CN218352509U - 一种qkd的同步光检测与监控纠正系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种QKD的同步光检测与监控纠正系统，包括Alice端和Bob端，所述Alice端包括光发送模块、第一通信单元和量子信道；所述Bob端包括光接收模块、同步光检测系统、FPGA管理单元和第二通信单元；所述光发送模块配置为产生和发送同步光脉冲；所述量子为同步光脉冲传输提供物理介质；所述同步光检测系统配置为将同步光脉冲光信号转换为电信号以及为后续电路输出同步时钟信号以及监控同步信号；所述FPGA管理单元配置为处理监控电路上传的信息以及对同步信号做实时处理。本实用新型的同步光检测和监控系统高效率、高精度地实现同步光检测和监控纠正，并恢复出严格同步时钟信号，提高QKD系统工作效率和成码率。且电路简单可靠、灵活性强，成本低。

Description

一种QKD的同步光检测与监控纠正系统

技术领域

本实用新型涉及量子密钥同步检测与监控领域，具体涉及一种QKD的同步光检测与监控纠正系统。

背景技术

QKD(量子密钥分发)系统是利用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密消息。随着量子技术的向前推进，同步性能始终是衡量QKD系统优劣的一个重要指标之一。同步是指发送端Alice与接收端Bob信息同步。严格意义上来描述，同步就是指信号上升沿与同步信号上升沿严格同步。在现今的QKD系统中，单光子是作为密钥的载体信息，由于单光子是一种极弱光，在传输过程中需要同步光脉冲到达Bob端时间作为基准来衡量单光子信号到达Bob端时间。同步系统的快速、高效、低延时、低噪声干扰、低功耗等优点才能满足同步光检测和信号频率恢复的要求。因此，需要对现有技术进行改进提出精度更好的保证系统安全的多路同步输出激光器光源系统。

同步光信号在QKD系统传输如图1所示，在量子密钥分发系统中，同步光脉冲是一种强光。由于设备的物理特性、传输信道外界条件、传输延时以及同步光信号与信号光之间的串扰等多方面的客观因素，会引起同步光脉冲的强度起伏和相位偏差，干扰Bob端同步光检测系统的甄别判断，同步光检测系统输出时刻就会存在偏差，这一时间偏差称为同步误差。同步误差会造成后续单光子探测器在预定的时间之内探测不到信号光子，造成系统效率降低和误码率上升。因此，减小信号的同步误差，可以提升量子密钥分发系统的整体性能。Bob端同步光检测系统需要对同步光信号实时检测和监控，提高同步时钟信号输出的精确度，减少同步误差，降低误码率。

同步光脉冲在传输中可能出现的受干扰的结果，如图2所示，第一行脉冲序列表示QKD系统中Alice端发送同步光脉冲图。第二、三、四行Bob端同步光脉冲接收图。Bob端接收同步光脉冲出现延时、衰减、过冲等现象，主要是受到传输的干扰。注：第三、四行红色的脉冲代表发送端完好的同步光脉冲，为了直观表示过冲和衰减现象而放置，主要起到对比的作用。

同步光脉冲在信道传输，受到延时、过冲、衰减的影响，在Bob端同步光检测系统输出波形如图：

如图3所示，受干扰程度不同的同步光脉冲在Bob端会产生不一样的同步时钟序列，与正常脉冲之间存在误差。因此高精度同步光检测，决定了后续电路工作效率和系统的稳定性。

现有的同步光检测主要是检测同步光的有无，通过光耦合器以及多级放大电路来实现，易受外界环境光影响以及通过多级放大，信噪比较差，工作带宽比较小，影响信道的传输速率，调试复杂，且系统需要的器件比较多，电路设计复杂度高、成本高、可移植性差。

因此，需要对现有技术进行进一步地改进，提供一种同步光检测和监控系统，高效率、高精度地实现同步光检测和监控纠正，并恢复出严格同步时钟信号，提高QKD系统工作效率和成码率。且电路简单可靠、灵活性强，成本低。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，提供一种同步光检测和监控系统，高效率、高精度地实现同步光检测和监控纠正，并恢复出严格同步时钟信号，提高QKD系统工作效率和成码率的量子密钥分发系统的同步光检测与监控纠正系统。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：一种QKD的同步光检测与监控纠正系统，包括Alice端和Bob端，

