一种用于QKD的光偏振修正系统的制作方法

一种用于qkd的光偏振修正系统
技术领域
1.本发明涉及量子密钥分发领域，具体涉及一种用于qkd的光偏振修正系统。


背景技术：

2.qkd(量子密钥分发)系统中，根据bb84协议，以偏振四态编码为例，采取光子的四种偏振态：垂直偏振态(
↑
)、水平偏振态(
→
)、+45
°
偏振态和
‑
45
°
偏振态简记为h、v、p、n。
3.h和v在hv基下，p和n在pn基下，且两组基共轭。信号光的基矢与测量基相同时，信号光才能被正确测量，否则，测量会得到一个完全随机的结果，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。
4.约定hv基编码为0，pn基编码为1。在hv基下，h偏振态编码为0，v偏振态编码为1；在pn基下，p偏振态编码为0，n偏振态编码为1。四种偏振态的编码如表1所示。
5.表1偏振编码方式
6.偏振态基编码偏振态编码h偏振态00v偏振态01p偏振态10n偏振态11
7.偏振光在光纤链路上传输时，由于光纤的双折射效应，到达接收方时，可能会与接收方选择的测量基矢存在一定的夹角θ，因此需要对现有的技术进行进一步地改进并补偿夹角θ，使接收方能正确测量四种偏振光。


技术实现要素：

8.为了解决上述技术问题，提出了一种无需人工干预，粗调可实现偏振态高精度、快速调控的qkd的光偏振修正系统。
9.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种用于qkd的光偏振修正系统，包括alice端和bob端，其中：
10.所述alice端包括第一控制单元、第一通信单元、单光子偏振态发生器、偏振控制器驱动单元和偏振控制器；
11.所述bob端包括单光子探测器、第二控制单元和第二通信单元；
12.所述第一通信单元通过经典信道与所述第二通信单元连接；
13.所述第一控制单元分别与单光子偏振态发生器和偏振控制器驱动单元连接，所述偏振态h、v、p、n发生器的输出端口与偏振控制器连接，所述偏振控制器又通过量子信道与bob端的单光子探测器连接；
14.所述偏振控制器驱动单元的输出端口与偏振控制器连接；
15.所述单光子探测器与第二控制单元连接，所述第二控制单元又控制所述第二通信
单元；
16.在alice端，所述单光子偏振态发生器用于随机产生h、v、p、n四种偏振态，并将h、v、p、n四种偏振态发送给偏振控制器；
17.所述h、v、p、n分别表示垂直偏振态、水平偏振态、+45
°
偏振态和
‑
45
°
偏振态；
18.所述偏振控制器调整hv基和pn基的偏振偏移，并将调整后的单光子信号通过量子信道发送给bob端；
19.所述偏振控制器驱动单元用于改变偏振控制器的参数，调整单光子偏振；
20.所述通信单元通过经典信道与bob端交互，并将bob端的有效反馈信息传递给第一控制单元，所述第一控制单元根据反馈信息调整hv基或pn基的偏振；
21.所述bob端单光子探测器用于h、v、p、n光子计数结果，并将探测出的h、v、p、n光子计数结果发送给第二控制单元；
22.所述第二控制单元通过第二通信单元把单光子探测器的探测结果反馈给alice端。
23.优选地，所述第一控制单元采用fpga处理单元，所述偏振控制驱动单元包括第一路模拟量产生电路、第二路模拟量产生电路、第三路模拟量产生电路、x轴驱动电路、y轴驱动电路和z轴驱动电路。
24.优选地，第一路模拟量产生电路、第二路模拟量产生电路、第三路模拟量产生电路分别与x轴驱动电路、y轴驱动电路和z轴驱动电路一一连接。
25.优选地，所述x轴驱动电路、y轴驱动电路和z轴驱动电路的输出端口均与所述偏振控制器连接。
26.优选地，所述fpga处理单元用于产生的数字信号，所述数字信号经过三路模拟量产生电路转化为模拟信号输出到x轴驱动电路、y轴驱动电路和z轴驱动电路。
27.优选地，所述模拟信号经过x轴驱动电路、y轴驱动电路和z轴驱动电路分别产生hv_x、hv_y、hv_z三个高压驱动信号输送到偏振控制器中。
28.优选地，任意一路所述模拟量产生电路包括数模转换器，所述数模转换器通过spi数字访问接口与所述fpga处理单元连接，通过fpga处理单元配置的寄存器，更新数模转换器的输出模拟量值。
