环17由50/50保偏光纤耦合器的尾纤绕制而成，可避免引入外接跳线而引起的插入损耗。光纤固定夹具16可将光纤圆环17固定于可动滑块11与与第二固定块12之间，当可动滑块滑动时，通过改变光纤的弯曲度来改变光纤中光场强度的衰减。小体积直线步进电机9(20CmX20CmX28Cm)安装于第一固定块10之上，电机采用两相四线接法，上电后可带动螺杆15转动，从而带动可动滑块11沿滑杆14滑动，步进精度3微米。为了确保光纤衰减器具有良好的稳定性，可动滑块11与滑杆14需严密结合，光纤圆环通过光纤固定夹具16牢固地固定在可动滑块11与第二固定块12之间。电机驱动器可驱动直线步进电机工作，大大简化了电机的控制方式。为了避免直线步进电机过热而导致机械装置发生明显的热胀冷缩现象，直线步进电机和电机驱动器应具有较低的功耗。
[0025]电机驱动器的使用大大简化了直线步进电机的控制方式，实验中所选的驱动器需具有低振动，小噪声，高速度的特点，可实现正反转控制，可接12-32V直流电压。驱动器具有内置的六个拨码开关和四个接线端。通过三位拨码开关SW1，Sff2, SW3选择23= 8档细分控制（I、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128)。实验中为了获得足够的单步步进精度，选取最小步长1/128。通过三位拨码开关SW4，Sff5, SW6可选择23= 8档电流控制（O. 2A、
O.4A、0. 6A、0. 8A、I. 05A、I. 3A、I. 55A、I. 8A)。因为弯曲光纤所用力度较小，实验中选取最低驱动电流O. 2A，同样为了降低电机的功耗，接入了 12V直流电源。在该驱动功率和室温25°C的环境下，直线步进电机的工作温度低于35度。驱动器的四个接线端分别是单步脉冲输入端PUL(脉冲上升沿有效)，步进方向输入端DIR(高低电平代表不同的步进方向)，驱动器使能端ENA和逻辑电平的公共接线端COM。上述四个控制接口与数据采集卡的I/O接口相连，通过采用安装在计算机中的LabView软件进行控制。
[0026]在调节探测器两臂的平衡度时，为避免信号态光场对探测器当前的平衡度产生影响，应当使信号输入端的光场为真空态。实验中为了获取探测器输出电脉冲的峰值，我们设计制作了脉冲采集电路与时钟恢复电路4，其结构如图3所示，空心箭头表示使用90/10保偏光纤耦合器提取的小部分本地光场，经宽带探测器18后，可输出与光脉冲形状一致的高斯电脉冲，该电脉冲经高速比较器19后可输出矩形脉冲，然后再经过脉宽调制芯片20与时钟延时芯片21后输出可精确延时的时钟信号。22为稳压源，与电位器23组合后可向高速比较器提供可调比较电压。模数转换电路24的具体实现形式为数据采集卡。
[0027]图4所示是自动平衡后探测器输出的散粒噪声图与精确延时的时钟信号图，将这两路信号分别输入数据采集卡的模拟输入端口和外接时钟输入端口，可对探测器输出的电脉冲峰值进行精确的采集。这里我们采用了直接脉冲峰值的采集方法，这种峰值采集方法要求时钟具有较快的上升沿和精确的延时精度，探测器输出的电脉冲具有较为平坦的峰值，脉冲的上升沿与峰值的时间坐标需精确对齐或存在一个固定的时间差；数据采集卡的模拟输入通道配置专有的模数转换芯片，避免多路复用等情况。
[0028]实施过程中我们具体采用计算机来实现控制器的功能，数据采集卡将所采集的电压值传输给计算机，经过反馈算法计算出步进电机所需移动的方向和步长，并通过反馈信号输出电路6输出至步进电机的驱动器，驱动直线步进电机工作。反馈信号电路6采用具有数字I/O 口的多功能数据采集卡实现。具体的反馈算法如图5所示，计算机采用数字滤波的方法滤除探测结果中含有的散粒噪声，并计算出所测电信号的平均值，平均值与平衡度的换算公式见式（I )。计算机首先判断当前的平衡度是否超出阈值，如果没有超出阈值，输出的反馈信号为零移动，如果超出阈值则根据超出的程度，即平衡度的大小选择相应的移动步长，根据平衡度的正负选择移动方向；然后计算机将步长值转换为反馈信号（数字信号)并通过数据采集卡的数字I/O 口输出至步进电机驱动器，驱动步进电机实现时域平衡零拍探测器两臂精确快速平衡。
[0029]当前探测器的增益为3. 2 X 10 6V/光子，本地光场的光子数为107，当平衡度为万分之一时，探测器输出散粒噪声的平均值所允许的误差为3. 2毫伏，计算公式如式（I )所示：
[0030]Nlo · B · G = A
[0031]( I )