所述Alice端包括光发送模块和第一通信单元；

所述Bob端包括光接收模块、同步光检测系统、管理单元和第二通信单元；

所述光发送模块配置为产生和发送同步光脉冲；

所述光发送模块通过量子信道与所述光接收模块连接；所述光接收模块依次与同步光检测系统，管理单元以及第二通信单元电信号连接；所述第一通信单元通过经典信道与第二通信单元连接；所述第一通信单元接收反馈信息发送给所述光发送模块；

所述同步光检测系统包括光/电转换电路、信号调理电路、同步时钟信号生成电路和同步信号监控电路；

所述光\电转换电路的输出端与信号调理电路的输入端连接；所述信号调理电路的输出端分别与同步时钟信号生成电路以及同步信号监控电路连接；

所述光\电转换电路接收到同步光脉冲后，将光信号转换为电流信号后输入到信号调理电路中转化为电压信号并增益，然后分成两路，一路输入到同步信号监控电路对电压信号进行监控，并将监控数据发送到所述管理单元进行处理；另一路输入到同步时钟生成电路进行迟滞处理，用于后续同步探测器探测单光子信号提供同步时钟信号；

所述信号管理单元的输出信号反馈给光发送模块，所述光发送模块的输出端分别与光\电转换电路和光发送模块的输入端口连接；

具体地，所述信号管理单元将监控数据处理后的数据一路输出给光\电转换电路，调整所述光\电转换电路的增益；另一路输出给Alice端的光发送模块，控制所述光发送模块重新调整同步光发射功率。

优选地，所述同步光脉冲的频率为80-150KHZ。

优选地，所述光\电转换电路包括光电二极管，所述光电二极管将同步光信号转换为电流信号。

优选地，所述信号调理电路包括跨阻放大器，所述跨阻放大器将电流信号转换为电压信号并对电压信号进行增益。

优选地，所述跨阻放大器采用LMH32401系列芯片。

优选地，所述同步时钟信号生成电路包括迟滞比较电路，所述迟滞比较电路用于对接收的电压信号进行迟滞处理，为后续同步探测器探测单光子信号提供同步时钟信号。

优选地，所述迟滞比较电路包括比较器，所述比较器采用ADCMP573系列芯片。

优选地，所述同步信号监控电路包括ADC转换电路，所述ADC转换电路将模拟量转化为数字量。

优选地，所述ADC转换电路包括模拟数字转换器，模拟数字转换器采用ADS8370系列芯片。

本实用新型有益的技术效果：本实用新型的同步光检测和监控系统高效率、高精度地实现同步光检测和监控纠正，并恢复出严格同步时钟信号，提高QKD系统工作效率和成码率。

附图说明

图1为现有技术同步光信号传输图；

图2为现有技术Bob端同步光脉冲受干扰的结果图；

图3为现有技术正常与受干扰同步光信号波形输出对比图；

图4为本实用新型技术的整体结构框图；

图5为本实用新型中同步光检测系统监控流程图；

图6为本实用新型中同步光检测系统框图；

图7为本实用新型中同步光检测系统原理框图；

图8为本实用新型中光电二极管等效模型电路图；

图9为本实用新型跨阻放大器内部原理框图；

图10为本实用新型跨阻增益与输入电流的关系图；

图11为本实用新型比较器内部构造框图；

图12为本实用新型比较器迟滞传递函数；

图13为本实用新型迟滞与RHYS控制电阻的关系图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。

如图1-13所示，一种QKD的同步光检测与监控纠正系统，包括Alice端和Bob端，

所述Alice端包括光发送模块、第一通信单元和量子信道；

所述Bob端包括光接收模块、同步光检测系统、管理单元和第二通信单元，其中管理单元采用FPGA管理单元；

所述光发送模块配置为产生和发送同步光脉冲；

所述第一通信单元和第二通信单元采用经典网络进行Alice端和Bob端的通信和数据传输；

所述光发送模块通过量子信道与所述光接收模块连接；所述光接收模块依次与同步光检测系统、管理单元以及第二通信单元电信号连接；所述第一通信单元通过经典信道与第二通信单元连接；所述第一通信单元接收反馈信息发送给所述光发送模块；

所述量子信道为同步光脉冲传输提供物理介质；

所述同步光检测系统配置为将同步光脉冲光信号转换为电信号以及为后续电路输出同步时钟信号以及监控同步信号；

所述FPGA管理单元配置为处理同步光检测系统上传的信息以及对同步信号做实时处理；

所述光\电转换电路接收到同步光脉冲后，将光信号转换为电流信号后输入到信号调理电路中转化为电压信号并增益，然后分成两路，一路输入到同步信号监控电路对电压信号进行监控，并将监控数据发送到所述管理单元进行处理；另一路输入到同步时钟生成电路进行迟滞处理，用于后续同步探测器探测单光子信号提供同步时钟信号；