29.优选地，任意一路轴驱动电路包括升压电路和高压放大电路，所述升压电路产生的高压电压输出给高压放大电路，所述高压放大电路通过内部增益放大、驱动高压后，输出可控制偏振控制器偏振态的高压激励信号。
30.优选地，所述升压电路电压输出由如下函数决定：
31.其中v
fb
＝1.30v。
32.本发明有益的技术效果：
33.1、本发明中alice端调整光偏振，结合量子信道与经典信道，与bob端形成闭环反馈。
34.2、利用控制单元以及偏振控制器驱动单元的配合，实现偏振态高精度、快速调控以及高精度、高效率的光偏振修正。
附图说明
35.图1为现有技术中信号光的基矢与测量基不同测量示意图；
36.图2是现有技术中信号光的基矢与测量基相同测量示意图；
37.图3是现有技术中偏振态在光纤传输过程中偏振态改变示意图；
38.图4为本发明中光偏振修正系统原理框图；
39.图5位本发明偏振光修正的算法流图；
40.图6为本发明光偏振控制器驱动硬件原理框图；
41.图7为本发明drv7200内部原理框图；
42.图8为本发明模拟量信号产生电路与轴驱动电路的输入输出波形；
43.图9为本发明高电压放大输入输出的线性度图；
44.图10为本发明rext设置与输出电流的关系图。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
46.如图1
‑
10所示，一种用于qkd的光偏振修正系统，包括alice端和bob端，其中：
47.所述alice端包括第一控制单元、第一通信单元、单光子偏振态发生器、偏振控制器驱动单元和偏振控制器；
48.所述bob端包括单光子探测器、第二控制单元、第二通信单元。
49.alice与bob间的通信连接信道包括量子信道和经典信道；
50.具体地，alice与bob的各单元之间的连接关系如下：
51.所述第一通信单元通过经典信道与所述第二通信单元连接；
52.所述第一控制单元分别与单光子偏振态发生器和偏振控制器驱动单元连接，所述单光子偏振态发生器的输出端口与偏振控制器连接，所述偏振控制器又通过量子信道与bob端的单光子探测器连接；
53.所述偏振控制器驱动单元的输出端口与偏振控制器连接；
54.所述单光子探测器与第二控制单元连接，所述第二控制单元又控制所述第二通信单元
55.在alice端，所述单光子偏振态发生器用于随机产生h、v、p、n四种偏振态，并将h、v、p、n四种偏振态发送给偏振控制器；
56.所述h、v、p、n分别表示垂直偏振态、水平偏振态、+45
°
偏振态和
‑
45
°
偏振态；
57.偏振控制器可调整hv基和pn基的偏振偏移，经过偏振控制器调整后的单光子信号通过量子信道发送给bob；
58.偏振控制器驱动单元通过改变偏振控制器的参数，调整单光子偏振。第一控制单元，负责控制单光子偏振态发生器和偏振控制器驱动单元；
59.第一通信单元通过经典信道与bob交互，并将有效反馈信息传递给alice端的第一控制单元。第一控制单元根据反馈信息调整hv基或pn基的偏振。
60.bob端单光子探测器将探测出的h、v、p、n光子计数结果，将计数结果发送给第二控制单元，第二控制单元通过第二通信单元把单光子探测器的探测结果发送给alice。
61.具体地，所述第一控制单元采用fpga处理单元，所述偏振控制驱动单元包括第一路模拟量产生电路、第二路模拟量产生电路、第三路模拟量产生电路、x轴驱动电路、y轴驱动电路和z轴驱动电路，所述第一路模拟量产生电路、第二路模拟量产生电路、第三路模拟量产生电路分别与x轴驱动电路、y轴驱动电路和z轴驱动电路一一连接。
62.模拟量产生电路根据fpga控制单元的控制信号，产生控制用模拟量，模拟量经过轴驱动电路放大为高电压模拟信号控制偏振控制器。
63.具体地，fpga处理单元产生的数字信号，经三路模拟量产生电路，转化为模拟量输出。三路模拟量经过x、y和z轴驱动电路，产生偏振控制器的高压驱动信号。任意一路所述模拟量产生电路包括数模转换器，所述数模转换器通过spi数字访问接口与所述fpga处理单元连接，通过fpga处理单元配置的寄存器，更新数模转换器的输出模拟量值。
64.具体地，模拟量产生电路选用可双极性输出的ad57x1系列数模转换器，ad57x1系列芯片具有8个软件可编程输出范围：0v至5v、0v至10v、0v至16v、0v至20v、
±
3v、
