[實(shí)用新型]用于吉赫茲量子保密通信系統(tǒng)的弱相干單光子源產(chǎn)生裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201320379313.3
• 申請日: 2013-06-28
• 公開（公告）號: CN203416270U
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 杜海彬;梁焰;陳修亮;曾和平
• 申請（專利權(quán)）人: 華東師范大學(xué)
• 主分類號: H04B10/70
• 分類號: H04B10/70;H04B10/508;H04L9/08
• 代理公司: 上海申蒙商標(biāo)專利代理有限公司 31214
• 代理人: 徐小蓉

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及量子保密通信類，具體涉及一種用于吉赫茲量子保密通信系統(tǒng)的具有高重復(fù)頻率、高消光比、高穩(wěn)定性的弱相干單光子源產(chǎn)生裝置。

背景技術(shù)

量子保密通信技術(shù)起源于上世紀(jì)末，自Bennett與Brassard在1984年共同提出“BB84協(xié)議”以來，圍繞該技術(shù)的研究與發(fā)明取得了巨大的進(jìn)步。從最初引發(fā)人們對傳統(tǒng)密碼術(shù)安全性的恐慌，到如今實(shí)用的量子保密通信系統(tǒng)已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試點(diǎn)。量子保密通信技術(shù)會在不久的未來走入我們的生活。

單光子源是量子保密通信系統(tǒng)的核心模塊，發(fā)送端通過將密鑰加載在單光子脈沖序列上，經(jīng)過量子信道傳輸，接收端利用單光子探測器將所加載的信息解碼出來，能夠?qū)崿F(xiàn)絕對安全的密文傳輸。迄今為止，單光子的產(chǎn)生方法有很多，例如通過被囚禁的單原子和單分子、單量子點(diǎn)、單離子以及金剛石NV色心等，然而這些方法或者不能在室溫下工作，或者需要復(fù)雜的儀器設(shè)備，無法滿足量子保密通信的實(shí)用化要求。因此，人們采用了實(shí)驗(yàn)上容易實(shí)現(xiàn)的弱相干準(zhǔn)單光子源方案，單光子信號由激光二極管（LD）產(chǎn)生的能量較高的光脈沖衰減產(chǎn)生，通過監(jiān)測其平均功率估算單脈沖能量進(jìn)而確定平均光子數(shù)。該方案并不能產(chǎn)生理想的單光子，每個光脈沖所含的光子數(shù)是滿足泊松分布的，即存在一定的多光子概率，通信系統(tǒng)容易受到竊聽者光子數(shù)分離攻擊。“誘騙態(tài)”方法的提出有效的解決了這個問題，使得這種簡單高效的單光子產(chǎn)生方法能夠應(yīng)用在量子保密通信系統(tǒng)中。

目前，人們已經(jīng)給出了低速率（100K～500MHz）準(zhǔn)單光子源的產(chǎn)生方案，成功應(yīng)用在現(xiàn)有的量子保密通信系統(tǒng)中。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，高速吉赫茲量級量子保密通信系統(tǒng)的實(shí)用化研究正在進(jìn)行，這就需要能夠滿足該系統(tǒng)的高速單光子源。目前市場上有調(diào)制速率超過40Gbps的光模塊，該模塊采用電吸收調(diào)制技術(shù)（EAM），可以獲得遠(yuǎn)高于直接調(diào)制技術(shù)的調(diào)制速率，配合商用的LD驅(qū)動芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于在光通信領(lǐng)域。但是，上述光模塊的調(diào)制消光比不高，典型值約為10dB，這對于探測水平已到量子極限的單光子探測器來說，會引入很高的誤計數(shù)，直接降低量子保密通信系統(tǒng)的成碼效率。因而，無法滿足量子保密通信系統(tǒng)對單光子源的高消光比要求（大于25dB）。

隨著重復(fù)頻率的提升，窄脈沖產(chǎn)生以及放大均需要等效帶寬更寬的射頻元器件，如重復(fù)頻率為1.25GHz，脈沖寬度200ps的窄脈沖等效帶寬就大于6GHz。此時，傳輸信號的波長與電路板元器件的尺寸和傳輸線長度已可比擬，電路設(shè)計與分析需從集總電路變?yōu)榉植茧娐返纳漕l電路設(shè)計方法。另一方面，在實(shí)用化的過程中，由于存在輸入信號抖動以及周圍環(huán)境干擾，輸出電脈沖的幅度與脈沖寬度均會發(fā)生變化，若采用此電脈沖直接調(diào)制半導(dǎo)體LD，所產(chǎn)生光脈沖的單脈沖能量與脈沖寬度均不穩(wěn)定，直接影響量子保密通信系統(tǒng)的誤碼率，因此，如何提高穩(wěn)定性是一個難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種適用于吉赫茲量子保密通信系統(tǒng)的弱相干單光子源產(chǎn)生裝置，該裝置通過增設(shè)特有的自動增益控制模塊解決了系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下光脈沖寬度抖動與光功率不穩(wěn)定的難題，并通過窄脈沖放大模塊提供較高的輸出功率保證激光器輸出弱相干光脈沖且具有較高的消光比。

本實(shí)用新型目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成：

一種用于吉赫茲量子保密通信系統(tǒng)的弱相干單光子源產(chǎn)生裝置，涉及所述吉赫茲量子保密通信系統(tǒng)和激光器，所述裝置屬于所述吉赫茲量子保密通信系統(tǒng)的核心模塊，其特征在于所述裝置具體由自動增益控制模塊、窄脈沖產(chǎn)生模塊、窄脈沖放大模塊以及激光器驅(qū)動偏置模塊順次連接構(gòu)成；

所述自動增益控制模塊的輸入端與所述吉赫茲量子保密通信系統(tǒng)連接，所述自動增益控制模塊由帶通濾波器、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓跟隨器、自動增益控制器和雙向耦合器構(gòu)成，所述帶通濾波器、自動增益控制器和雙向耦合器依次連接，所述D/A轉(zhuǎn)換器和電壓跟隨器構(gòu)成的支路與所述自動增益控制器連接，用以設(shè)定所述自動增益控制模塊的輸出功率值，其中所述自動增益控制器與雙向耦合器之間為反饋控制連接。

所述窄脈沖產(chǎn)生模塊的輸入端與所述雙向耦合器連接，其輸出端與所述窄脈沖放大模塊連接，具體由高速比較器、D/A轉(zhuǎn)換器和電壓跟隨器構(gòu)成，所述D/A轉(zhuǎn)換器和電壓跟隨器構(gòu)成的支路與所述高速比較器的反相輸入端連接，所述自動增益控制模塊與所述高速比較器的同相輸入端連接。

所述窄脈沖放大模塊的輸入端與所述高速比較器連接，其輸出端與所述激光器驅(qū)動偏置模塊連接，具體由射頻增益模塊和寬帶功率放大器級聯(lián)構(gòu)成。