一种适用于连续变量量子密钥分发的脉冲发生器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种适用于连续变量量子密钥分发的脉冲发生器，包括数字电路（1）和模拟电路（2）；数字电路（1）包括：第一可编程脉宽调制芯片（3）和第一可编程延迟线芯片（5），第二可编程脉宽调制芯片（4）和第二可编程延迟线芯片（6）；模拟电路（2）包括第一功率放大电路（7）和第二功率放大电路（8）；外部输入的时钟信号触发数字电路（1）产生可精确调制脉宽和延时的两路脉冲；该两路脉冲分别经过模拟电路（2）中的第一功率放大电路（7）和第二功率放大电路（8）后输出。该脉冲发生器具有脉宽可精确调节、延时精度高、控制时间短、驱动能力强、体积小、成本低等优点，可以很好的集成在连续变量量子密钥分发系统中。
【专利说明】一种适用于连续变量量子密钥分发的脉冲发生器
【技术领域】
[0001]本发明涉及脉冲发生器，特别涉及一种适用于连续变量量子密钥分发的脉冲发生器，具体是一种用于驱动Mach-Zehnder铌酸锂强度调制器产生高消光比脉冲光的双通道脉冲发生器，可以很好的集成在连续变量量子密钥分发系统中。
【背景技术】
[0002]基于量子力学基本原理的量子通信具有无条件的安全性，在国防、商业、网络等领域有着非常广阔的应用前景。量子密钥分发是该领域内最接近实际应用的一个方向，按编码所用物理量是光场的分离谱还是连续谱可分为分离变量和连续变量两个方向。连续变量量子密钥分发无需单光子的产生与探测，受到了国内外科研学者的广泛关注，相关理论和实验技术获得了飞速的发展。目前两个方向均已有产品投入商业领域。
[0003]脉冲信号发生器是连续变量量子密钥分发系统中的重要组成器件之一。在连续变量量子密钥分发系统中，发送端通过Mach-Zehnder铌酸锂强度调制器对激光器产生的1550nm激光进行调制，产生脉宽约百纳秒，重复速率为兆赫兹，高消光比的脉冲光。上述性能要求脉冲发生器的脉宽精度和延迟精度均为纳秒级。Mach-Zehnder铌酸锂高消光比强度调制器的半波电压约6至7伏，输入阻抗为50欧姆，因此要求脉冲发生器有足够的驱动电压和驱动电流。现有的高性能商用双通道脉冲发生器可实现该功能，但是体积较大，价格昂贵(几万元)，还需要专用的通信接口(USB、GPIB等)来调节参数，控制时间长，不能很好的集成在量子密钥分发系统中。如使用FPGA开发，不但仅开发周期长，难度较高，而且由于时钟频率的限制(百兆赫兹)，所产生的脉冲没有足够的脉宽精度。利用当前的多功能数据采集卡进行开发也面临着成本高，时钟精度有限，输出功率有限等问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有技术存在的问题提供一种脉宽可精确调节、延时精度高、控制时间短、驱动能力强、体积小、成本低、可驱动Mach-Zehnder铌酸锂强度调制器产生高消光比光脉冲的双通道脉冲发生器。其可以很好的集成在连续变量量子密钥分发系统中。
[0005]本发明提供的一种适用于连续变量量子密钥分发的脉冲发生器，包括数字电路和模拟电路；数字电路包括:第一可编程脉宽调制芯片和第一可编程延迟线芯片，第二可编程脉宽调制芯片和第二可编程延迟线芯片；模拟电路包括第一功率放大电路和第二功率放大电路；外部输入的时钟信号同时触发第一可编程脉宽调制芯片和第二可编程脉宽调制芯片产生可精确调制脉宽的两路脉冲，然后再分别经过第一可编程延迟线芯片和第二可编程延迟线芯片进行精确延时；数字电路产生的两路脉冲分别经过模拟电路中的第一功率放大电路和第二功率放大电路后输出。