所述信号管理单元将监控数据处理后的数据一路输出给光\电转换电路，调整所述光\电转换电路的增益；另一路输出给Alice端的光发送模块，控制所述光发送模块重新调整同步光发射功率。

具体地，光/电转换电路主要由光电二极管组成；信号调理电路主要由跨阻放大器组成；同步时钟信号生成电路主要由迟滞比较电路组成；同步光监控电路主要由ADC转换电路组成，用于实时监控同步信号的实时状态，并将信息上传到FPGA管理单元。经过FPGA管理单元处理，一路输出给信号转换电路，调整电路增益；另一路输出给Alice同步光脉冲发射端，根据Bob端对同步信号的采样判决结果，要求Alice端光发送模块，调整同步光发射功率，以此达到高精度时钟信号输出的目的，为后续探测器单光子探测提供时钟信号保证，提高探测效率和QKD系统的成码率。

同步信号监控电路，主要是监控同步光脉冲强度大小，通过监控输出同频的周期变换的数字信号，为同步光信号生成同步时钟提供对比裁决。

同步信号监控电路的工作流程：在理想的通信设备和环境中，同步光脉冲最终同步输出系统所需要的同步时钟信号，在监控电路中同样能采样出同频的周期变换数字信号作为同步的监控标准。同步信号监控电路监控结果由FPGA管理单元裁决直接反映同步时钟生成结果。

FPGA管理单元通过同步信号监控电路输入同频的数字信号与同频同步时钟脉冲。

脉冲信号的占空比与同频数字信号做比较，监控生成的同步时钟序列是否与系统要求的存在偏差。若存在一定的偏差，FPGA管理单元通过扫描，首先裁决系统中的增益是否符合，若不符合，则通过FPGA管理单元输出调节信号，调整系统增益；系统继续对系统中光脉冲强度进行扫描，通过调整光脉冲强度来优化同步时钟信号输出。为同步时钟输出提供监控和反馈，以此达到优化同步时钟序列的目的。

同步时钟信号生成电路用于生成同步时钟信号，为后续探测器探测单光子信号提供与单光子信号严格的同步时钟。

Bob端的同步光检测步骤如下：

Bob端从Alice端接收到100KHZ同步光脉冲。同步光脉冲通过光/电转换电路中的光电二极管将同步光信号转换为电流信号。在这一阶段，光电二极管主要负责将光信号转换为电流信号，信号调理电路中的跨阻放大器主要是将电流信号转换为电压信号，并提供一定增益。由跨阻放大器内部组成的前级放大之后输出到跨阻放大器内部的放大器，并提供一定增益。

优选地，Bob端的同步光检测步骤中为低增益模式，为后续应用需要还预留了高增益放大的预留设计，满足不同的应用场景和环境的要求，为了增强输出信号的抗干扰能力将输出模式配置为差分信号输出。通过信号调理电路的跨阻放大器将单端输入的同步光脉冲转换为差分输出的电压信号VOUT+、VOUT-，并传输到迟滞比较电路，跨阻放大器采用LMH32401系列芯片实现。

优选地，迟滞比较电路包括比较器，比较器采用ADCMP573系列芯片，通过在HYS引脚与GND之间连接一个外部下拉电阻，可以产生可变的迟滞。同步模拟差分电压信号通过比较器，输出系统需要的高低数字信号作为时钟差分信号SYN_CLK_IN_P和SYN_CLK_IN_N，为后续同步探测器探测单光子信号提供同步时钟信号。

同步光监控电路硬件原理如下：

同步光信号监控电路主要作用是监视同步光信号，通过同步监控信号电路中的模拟数字转换器将模拟量转化为数字量，模拟数学转换器采用ADS8370系列芯片。同步光信号监控电路实时监控到同步光光强度的实时变化，通过对同步光强度的监控，反映同步光的周期序列状态，探测数据将通过SPI总线将数据传输到FPGA管理单元。

优选地，同时向Alice发送端发送数据，调整同步光脉冲发射功率，减小同步光脉冲在传输中的干扰，提高信号源的抗干扰性能，从而提高同步时钟输出精度。以及反馈至跨阻放大器电路，调整增益，为信号放大提供合适的增益值。

