量子通信光电芯片化技术研发平台的制作方法

本实用新型涉及量子密钥分发(quantumkeydistribution，qkd)技术领域，更为具体的说，涉及一种量子通信光电芯片化技术研发平台。

背景技术：

当前qkd系统基本是采用传统光电技术和以太网络来完成基于bb84协议的光量子发送、探测、收发双方数据交互以及数据处理等过程，用以提炼安全的量子密钥。qkd系统由光信号发送设备和光信号探测设备构成，中间采用光纤连接形成光量子信道，通过经典信道(如以太网)来实现数据交互。qkd系统在信号形式上包括光、电信号调理，在功能上分光源、探测和数据处理及信息交互。

根据功能区分，目前qkd系统形成了以光源子系统、接收子系统、数据处理与控制这三部分模块化的系统构成，如图1所示，图1为qkd系统的结构示意图，具有光信号发送设备11和光信号探测设备12。光信号发送设备11具有光源子系统112(包括光源)和数据处理与控制子系统111，数据处理与控制子系统111控制光源子系统112向光信号探测设备12发送经过编码后的光信号。光信号探测设备12具有接收子系统121(包括探测器)和数据处理与控制子系统122，数据处理与控制子系统122控制接收子系统121对所述光信号进行解码和探测，以提炼安全的量子密钥。

由于qkd是新兴信息技术领域，传统光电技术没有专门用于qkd系统的光电芯片，除了少量光学器件有少量定制产品外，现有qkd系统中，在光源子系统与接收子系统方面，都是采用大量商民用通用芯片搭建而成，导致系统体积大，成本高，且功耗大，不便于qkd系统的实际应用推广。故定制设计面向量子通信专用光电芯片是量子通信技术领域的重要研发方向。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供了一种量子通信光电芯片化技术研发平台，方案如下：

一种量子通信光电芯片化技术研发平台，用于qkd系统中光电芯片的功能开发、测试及应用测试，所述qkd系统具有两个进行量子通信的光量子通信设备，该两个光量子通信设备分别作为光信号发送设备和光信号探测设备，所述光电芯片用于对所述光量子通信设备进行数据处理与控制，所述研发平台包括：

qkd数据处理与控制子平台以及光电前端子平台；

所述qkd数据处理与控制子平台用于安装所述光电芯片，且具有第一组接口以及第二组接口，所述第一组接口用于连接上位机；

所述光电前端子平台通过所述第二组接口与所述qkd数据处理与控制子平台连接，且用于连接所述qkd系统的光电元件，所述光电元件为所述光信号发送设备的光源或所述光信号探测设备的探测器。

优选的，在上述研发平台中，还包括：用于安装所述光电元件的光电元件子平台，所述光电前端子平台通过所述光电元件子平台与所述光电元件连接。

优选的，在上述研发平台中，所述光电元件子平台具有用于通过单独的低速总线与所述上位机进行数据交互的子接口。

优选的，在上述研发平台中，所述研发平台包括第一平台和/或第二平台；所述第一平台与所述第二平台均包括所述qkd数据处理与控制子平台、所述光电前端子平台以及所述光电元件子平台；

所述第一平台中，所述qkd数据处理与控制子平台用于安装所述光信号发送设备的光电芯片，所述光电元件子平台用于安装所述光源，所述光电前端子平台通过所述光电元件子平台与所述光源连接；

所述第二平台中，所述qkd数据处理与控制子平台用于安装所述光信号探测设备的光电芯片，所述光电元件子平台用于安装所述探测器，所述光电前端子平台通过所述光电元件子平台与所述探测器连接。

优选的，在上述研发平台中，所述第一平台中，所述光电元件子平台包括用于安装所述光源的光源子平台；所述光电前端子平台包括光源接口板，所述光源接口板通过所述光源子平台连接所述光源；所述qkd数据处理与控制子平台包括第一电路板；所述第一电路板包括：一组独立的所述第一组接口，以连接所述上位机，以及一组独立的所述第二组接口，以连接所述光源接口板；

所述第二平台中，所述光电元件子平台包括用于安装所述探测器的探测器子平台；所述光电前端子平台包括探测器接口板，所述探测器接口板通过所述探测器子平台连接所述探测器；所述qkd数据处理与控制子平台包括第二电路板；所述第二电路板包括：一组独立的所述第一组接口，以连接所述上位机，以及一组独立的所述第二组接口，以连接所述探测器接口板；