[0006]所述的数字电路的控制接口为数字I/O总线，外界可通过数字I/O总线设置脉冲发生器的脉宽和延时参数。[0007]所述的数字电路设有外部时钟接口，可与外部系统的时钟同步。
[0008]所述的第一可编程延迟线芯片和第二可编程延迟线芯片均可由相级联的多个延迟线芯片替代，以增加脉冲延迟的范围。
[0009]所述的第一功率放大电路和第二功率放大电路均由运算放大器和缓冲器以及外围电路构成；其中缓冲器位于运算放大器的反馈环路中，用于增强电路的电流输出能力，反馈环路中的可变电容可避免电路的振荡，又可对脉冲的上升沿和下降沿进行微调。
[0010]与现有技术相比，本发明的优点和效果:
[0011]现有的高性能商用双通道脉冲发生器可实现该功能，但是体积较大，价格昂贵(几万元)。如需实现计算机控制，还需要专用的通信接口(USB、GPIB等)来调节参数，控制时间长，不能很好的集成在系统中。使用FPGA开发，不仅开发周期长，难度较高，而且由于时钟频率(百兆赫兹)的限制，所产生脉冲没有足够的脉宽和延时精度。利用当前的多功能数据采集卡进行开发也面临着成本高，时钟频率限制，输出功率有限等问题。
[0012]当前可编程脉宽调制芯片和延迟线芯片的精度可达到百皮秒(DS1023等)，对应的时钟频率为几个GHz ;该类芯片可用数字I/O总线直接控制，控制时间短，开发难度低；且该类芯片成本较低，价格只有百元左右。
[0013]利用低噪声运算放大器和高速缓冲器研制的功率放大电路足以驱动Mach-Zehnder银酸锂强度调制器,而且成本低，容易实现。
[0014]该双通道脉冲发生器体积小，控制方式为数字I/O总线，易于集成在连续变量量子密钥分发系统中。该脉冲发生器由系统数据采集卡输出的时序信号进行控制，自身无需微型控制单元；脉冲产生所需的时钟触发信号由系统的数据采集卡提供，自身无需时钟产生电路。上述特点缩短了开发周期，降低了开发成本，提高了系统的控制性和紧凑性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1本发明脉冲发生器的原理图
[0016]图2脉冲发生器中功率放大电路的原理图
[0017]图3连续变量量子密钥分发两种脉冲产生方案的原理图
[0018]图4延迟线芯片串行模式下的时序图
[0019]图5第一种方案下数字电路部分输出的脉冲
[0020]图6第二种方案下数字电路部分输出的脉冲
[0021]图7第一种方案下脉冲发生器输出的脉冲
[0022]图8第二种方案下脉冲发生器输出的脉冲
【具体实施方式】
[0023]图1所示的是一种适用于连续变量量子密钥分发的脉冲发生器，包括数字电路I和模拟电路2 ;数字电路I包括:第一可编程脉宽调制芯片3和第一可编程延迟线芯片5，第二可编程脉宽调制芯片4和第二可编程延迟线芯片6 ;模拟电路2包括第一功率放大电路7和第二功率放大电路8 ;外部输入的时钟信号同时触发第一可编程脉宽调制芯片3和第二可编程脉宽调制芯片4产生可精确调制脉宽的两路脉冲，然后再分别经过第一可编程延迟线芯片5和第二可编程延迟线芯片6进行精确延时；数字电路I产生的两路脉冲分别经过模拟电路2中的第一功率放大电路7和第二功率放大电路8后输出。所述的数字电路I的控制接口为数字I/O总线，外界可通过数字I/O总线设置脉冲发生器的脉宽和延时参数。所述的数字电路I设有外部时钟接口，可与外部系统的时钟同步。所述的第一可编程延迟线芯片5和第二可编程延迟线芯片6可由相级联的多个延迟线芯片替代，以增加脉冲延迟的精度或范围。所述的第一功率放大电路7和第二功率放大电路8均由运算放大器9和缓冲器10以及外围电路构成；其中缓冲器10位于运算放大器9的反馈环路中，用于增强电路的电流输出能力，反馈环路中的可变电容11可避免电路的振荡，又可对脉冲的上升沿和下降沿进行微调。
