用于量子密钥分发系统的光电模拟装置、测试装置的制作方法

本实用新型涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种用于量子密钥分发系统的光电模拟装置、测试装置。

背景技术：

随着量子理论与技术的发展，量子密钥分发(QKD)技术是日趋实用化，其以单光子为信息载体，以光纤为量子通道，以量子理论的测不准原理和未知量子态不可克隆原理保证了该通信技术理论上的无条件安全性。

在量子密钥分发系统的开发中，包括电路部分和光路部分的开发，电路部分主要是包括产生光驱动信号的驱动模块、控制信号模块以及密钥产生模块等，光路部分主要包括激光器、量子态编码模块、量子态解码模块和单光子探测器等，相对于电路部分，光路部分的开发更为复杂，开发周期也更长。在现有技术中，通常是在电路部分开发完成之后，等待光路部分的开发完成，而后利用完整的量子密钥分发系统进行电路部分和光路部分的调试和性能的测试，进而确定系统的性能是否满足要求。这样，会增加整个系统开发的周期，而且系统调试过程中，会同时涉及电路和光路部分，难以实现问题的定位。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种用于量子密钥分发系统的光电模拟装置、测试装置，无需任何光学器件，实现光信号的模拟，利用模拟光信号进行测试，缩短系统开发周期，测试成本低且实现简单，易于定位测试中出现问题的原因。

本实用新型提供了一种用于量子密钥分发系统的光电模拟装置，包括：

光信号转换模块，用于将信号光驱动信号转换为预定脉宽、预定形式的模拟光信号；

路径衰减模拟模块，用于根据预定的衰减率随机丢失所述模拟光信号中的部分脉冲，以获得衰减后的电压信号；

探测效率模拟模块，用于根据预定的探测效率随机通过所述衰减后的电压信号的部分脉冲，以获得可探测的电压信号；

错误率模拟模块，用于根据预定的错误率将部分所述可探测的电压信号进行随机翻转，以获得翻转后的电压信号；

延时模块，用于按照预定的传输延时将所述翻转后的电压信号进行延时处理，以获得模拟探测信号，所述模拟探测信号用于基矢比对。

可选地，所述信号光驱动信号为第一脉宽的LVDS信号，所述模拟光信号为第二脉宽的LVTTL信号，在所述光信号转换模块中，将第一脉宽的LVDS信号转换为第一脉宽的CML信号，将第一脉宽的CML信号转换为第一脉宽的LVPECL信号，将第一脉宽的LVPECL信号转换为第二脉宽的LVPECL信号，将第二脉宽的LVPECL信号转换为第二脉宽的LVTTL信号。

可选地，所述光信号转换模块包括依次连接的比较器、交流耦合电路、D触发器和电平转换芯片，所述信号光驱动信号依次经过比较器、交流耦合电路、D触发器和电平转换芯片的转换，获得所述模拟光信号。

可选地，还包括：同步信号转换模块，用于将同步光驱动信号转换为预定形式的模拟同步信号，所述模拟同步信号用于系统同步。

可选地，所述同步信号为LVDS信号，所述模拟同步信号为LVTTL信号，在所述同步信号转换模块中，将LVDS信号转换为CML信号，将CML信号转换为LVPECL信号，将LVPECL信号转换为LVTTL信号。

可选地，所述同步信号转换模块包括依次连接的比较器、交流耦合电路和电平转换芯片，所述同步光驱动信号依次经过比较器、交流耦合电路和电平转换芯片的转换，获得所述模拟同步信号。

可选地，还包括：模拟光电信号检测单元，用于对所述模拟光信号和/或模拟同步信号进行检测。

可选地，所述路径衰减模拟模块、探测效率模拟模块和错误率模拟模块由FPGA芯片实现。

本实用新型还提供了一种用于量子密钥分发系统的测试装置，用于量子密钥分发系统中电路部分的测试，该测试装置包括：

上述任一所述的光电模拟装置，用于产生模拟探测信号，模拟探测信号用于电路部分进行基矢比对，电路部分根据基矢比对，生成量子密钥；

判断模块，用于判断量子密钥是否正确。

本实用新型实施例提供的用于量子密钥分发系统的光电模拟装置及测试装置，光信号转换模块将信号光驱动信号转换为模拟光信号的电压信号，进一步对该电压信号依次按照衰减率进行脉冲衰减、探测效率进行脉冲减少和错误率进行翻转之后，进一步进行延时处理，这样，将信号光驱动信号转化为了模拟探测信号，信号光驱动信号是用于驱动量子光源产生量子光信号的信号，通过将该驱动信号进行模拟转换，进一步用于基矢比对，进而可以进一步用于密钥的产生和电路部分的测试，整个过程不需要光学器件，可在光学部分设计完成之前进行电路部分的测试，测试成本低且实现简单，易于定位测试中出现问题的原因，缩短开发周期。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为根据本实用新型实施例的用于量子密钥分发系统的光电模拟装置的结构示意图；