其中，所述光源子平台与所述探测器子平台具有对应同一量子信道的匹配接口。

优选的，在上述研发平台中，所述第一平台中的所述第一电路板与所述第二平台中的所述第二电路板具有对应同一经典信道的匹配接口。

优选的，在上述研发平台中，所述光源接口板以及所述探测器接口板均可拆卸的安装在所述研发平台上；

基于所述qkd系统的工作频率，选择安装与所述工作频率对应的所述光源接口板以及所述探测器接口板。

优选的，在上述研发平台中，所述第一电路板以及所述第二电路板均具有所述第一组接口以及所述第二组接口；

所述第一组接口包括：用于和所述上位机进行网络连接的网络接口以及用于通过单独的低速总线与所述上位机进行数据交互的子接口；

所述第二组接口包括：用于通过单独的所述低速总线与所述光电前端子平台进行数据交互的子接口以及用于通过单独的高速总线与所述光电前端子平台进行数据交互的子接口。

优选的，在上述研发平台中，所述第一平台与所述第二平台分别连接不同的所述上位机，或是，所述第一平台与所述第二平台连接同一所述上位机。

优选的，在上述研发平台中，所述光电前端子平台具有第三组接口，通过所述第三组接口与所述光电元件连接；

所述第三组接口包括：用于通过单独的低速总线与所述光电元件连接的子接口以及用于通过单独的高速总线与所述光电元件连接的子接口。

通过上述描述可知，本实用新型技术方案提供的量子通信光电芯片化技术研发平台包括：qkd数据处理与控制子平台以及光电前端子平台；所述qkd数据处理与控制子平台用于安装所述光电芯片，且具有第一组接口以及第二组接口，所述第一组接口用于连接上位机；所述光电前端子平台通过所述第二组接口与所述qkd数据处理与控制子平台连接，且用于连接所述qkd系统的光电元件，所述光电元件为所述光信号发送设备的光源或所述光信号探测设备的探测器。所述研发平台可以使得上位机与qkd系统进行数据交互，适用于将qkd系统的数据处理与控制功能融合为一体的光电芯片的功能级开发和验证。所述光电芯片可以为片上系统(soc)芯片前端。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为qkd系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种量子通信光电芯片化技术研发平台；

图3为本实用新型实施例提供的另一种量子通信光电芯片化技术研发平台；

图4为本实用新型实施例提供的又一种量子通信光电芯片化技术研发平台。

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。

不同于其他成熟信息技术(如通信与网络等)，qkd存在着国内外技术标准与测评规范缺失、技术参数与指标不健全的状况，因此起步阶段芯片研发缺乏技术参考，在此情况下进行qkd系统的专用集成电路或光电芯片的设计，使其在qkd系统的设备中功能正确，一种可行的解决方法是利用既有的设施来构建一个完整的、能实现qkd功能的、具有一定手段能配置技术参数的、能模拟真实qkd网络运行环境的技术平台，将所研发芯片或功能模块器件置入平台替换掉既有功能部分，然后通过平台运行状况来检验所研制芯片部分功能是否正确。这种研发平台方法或技术在其他信息领域芯片化过程中早就证实了其有效性，甚至是不可或缺的。

基于此，本实用新型实施例提供了一种量子通信光电芯片化技术研发平台，对qkd系统中光电芯片进行功能验证，包括必要的硬件设施，可以通过上位机进行软件配置。该技术研发平台可以使得qkd系统中的光电芯片以及光电元件与上位机进行数据交互，具体的，使得上位机通过qkd数据处理与控制子平台与所述光电芯片进行数据交互，且可以使得所述上位机通过所述光电前端子平台与所述光电元件进行数据交互，以实现通过所述上位机对光电芯片进行调试，包括功能开发、测试及应用测试等。

该研发平台适用于qkd设备集成芯片化过程中各研发芯片的功能验证，所述功能验证至少包括：基于bb84协议的qkd密钥提炼过程中单个算法数据处理rtl代码、qkd系统中激光器驱动、单光子探测器输出脉冲时间到达的测量、光学集成功能等的验证。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

参考图2，图2为本实用新型实施例提供的一种量子通信光电芯片化技术研发平台，所述研发平台用于qkd系统中光电芯片的功能开发、测试及应用测试，所述qkd系统具有两个进行量子通信的光量子通信设备，该两个光量子通信设备分别作为光信号发送设备和光信号探测设备，所述光电芯片用于对所述光量子通信设备进行数据处理与控制。所述光电芯片可以为soc构架芯片，基于预设量子通信协议，如bb84协议，以实现两个光量子通信设备进行qkd通信。故该光电芯片是基于qkd通信系统以及通信协议可以布局构建的，不同需求芯片构架不同，本实用新型实施例对其具体构架不做限定，而是旨在提供一种可以适用于qkd系统中各种光电芯片的研发平台，用于qkd系统中光电芯片的研发调试，包括功能开发、测试及应用测试。