[0024]本实施方式所采用的可编程脉宽调制芯片、可编程延迟线芯片均是由Dallas半导体公司生产的8位可编程延迟线芯片DS1023，该芯片有脉宽调制和延时两种工作模式。可编程脉宽调制芯片3和4均由脉宽调制模式的延迟线芯片DS1023S-100实现，可编程延迟线芯片5和6均由延时模式的延迟线芯片DS1023S-500实现。
[0025]图2是功率放大电路的原理图。运算放大器9采用的是低噪声、宽带运算放大器AD829，缓冲器10采用的是高速缓冲器BUF634。
[0026]图3是连续变量量子密钥分发领域内两种高消光比脉冲光产生方案的原理图，我们将结合每种方案对脉冲发生器输出的两通道脉冲CHl和CH2进行测试。方案一中激光光源产生1550nm的连续光，再经过两个级联的由双通道脉冲发生器驱动的高消光比Mach-Zehnder铌酸锂调制器后，可产生高消光比的脉冲光。该方案中要求脉冲发生器两通道输出的脉冲需满足如下要求:脉宽(半值宽度)为IOOns ;上升沿和下降沿较缓，约30-40ns ;当负载为50欧姆时输出电压可达到6-7V ;两脉冲延迟时间差可调，用于补偿两强度调制器间的光程差。较缓的上升沿有利于连续变量量子密钥分发系统接收端的脉冲平衡零拍探测器获得较高的共模抑制比。方案二中的激光光源产生1550nm脉冲光。双通道脉冲发生器产生的一路脉冲用于脉冲光源的产生；另一路脉冲用于驱动高消光比Mach-Zehnder铌酸锂强度调制器对脉冲光源进行重调制。重调制可以减少脉冲光源上升沿和下降沿过程中的噪声，减少脉冲光源消光时段内荧光的强度，从而减少连续变量量子密钥分发系统的额外噪声。该方案中要求脉冲发生器两通道输出的脉冲需满足如下要求:CH1脉宽(半值宽度)为240ns ；CH2脉宽(半值宽度)为100ns，上升沿和下降沿较缓，约30_40ns，且CH2延迟后位于CHl中部；当负载为50欧姆时输出电压可达到6-7V。两种方案产生的高消光比脉冲光经分束器后分为信号光和本地光，信号光由数据采集卡输出的模拟电压进行振幅和相位的调制。
[0027]发送端数据采集卡的数字I/O总线，可输出图4所示的时序，用于控制DS1023S-100的脉宽调制参数和DS1023S-500的延时参数。时序的写入采用了串行输入模式，MS为模式选择端，LE为芯片的写入使能端，D为串行数据脉冲的输入端，CLK为相应的时钟脉冲输入端。数据采集卡的时钟输出端PFI与DS1023S-100的输入引脚相连，时钟信号的上升沿触发DS1023S-100产生脉宽调制信号，然后进入DS1023S-500，经过延时后输出。该数据I/O控制方式与商用脉冲发生器的接口控制方式(USB，GPIB, COM等)相比，所需时间短。DS1023S-100的时钟触发信号由数据采集卡提供，即可使脉冲发生器与整个系统的时钟同步，又避免了时钟电路的制作，减小了整个脉冲发生器的体积，降低了成本。通信系统的每个时钟上升沿触发模拟电压端AO输出随机的调制电压，需要求脉冲发生器产生的脉冲通过延迟位于模拟调制电压的平坦部分，避开上升沿或下降沿，以达到精确的振幅和相位调制。