±
5v、
±
10v和
‑
2.5v至+7.5v，内置低漂移2.5v电压基准，建立时间7.5us，与处理器或fpga提供spi数字访问接口，通过该数字接口处理器或fpga可配置此dac的寄存器，可更新dac的输出模拟量值。
65.ad57x1系列芯片的输出范围
±
3v，模拟供电
±
10v，数字接口供电+3.3v。
66.偏振控制驱动单元接受fpga处理单元的控制，输出x、y、z三轴高压，hv_x、hv_y、hv_z三个电压的组合确定了通过偏振控制器的光信号的偏振态。
67.x、y和z轴驱动电路每通道可输出0v～140v，每通道驱动电流最大60ma，x轴、y轴、z轴电压放大倍数可配置。
68.由于偏振控制器需要高电压控制，需要设计一个把小信号放大到高电压信号的电路，为了精确调整偏振，该放大功能在放大区间内必须要有很好的线性度。由于输出是电压最大高达140v，传统的运放无法实现。因此在本实施例的x、y和z轴驱动电路中设置了升压电路和高压放大电路，所述升压电路产生的高压电压输出给高压放大电路，所述高压放大电路通过内部增益放大、驱动高压后，输出可控制偏振控制器偏振态的高压激励信号。
69.x、y和z轴驱动电路集成了boost升压和高电压放大芯片，高电压放大芯片drv270x系列芯片。
70.电压放大芯片内部包括升压电路和高压放大电路。两个部分可以分开独立使用，也可以结合起来应用。本实施例中将两个部分结合起来，升压电路bst产生的高压电压输出给高压放大电路pvdd引脚供电。
71.当pvdd＝80v时，out+、out
‑
之间可输出150伏vpp的电压。高电压放大器的输入信号in+、in
‑
，通过drv270x芯片内部的增益可调放大、驱动后，输出可控制偏振控制器偏振态的高压激励信号out+、out
‑
。
72.x、y和z轴驱动电路由drv系列芯片实现，x、y和z轴驱动电路中升压电路电压输出由对应函数计算得vbst＝1.3*(1+750/12.4)＝80v。
73.电路设计将pvdd与bst1、bst2短接，高电压放大芯片内部的高电压放大器供电80v，引脚out+、out
‑
可输出150vpp的高压信号。
74.x、y和z轴驱动电路支持高压调整精度计算：
75.模拟信号量vpp＝6v，28.8db的放大倍数按照30倍电压放大估算，16位dac:
76.(6vpp*30)/65536＝0.0027v＝2.7mv。
77.所以，本发明偏振控制器驱动电路的高电压输出，调整的电压精度可达到3mv，精度较高，输入输出的放大线性度好，利于算法快速调整，偏振修正快。
78.具体地，采用本实施例系统进行光偏正修正方法包括以下步骤：
79.步骤1：alice端的第一控制单元通过第一通信单元将偏振修正命令通过经典信道发送给bob端的第二通信单元；
80.步骤2：bob端的第二控制单元接收到第二通信单元偏振修正命令后，第二控制单元控制单光子探测器开始探测单光子；
81.步骤3：alice端先进行hv基偏振修正：
82.alice的第一控制单元1控制单光子偏振态发生器连续发送h光子；
83.步骤4：bob端的单光子探测器接收并探测光子计算接收到的光子数得到计数值，bob端的第二控制单元将单光子探测器探测到的h光子、v光子数量的计数值通过第二通信单元以及经典信道反馈给alice；
84.步骤5：alice第一控制单元判断h光子数量的绝对值以及h光子与v光子数量的比值h/v是否最优，判断最优的标准是h光子计数值大于v光子计数值6个数量级以上，即h光子计数值远大于v光子计数值，例如h光子绝对计数值是几十万，v光子计数值只是几百，甚至接近于零的情况。
85.判断结果如果不是最优，第一控制单元通过改变偏振驱动控制单元输出到偏振控制器的x轴、y轴、z轴三轴控制模拟电压值，调整hv基偏振偏移，然后再次控制单光子偏振态发生器连续发送h光子，bob的第二控制单元#2将单光子探测器探测到的h光子、v光子的光子数量计数值通过第二通信单元反馈给alice端，alice端第一控制单元再次判断h光子数量计数值的绝对值和h光子与v光子数量的比值h/v(h光子数量除以v光子数量)是否最优，再次通过偏振控制器驱动单元调整hv基的偏振偏移，如此反复，直到最优；
86.步骤6：达到最优后，alice端第一控制单元控制单光子偏振态发生器发送v光子验证修正hv偏振基后的量子信道；