图2为根据本实用新型实施例提供的光信号转换模块的结构示意图；

图3为根据本实用新型实施例提供的同步信号转换模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

量子密钥分发系统，即QKD系统，通常包括电路部分和光路部分，电路部分主要是包括产生光驱动信号的驱动模块、控制信号模块以及密钥产生模块等，分别用于产生驱动信号、控制信号以及产生密钥，光路部分主要包括激光器、量子态编码模块、量子态解码模块和单光子探测器等。QKD系统的电路部分包括发送方和接收方，QKD系统产生密钥的过程为：发送方产生同步光和信号光的驱动信号，该驱动信号驱动激光器产生光信号，光信号经过编码、光纤传输及解码后，送给单光子探测器，探测器经过特定处理后产生特定的电信号，并传送给电路部分的接收方，发送方和接收方相互连接，再对发送方和接收方的数据进行基矢比对等处理之后，协商产生量子密钥。

正如背景技术中的描述，QKD系统的电路部分通常先开发完成，为了缩短开发周期，在光路部分开发完成前进行电路部分的测试，本实用新型提出了一种用于量子密钥分发系统的光电模拟装置，以下将结合具体的实施例，对用于量子密钥分发系统的光电模拟装置进行详细的描述。

参考图1所示，所述光电模拟装置300包括：

光信号转换模块310，用于将信号光驱动信号转换为预定脉宽、预定形式的模拟光信号；

路径衰减模拟模块320，用于根据预定的衰减率随机丢失所述模拟光信号中的部分脉冲，以获得衰减后的电压信号；

探测效率模拟模块330，用于根据预定的探测效率随机通过所述衰减后的电压信号的部分脉冲，以获得可探测的电压信号；

错误率模拟模块340，用于根据预定的错误率将部分所述可探测的电压信号进行随机翻转，以获得翻转后的电压信号；

延时模块350，用于按照预定的传输延时将所述翻转后的电压信号进行延时处理，以获得模拟探测信号，所述模拟探测信号用于基矢比对。

该光电模拟装置300用于模拟QKD系统的光路部分的功能，将QKD系统电路部分200的发送方210发出的信号光驱动信号经过该光电模拟装置之后，将获得的模拟探测信号发送至QKD系统电路部分200的接收方220。

根据不同的电路设计，信号光驱动信号的组成和信号的特性都会有所不同，需要经过转换之后，才可以用于后续的信号处理和应用。

对于同步光驱动信号，是用于产生同步参考信号。根据需要，将该同步光驱动信号转换为预定形式的模拟同步信号，发送至接收方，以用于收发双方的系统同步。

在该具体的实施例中，光源驱动信号为差分信号，包括1路同步光驱动信号和4路信号光驱动信号。其中，信号光驱动信号为高速窄脉宽的信号，为LVDS(Low Voltage Differential Signaling)即低压差分信号，信号光驱动信号的频率为100KHz、脉宽为400ps、幅值为350mV，需要将该LVDS信号转化为单端的LVTTL信号且脉宽不小于5ns，便于其他的芯片采用该信号，并进一步进行信号的处理。同步光驱动信号为高速的低压信号，为LVDS(Low Voltage Differential Signaling)即低压差分信号，同步光驱动信号的频率为100KHz、脉宽为10ns、幅值为350mV，需要将该LVDS信号转化为单端的LVTTL信号，脉宽保持不变。

参考图2所示，将LVDS的信号光驱动信号转化为LVTTL且脉宽不小于5ns的信号，在具体的信号转换中，所述信号光驱动信号依次经过比较器110、交流耦合电路120、D触发器130和电平转换芯片140，从而获得所需的脉宽和形式的电压信号，为了便于理解，将转化后的电压信号记做模拟光信号。具体的，首先，将第一脉宽的LVDS信号转换为第一脉宽的CML(Current Mode Logic)信号，第一脉宽例如为400ps，可以通过比较器110来转换CML信号，转换后CML信号的脉宽仍为400ps；接着，将第一脉宽的CML信号转换为第一脉宽的LVPECL(Low Voltage Positive Emitter-Couple Logic，低压正发射极耦合逻辑)信号，可以通过交流耦合电路120将CML信号转化为LVPECL信号，转换后的脉宽仍为400ps；而后，将第一脉宽的LVPECL信号转换为第二脉宽的LVPECL信号，可以通过D触发器130进行脉宽的转换，转换后变为不低于5ns的脉宽，D触发器130的延时信号可以通过延时电路150来提供，延时电路150的延时值可以根据需要来设定，延时电路150作为D触发器130的一部分，与其共同构成脉冲展宽电路；最后，可以通过电平转换芯片140，将信号进一步转化为LVTTL(Low Voltage Transistor-Transistor Logic)信号，此时信号的脉宽仍为不低于5ns的脉宽的单端信号。

此外，参考图3所示，将LVDS的同步光驱动信号转化为LVTTL的模拟同步信号，由于同步光驱动信号的脉宽无需展宽，在具体的转换过程中，可以将LVDS的同步光驱动信号依次经过比较器、交流耦合电路和电平转换芯片，从而，将LVDS的同步光驱动信号转化为LVTTL，在转换过程中，仅改变信号的形式，而不用改变信号的脉宽，将LVDS信号转换为CML信号，将CML信号转换为LVPECL信号，将LVPECL信号转换为LVTTL信号。