[0028]功率放大电路可提高脉冲发生器的电压输出和电流输出能力。如图2所示，我们将缓冲器BUF634接入到低噪声运算放大器AD829的反馈环路中，用于增强功率放大电路的电流输出能力。可变电容C既可用于消除电路的振荡，又可对脉冲放大器的上升沿和下降沿时间进行微调。
[0029]电路制作过程中为了减少干扰信号，元器件全部采用了贴片封装，数字地与模拟地通过零欧姆电阻相连，脉冲信号的输入信号与输出信号的线路应尽量短，电路板单面敷铜。
[0030]图5为第一种方案下数字电路部分输出的脉冲，两脉冲脉宽均为100ns，第一通道CHl延迟1250ns，幅度为2.5V ;第二通道CH2延迟1265ns，幅度为2.5V。图6为第二种方案下数字电路部分输出的脉冲图，第一通道输出脉宽为240ns，延迟1200ns，幅度为2.5V ；第二通道输出脉宽为100ns，延迟1265ns，幅度为2.5V。两图中均给出了振幅调制电压的输出，位于CH3通道，可以看出脉冲发生器与数据采集卡同步，两通道脉冲均处于数据采集卡输出的模拟调制电压的平坦输出范围内。此时脉冲重复速率为500kHz，示波器CHl，CH2的输入阻抗为50欧姆，CH3的输入阻抗为IM欧姆。
[0031]图7为第一种方案下脉冲发生器最终输出的脉冲，两脉冲脉宽(半值宽度)均为100ns，第一通道CHl延迟1250ns，幅度为6.3V ;第二通道CH2延迟1265ns，幅度为6.3V。图8为第二种方案下脉冲发生器最终输出的脉冲图，第一通道CHl延迟1200ns，脉冲宽度(半值宽度)为240ns，幅度为6.3V ;第二通道CH2延迟1265ns，脉冲宽度(半值宽度)为100ns，幅度为6.3V。两图中均给出了振幅调制电压的输出，位于CH3通道，可以看出脉冲发生器与数据采集卡同步，两通道脉冲均处于数据采集卡输出的模拟调制电压的平坦输出范围内。此时脉冲重复速率为500kHz，示波器CH1，CH2的输入阻抗为50欧姆，CH3的输入阻抗为IM欧姆。
【权利要求】
1.一种适用于连续变量量子密钥分发的脉冲发生器，其特征在于，包括数字电路(1)和模拟电路(2);所述的数字电路(1)包括:第一可编程脉宽调制芯片(3)和第一可编程延迟线芯片(5)，第二可编程脉宽调制芯片(4)和第二可编程延迟线芯片(6);所述的模拟电路(2)包括第一功率放大电路(7)和第二功率放大电路(8);外部输入的时钟信号同时触发第一可编程脉宽调制芯片(3)和第二可编程脉宽调制芯片(4)产生可精确调制脉宽的两路脉冲，然后再分别经过第一可编程延迟线芯片(5)和第二可编程延迟线芯片(6)进行精确延时；数字电路(1)产生的两路脉冲分别经过模拟电路(2)中的第一功率放大电路(7)和第二功率放大电路(8)后输出。
2.如权利要求1所述的一种适用于连续变量量子密钥分发的脉冲发生器，其特征在于，所述的数字电路(1)的控制接口为数字I/O总线。
3.一种适用于连续变量量子密钥分发的脉冲发生器，其特征在于，所述的数字电路(I)设有外部时钟接口。
4.一种适用于连续变量量子密钥分发的脉冲发生器，其特征在于，所述的第一可编程延迟线芯片(5)或第二可编程延迟线芯片(6)由相级联的多个延迟线芯片替代。
5.一种适用于连续变量量子密钥分发的脉冲发生器，其特征在于，所述的第一功率放大电路(7)或第二功率放大电路(8)由运算放大器(9)和缓冲器(10)以及外围电路构成。
【文档编号】H03K3/017GK103905185SQ201410146307
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】王旭阳, 李永民, 刘建强 申请人:山西大学