87.步骤7：bob端的第二控制单元将单光子探测器探测到的h光子、v光子数量的计数值通过第二通信单元发送到经典信道反馈给alice，alice的第一控制单元判断v光子计算值的绝对值和v与h光子数量的比值v/h是否最优，同理，判断最优的标准是v光子计数值远大于h光子计数值6个数量级以上，即v光子计数值远大于h光子计数值，例如v光子绝对计数值是几十万，h光子计数值只是几百，甚至接近于零(理论上应该与单发送h光子时，h光子的绝对值和h与v的相对比值，结果接近)：
88.如果不是最优，再重新调整hv基偏振偏移，进行修正；
89.如果是最优，则hv基偏振修正完成，开始pn基偏振修正；
90.步骤8：pn基偏振修正流程与hv基类似，只是偏振修正调整时，发送的是p光子，调整完成后，验证pn基发送的是n光子。
91.具体地，调整基偏振修正的步骤如下：
92.步骤a：进入光偏振修正处理流程，第二控制单元判断接收的h光子、v光子或p光子的计数值的绝对值和h/v、v/h或p/n光子数的比值是否大于设定的粗调范围内的计数绝对值以及光子数比值的阈值；
93.其中粗调调节步长较大，其中粗调调节步长为1.5
‑
3.5v；本实施例中粗调步长选择2v，粗调的目的是先找到调节目标的大致范围，再细调(细调以较小步长扫描，如0.1v步长)，从而减少调节总时间。粗调阈值范围光子计数绝对值大于20000，粗调光子数比值为60～80，如果满足粗调阈值，就进入细调流程；
94.步骤b：如果不满足粗调阈值，则通过所述第一控
95.制单元通过偏振驱动控制单元输出到偏振控制器的控制x轴、y轴、z轴三轴控制模拟电压值为初始值，然后进入粗调流程；
96.步骤c：判断h/v或p/n光子数比值是否达到粗调绝对计数值门限和对比度阈值，若没有达到，则继续进入粗调流程；
97.步骤d：若达到粗调门限后，进入细调流程，判断h/v或p/n是否达到细调绝对计数值门限和对比度阈值，细调绝对计数值门限为30万～50万，细调光子数比值为阈值1000～3000，若没有达到，继续进入细调流程；
98.步骤e：达到细调计数值门限和光子数比值阈值后，完成调节。
99.则通过所述第一控制单元通过偏振驱动控制单元输出到偏振控制器的控制x轴、y轴、z轴三轴控制模拟电压值为初始值：
100.(1)确定x、y和z三个轴电压的初始值；
101.其中确定初始值的具体操作为：系统在第一次进行偏振修正的时候对三个电压值进行一次遍历操作，每个轴以10v为步长，从20v到100v进行一次遍历扫描，记录下三轴各轴计数最小位置时的电压值，将得到的三个初始值作为后续粗调时的初始值使用。
102.(2)对x、y和z三个轴电压的初始值进行粗调：以步长为2v调节偏振，将三个轴的电压值调节到一个计数值对比度达到粗调门限，为后续的精确调节做好准备。
103.(3)对x、y和z三个轴电压的初始值进行细调：步长为0.1v，根据计数绝对值的大小和光子数比值的综合结果来反馈控制电压的变化方向。直到综合结果在经验值范围内出现由小变大，又由大变小，找出第一峰值#1。在第一峰值#1附近按照0.01v扫描，找出第二峰值#2，将第二峰值#2时的三个轴的控制电压值保存下来，固化为系统偏振修正参数，完成光偏振的调整。
104.步骤1：alice第一控制单元通过通信单元#1将偏振修正命令通过经典信道发送给bob第二通信单元#2；
105.步骤2：bob第二控制单元接收到第二通信单元偏振修正命令后，bob第二控制单元#2控制单光子探测器开始探测单光子；
106.步骤3：alice端先进行hv基偏振修正：alice第一控制单元控制单光子偏振态发生器连续发送h光子；
107.步骤4：bob端单光子探测器探测光子，bob第二控制单元将单光子探测器探测到的h光子、v光子计数值通过第二通信单元通过经典信道反馈给alice；
108.步骤5：alice第一控制单元判断h光子的绝对值和h与v的相对比值是否最优，最优的标准是h光子计数值远大于v光子计数值，例如h光子绝对计数值是几十万，v光子计数值只是几百，甚至接近于零。
109.如果不是，第一控制单元通过改变偏振驱动控制单元输出到偏振控制器的x轴、y轴、z轴三轴控制模拟电压值，调整hv基偏振偏移，然后再次控制单光子偏振态发生器连续
