信号处理电路。所述信号处理电路的输出端与主控模块电连接连接，用于根据雪崩信号提取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。

优选地，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。

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同步时钟恢复装置得到时钟信号。

具体地，该量子密钥接收机还包括探测模块；所述探测模块根据所述门控信号对接收的量子光进行探测，并将探测得到的响应信号输入至所述射频模块；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。所述探测模块为单光子探测器，该单光子探测器根据门控信号在盖革模式下工作，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，从而完成对量子光信号的探测工作。

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)

1.一种同步时钟恢复装置，其特征在于，该同步时钟恢复装置包括依次连接的主控模块、同步光探测模块、时钟倍频模块以及射频模块；

其中，所述同步光探测模块用于探测同步光，并向所述时钟倍频模块输出同步电信号；

所述时钟倍频模块用于将同步电信号倍频，并输出至少两路时钟信号，其中一路时钟信号输入至所述射频模块生成门控信号，其它时钟信号输入至所述主控模块。

2.根据权利要求1所述的同步时钟恢复装置，其特征在于，所述同步光探测模块包括依次连接的DAC、偏压电路、同步光探测器以及比较器；

所述DAC用于将主控模块发出的控制信号转换成模拟信号；

所述偏压电路根据所述DAC输出的模拟信号控制所述同步光探测器对同步光进行探测；

所述比较器用于将所述同步光探测器输出的信号转换为标准电平的数字信号，并将该数字信号传输至时钟倍频模块。

3.根据权利要求1所述的同步时钟恢复装置，其特征在于，所述时钟倍频模块包括时钟BUFFER以及第一锁相环；

所述时钟BUFFER用于将同步电信号至少输出为两路时钟信号，其中一路时钟信号输入所述第一锁相环，其它时钟信号输入至所述主控模块；

所述第一锁相环用于将接收的时钟信号倍频至所述射频模块需要的频率。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的同步时钟恢复装置，其特征在于，所述射频模块包括门控电路以及雪崩信号提取电路；

所述门控电路用于根据接收的时钟信号生成门控信号；

所述雪崩信号提取电路用于将单光子探测器的响应信号提取为计数脉冲信号。

5.根据权利要求4所述的同步时钟恢复装置，其特征在于，所述门控电路包括依次连接的滤波器、放大器以及第二锁相环；

所述雪崩信号提取电路包括依次连接的雪崩信号提取电路以及信号处理电路。

6.根据权利要求5所述的同步时钟恢复装置，其特征在于，所述主控模块采用FPGA、DSP、CPU或GPU。

7.一种量子密钥接收机，其特征在于，该量子密钥接收机采用权利要求1-6任意一项所述的同步时钟恢复装置得到时钟信号。

8.根据权利要求7所述的量子密钥接收机，其特征在于，该量子密钥接收机还包括探测模块；

所述探测模块根据所述门控信号对接收的量子光进行探测，并将探测得到的响应信号输入至所述射频模块；

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。

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