此外，还进一步包括：模拟光电信号检测单元，用于对所述模拟光信号和/或模拟同步信号进行检测。该检测单元可以为示波器或上位机中的仿真测试单元，在检测中，若模拟光信号不能满足要求，可以通过改变发送方的设置，重新输出信号光驱动信号，直到满足要求；若模拟同步信号不能满足要求，可以通过改变发送方的设置，重新输出同步光驱动信号，直到满足要求。

在获得所需要的脉宽和形式的模拟光信号之后，这些信号为电压脉冲信号，利用该模拟光信号进行光信号传输和探测过程的模拟，通常地，在量子光信号传输中，会出现信号的衰减的问题，以及在探测时仅能探测一部分的光信号，即探测时存在探测效率的问题；同时，由于光学器件的不完美性和探测器本身存在的噪声，会引入一定的错误率。针对这些问题，进行光信号的模拟，获得模拟传输及探测后的信号。

路径衰减模拟模块、探测效率模拟模块和错误率模拟模块分别对电压信号进行衰减、探测及错误率方面的模拟，这些模拟模块可以通过逻辑电路来实现，例如可以通过随机时钟产生电路和与电路来实现，这些电路可以为硬件电路或逻辑电路。

在具体的实施例中，这些模拟模块可以通过FPGA芯片中的逻辑电路来实现。由光信号转换模块310获得的所述模拟光信号提供给FPGA芯片使用，为适用于FPGA芯片的特定脉宽和形式的电压信号，该FPGA芯片可以通过接口与设置有参数设置模块370的上位机或其他控制单元连接，衰减率、探测效率和错误率可以通过参数设置模块370来设定并传送至FPGA芯片中。

在具体的实施例中，其中，路径衰减模拟模块，用于根据预定的衰减率随机丢失所述模拟光信号中的部分脉冲，以获得衰减后的电压信号，该预定的衰减率可以根据需要进行设置，衰减率模拟了光信号在传输中的信号衰减的比例，例如衰减率为20％，则意味着模拟光信号中有20％的脉冲被丢失，被丢失的脉冲部分为随机丢失，也就是20％的脉冲随机消失，衰减后的电压信号中包括模拟光信号80％的脉冲。需要丢失的脉冲可以通过随机时钟产生逻辑电路来产生，该随机的脉冲信号和模拟光信号通过与逻辑电路后获得衰减后的电压信号。

探测效率模拟模块，用于根据预定的探测效率随机通过所述衰减后的电压信号的部分脉冲，以获得可探测的电压信号，该预定的探测效率也可以根据需要进行设置，探测效率模拟了光信号探测时有效探测到的信号比例，例如探测率为70％，则意味着衰减后的电压信号中有70％的脉冲被探测到，获得的可探测的电压信号中包括衰减后的电压信号中有70％的脉冲，这70％的脉冲是从衰减后的电压信号中随机通过的70％的脉冲。没有被探测到的脉冲可以通过随机时钟产生逻辑电路来产生，该随机的脉冲信号和衰减后的电压信号通过与逻辑电路后获得可探测的电压信号。

错误率模拟模块，用于根据预定的错误率将部分所述可探测的电压信号进行随机翻转，以获得翻转后的电压信号该预定的错误率也可以根据需要进行设置，错误率模拟了光学器件不完美和探测器本身的噪声引起的错误概率。例如错误率为10％，则意味着探测到的可探测的电压信号中有10％的错误比例，随机的将可探测的电压信号中的10％的信号进行翻转，翻转是指将可探测的电压信号中的高电位翻转为低电位或将低电位转换为高电位，这样就获得了翻转后的电压信号。要翻转的脉冲可以通过随机时钟产生逻辑电路来产生，该随机的脉冲信号和可探测的电压信号通过与逻辑电路后获得翻转后的电压信号。

由于传输距离的不同，光信号在传输到目的地后，通常会存在延时，对于多路的光信号，相对于同步光会存在不同的延时，根据延时的情况，按照预定的传输延时，对上述得到的翻转后的电压信号进行延时处理，这样，就获得了模拟探测器输出的信号，记做模拟探测信号，该模拟探测信号传送到接收方，与发送端的信号进行基矢比对，进而通过协商产生量子密钥。

延时模块350可以为延时芯片，完成各路探测信号的延时。

光信号转换模块310与量子密钥分发系统的电路部分200的发送方210可以通过接口连接，延时模块350与量子密钥分发系统的电路部分200的接收方220可以通过接口连接。

此外，本实用新型还提供了用于量子密钥分发系统的测试装置，用于量子密钥分发系统中电路部分的测试，该测试装置包括上述的光电模拟装置，光电模拟装置用于产生模拟探测信号，模拟探测信号用于电路部分进行基矢比对，电路部分根据基矢比对，生成量子密钥；还包括：判断模块，用于判断量子密钥是否正确。

该测试装置利用光电模拟装置提供模拟探测信号，通过模拟探测信号来验证量子密钥分发系统中的电路部分的设计的功能，以便在光路部分设计完成前进行电路部分的调试和设计，减少设计时间，提高设计效率。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块或单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。