具体地，光电二极管采用NR2001型号，该产品具有等效电容0.3pF，响应时间0.3ns，饱和光功率2mW，探测暗电流0.3nA/5V等优势；光电二极管和TIA构成前级放大器，并提供一定增益。

跨阻放大器，光电二极管和TIA构成前级放大器，并提供一定增益。在输入端集成了100mA钳位电流保护，具有保护集成内部放大器的作用，同时降低脉冲展宽，防止系统响应出现盲区。外部可通过GAIN引脚根据系统需要配置增益高低。低增益模式下，最大输入电流650uA，在高增益模式下，最大输入电流65uA，如图9所示。芯片内部集成环境光消除电路，可以消除光电二极管到放大器之间的交流耦合。多模块共同使用时，可以通过使能引脚，配置需要采集的信号通道，增强电路的灵活性。

比较器选用ADCMP573芯片，XFCB3硅锗(SiGe)双极性工艺制造。该芯片可通过引脚设置模式，内部集成具有迟滞的比较器，可通过引脚HYS配置迟滞电压的大小。

如果输入电压从负方向接近阈值(在本例中为0.0V)，当输入与+VH/2相交时，比较器会从低电平切换到高电平。新的开关阈值变为-VH/2。比较器保持高电平状态，直到阈值-VH/2从正方向越过。以这种方式，以0.0V输入为中心的噪声不会导致比较器切换状态，除非它超过了由±VH/2界定的区域。

ADC芯片采用ADS8370系列芯片，该系列芯片应用于高精度数据采集系统。ADS8370系列芯片具有16位宽采样精度、600KHZ的采样速度、高达40MHZ的高速串行接口、低功耗和零延时等性能优势。为了提高采集的精度，本设计使用外部参考电压，U21是一款微型精密基准电压源，精度高、温漂低、低功耗等特点。为本系统提供高精度的参考电，ADS8370系列芯片将采集的数据通过SPI接口实时发送到FPGA管理单元，对同步光实施实时监控。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型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，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型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，并不对实用新型构成任何限制。

Claims (9)

1.一种QKD的同步光检测与监控纠正系统，其特征在于，包括Alice端和Bob端，

所述Alice端包括光发送模块和第一通信单元；

所述Bob端包括光接收模块、同步光检测系统、管理单元和第二通信单元；

所述光发送模块通过量子信道与所述光接收模块连接；所述光接收模块依次与同步光检测系统、管理单元以及第二通信单元电信号连接；

所述第一通信单元通过经典信道与第二通信单元连接；所述第一通信单元接收第二通信单元的反馈信息再发送给所述光发送模块；

所述同步光检测系统包括光/电转换电路、信号调理电路、同步时钟信号生成电路和同步信号监控电路；

所述光\电转换电路的输出端与信号调理电路的输入端连接；所述信号调理电路的输出端分别与同步时钟信号生成电路以及同步信号监控电路连接；

所述管理单元的输出信号反馈给光发送模块，所述光发送模块的输出端分别与光\电转换电路和光发送模块的输入端口连接。

2.如权利要求1所述的一种QKD的同步光检测与监控纠正系统，其特征在于，所述同步光脉冲的频率为80-150KHZ。

3.如权利要求1所述的一种QKD的同步光检测与监控纠正系统，其特征在于，所述光\电转换电路包括光电二极管，所述光电二极管用于将同步光信号转换为电流信号。

4.如权利要求1所述的一种QKD的同步光检测与监控纠正系统，其特征在于，所述信号调理电路包括跨阻放大器，所述跨阻放大器将电流信号转换为电压信号并对电压信号进行增益。

5.如权利要求4所述的一种QKD的同步光检测与监控纠正系统，其特征在于，所述跨阻放大器采用LMH32401系列芯片。

6.如权利要求1所述的一种QKD的同步光检测与监控纠正系统，其特征在于，所述同步时钟信号生成电路包括迟滞比较电路，所述迟滞比较电路用于对接收的电压信号进行迟滞处理。

7.如权利要求6所述的一种QKD的同步光检测与监控纠正系统，其特征在于，所述迟滞比较电路包括比较器，所述比较器采用ADCMP573系列芯片。

8.如权利要求1所述的一种QKD的同步光检测与监控纠正系统，其特征在于，所述同步信号监控电路包括ADC转换电路，所述ADC转换电路将模拟量转化为数字量。

9.如权利要求8所述的一种QKD的同步光检测与监控纠正系统，其特征在于，所述ADC转换电路包括模拟数字转换器，模拟数字转换器采用ADS8370系列芯片。

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