发送h光子，bob第二控制单元#2将单光子探测器探测到的h光子、v光子计数值通过第二通信单元反馈给alice，alice第一控制单元再次判断h光子的绝对值和h与v的相对比值是否最优，再次通过偏振控制器驱动单元调整hv基的偏振偏移，如此反复，直到最优；
110.步骤6：达到最优后，alice第一控制单元#1控制单光子偏振态发生器发送v光子验证修正hv偏振基后的量子信道；
111.步骤7：bob第二控制单元将单光子探测器探测到的h光子、v光子计数值通过第二通信单元发送到经典信道反馈给alice，alice第一控制单元#1判断v光子的绝对值和v与h的相对比值是否合理，即v光子计数值远大于h光子计数值，例如v光子绝对计数值是几十万，h光子计数值只是几百，甚至接近于零。(理论上应该与单发送h光子时，h光子的绝对值和h与v的相对比值，结果接近)：
112.如果不符合，再重新调整hv基偏振偏移，进行修正；
113.如果符合，则hv基偏振修正完成，开始pn基偏振修正；
114.步骤8：pn基偏振修正流程与hv基类似，只是偏振修正调整时，发送的是p光子，调整完成后，验证pn基发送的是n光子。
115.一种用于量子密钥分发系统的光偏振修正方法，应用于上述步骤3到步骤5，所述光偏振修正算法的步骤如下：
116.步骤a：进入光偏振修正处理流程，判断计数绝对值和h/v或p/n计数比值(对比度)是否大于粗调阈值，粗调阈值的含义是指粗调(粗调调节步长较大，如2v步长)时的判断阈值，粗调的目的是先找到调节目标的大致范围，再细调(细调以较小步长扫描，如0.1v步长)，从而减少调节总时间。粗调阈值范围计数绝对值大于2万，对比度达到60～80，如果满足粗调阈值，就进入细调流程；
117.步骤b：如果不满足粗调阈值，先将三个轴的电压置初值，然后进入粗调流程；
118.步骤c：判断h/v或p/n是否达到粗调绝对计数值门限和对比度阈值，没有达到，继续进入粗调流程；
119.步骤d：达到粗调门限后，进入细调流程，判断h/v或p/n是否达到细调绝对计数值门限和对比度阈值，细调绝对计数值门限30万～50万，对比度阈值1000～3000，没有达到，继续进入细调流程；
120.步骤e：达到细调计数值门限和对比度阈值后，完成调节。
121.偏正算法的实现：
122.(1)确定三个轴电压的初始值。系统在第一次进行偏振修正的时候对三个电压值进行一次遍历操作，每个轴以10v为步长，从20v到100v进行一次遍历扫描，记录下三轴各轴计数最小位置时的电压值，将得到的三个初始值作为后续粗调时的初始值使用。
123.(2)粗调：粗调的主要目的是在光偏振修正的时候，将三个轴的电压值调节到一个计数值对比度达到粗调门限，为后续的精确调节做好准备。步长为2v调节偏振，统计绝对计数值与相对计数值对比度的综合结果。
124.(3)细调：步长为0.1v，根据绝对计数值的大小和相对计数值对比度的综合结果来反馈控制电压的变化方向。直到综合结果在经验值范围内出现由小变大，又由大变小，找出峰值#1。在峰值#1附近按照0.01v扫描，找出峰值#2，将峰值#2时的三个轴的控制电压值保存下来，固化为系统偏振修正参数，完成光偏振的调整。
125.本发明固定bob接收端的hv测量基和pn测量基，系统偏振修正时，通过调整alice发送端单光子h、v基矢的偏振角度和单光子p、n基矢的偏振角度，进行偏振修正，补偿由于光纤传输路径偏振模色散引起的到达bob端的偏振态偏离。光偏振修正一般在系统初始安装时进行，校准后将参数固化，qkd再次启动，初始化时调用固化好的参数。另外当系统探测率不高、成码率低时，也要考虑是否重新进行光偏振修正。
126.本发明结合量子信道传输单光子信号和经典信道alice与bob协议交互，实现光偏振修正系统的闭环控制。该系统可软件触发，自动进行，无须人工干预。同等条件下，经过光偏振修正的qkd系统与没有修正过的比，成码性能好50％以上。
127.根据上述说明书的揭示和教导，本发明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，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明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，并不对发明构成任何限制。