[0032]IO7XlO 4X3· 2X10 6= 3· 2X10 3(V)
[0033]式中Nu3为本地光场的光子数，B为平衡度，G为探测器的增益，A为平均值。图6给出了在反馈电路运转后探测器从几种不平衡状态转向平衡状态的过程，所需时间约为十几秒。从图中可以看出，探测器锁定后平均值达到的精度约为几毫伏，显然当前可变光纤衰减器可使时域脉冲平衡零拍探测器的平衡度达到万分之一左右。
【主权项】
1.一种可实现时域脉冲平衡零拍探测器自动平衡的控制装置，其特征在于，包括50/50保偏光纤耦合器(I)，电动可变光纤衰减器(2)，时域脉冲平衡零拍探测器(3)，脉冲采集电路与时钟恢复电路(4)，控制器(5)，反馈信号输出电路(6)，90/10保偏光纤耦合器(7);外部输入的信号光场和本地光场经50/50保偏光纤親合器(I)親合后输出至时域脉冲平衡零拍探测器(3)，电动可变光纤衰减器(2)使时域脉冲平衡零拍探测器(3)两臂达到平衡；90/10保偏光纤親合器(7)从本地光场中提取小部分光信号，并将其输入至脉冲米集电路与时钟恢复电路⑷；脉冲采集电路与时钟恢复电路(4)将采集的电信号输出至控制器(5)，并由控制器(5)运行反馈算法，计算出施加于电动可变光纤衰减器(2)的反馈信号；反馈信号通过反馈信号输出电路(6)施加在电动可变光纤衰减器(2)上，实现时域脉冲平衡零拍探测器(3)的自动平衡。2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述的电动可变光纤衰减器(2)，包括电机驱动器(8)，直线步进电机(9)，第一固定块(10)，可动滑块(11)，第二固定块(12)，底座(13)，滑杆(14)，螺杆(15)，一对光纤固定夹具(16)和光纤圆环(17);直线步进电机(9)可实现正反转控制；电机驱动器(8)驱动直线步进电机(9)、螺杆(15)转动，使可动滑块(11)进退，改变光纤圆环(17)的曲率半径。3.如权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述的光纤圆环(17)由50/50保偏光纤耦合器(I)的尾纤绕制而成。4.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述的脉冲采集电路与时钟恢复电路(4)，包括宽带探测器(18)，高速比较器(19)，脉宽调制芯片(20)，时钟延时芯片(21)，稳压源(22)，电位器(23)，模数转换电路(24);宽带探测器(18)使光脉冲转换为电脉冲，该电脉冲经高速比较器(19)后输出矩形脉冲，然后再经过脉宽调制芯片(20)与时钟延时芯片(21)后输出可调脉宽、可精确延时的时钟信号，该时钟信号作为模数转换电路(24)的触发信号，使其能够精确采集光场的正交分量值；稳压源(22)与电位器(23)组合后向高速比较器(19)提供可调比较电压。5.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述的反馈算法，采用数字滤波的方法滤除探测结果中含有的散粒噪声，并计算出时域脉冲平衡零拍探测器(3)的平衡度，根据平衡度采用可变步长，然后将步长值转换为电机驱动器(8)可识别的反馈信号。6.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述的90/10保偏光纤耦合器(7)，可用其它耦合比例的保偏光纤耦合器替代。
【专利摘要】本发明提供了一种可实现时域脉冲平衡零拍探测器自动平衡的控制装置，包括50/50保偏光纤耦合器(1)，电动可变光纤衰减器(2)，时域脉冲平衡零拍探测器(3)，脉冲采集电路与时钟恢复电路(4)，控制器(5)，反馈信号输出电路(6)，90/10保偏光纤耦合器(7)。该控制装置采用精密直线步进电机控制可变光纤衰减器，结合反馈控制电路和算法，能够实现时域脉冲平衡零拍探测器两臂自动精确快速平衡，无需人工干扰，可避免由于两臂不平衡而导致的散粒噪声基准失真以及额外噪声的增加，可以很好的集成在连续变量量子密钥分发系统中，确保系统长时间稳定运行。
【IPC分类】H04B10/70, H04L9/08
【公开号】CN105071867
【申请号】CN201510411759
【发明人】王旭阳, 李永民, 刘建强
【申请人】山西大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月14日