如图2所示，所述研发平台包括：qkd数据处理与控制子平台10以及光电前端子平台20；所述qkd数据处理与控制子平台10用于安装所述光电芯片，且所述qkd数据处理与控制子平台10具有第一组接口以及第二组接口，所述第一组接口用于连接上位机。

所述光电前端子平台20通过所述第二组接口与所述qkd数据处理与控制子平台10连接，且用于连接所述qkd系统的光电元件，所述光电元件为所述光信号发送设备的光源或所述光信号探测设备的探测器。

所述研发平台为可拆卸的模块化结构。各个子平台可拆卸连接，任何一个子平台可以移走或是重新接入。qkd数据处理与控制子平台10以及光电前端子平台20为硬件结构，通过该研发平台可以使得光电芯片与上位机以及qkd系统的光电元件实现通信连接，在qkd通信过程中，上位机通过该研发平台对所述光电芯片进行调试，以及对qkd系统中光电元件进行管理。

所述研发平台可以用于qkd通信的仿真模拟。所述上位机通过所述研发平台与qkd系统的光电芯片以及光电元件建立通信连接后，可以能够模仿qkd系统的实际运行，使得电源配置更为便捷，实现qkd通信的仿真模拟。

所述研发平台可以使得qkd通信具有可观测性。所述上位机通过所述研发平台与qkd系统的光电芯片以及光电元件建立通信连接后，形成qkd仿真模拟系统，可以通过所述上位机读出并展示仿真系统运行中需求的数据。

所述上位机用于通过所述qkd数据处理与控制子平台10与所述光电芯片进行数据交互，通过所述光电前端子平台20与所述光电元件进行数据交互，以执行预设功能。

参考图3，图3为本实用新型实施例提供的另一种量子通信光电芯片化技术研发平台，在于图2所示方式基础上，图3所示研发平台还包括：用于安装所述光电元件的光电元件子平台30，所述光电前端子平台20通过所述光电元件子平台30与所述光电元件连接。

本实用新型实施例所述研发平台中，所述光电元件子平台30具有用于通过单独的低速总线与所述上位机进行数据交互的子接口。这样，当通过所述研发平台对所述光电芯片进行调试时，所述上位机可以直接通过低速总线与所述光电元件子平台30上安装的光电元件进行通信，以执行预设功能，包括对所述光电元件进行人工参数调试。

参考图4，图4为本实用新型实施例提供的又一种量子通信光电芯片化技术研发平台，图4所示方式中，所述研发平台包括第一平台100和/或第二平台200；所述第一平台100与所述第二平台200均包括所述qkd数据处理与控制子平台10、所述光电前端子平台20以及所述光电元件子平台30。

图4以所述研发平台同时包括所述第一平台100以及所述第二平台200为例进行图示，其他实施例中，也可以设置所述研发平台仅具有所述第一平台100或是仅具有所述第二平台200。单独通过所述第一平台100可以对所述光信号发送设备的光电芯片进行调试。单独通过所述第二平台200可以对所述光信号探测设备的光电芯片进行调试。通过所述第一平台100以及所述第二平台200可以同时对光信号发送设备和光信号探测设备的光电芯片进行调试。

所述第一平台100中，所述qkd数据处理与控制子平台10用于安装所述光信号发送设备的光电芯片，所述光电元件子平台30用于安装所述光源，所述光电前端子平台20通过所述光电元件子平台30与所述光源连接。

所述第二平台200中，所述qkd数据处理与控制子平台10用于安装所述光信号探测设备的光电芯片，所述光电元件子平台30用于安装所述探测器，所述光电前端子平台20通过所述光电元件子平台30与所述探测器连接。

如图4所示，所述第一平台100中，所述光电元件子平台包括用于安装所述光源的光源子平台301。所述光电前端子平台包括光源接口板201，光源接口板201通过所述光源子平台301连接所述光源。所述qkd数据处理与控制子平台包括第一电路板101。所述第一电路板101包括：一组独立的所述第一组接口，以连接上位机01；以及一组独立的所述第二组接口，以连接所述光源接口板201。

所述第二平台200中，所述光电元件子平台包括用于安装所述探测器的探测器子平台302。所述光电前端子平台包括探测器接口板202，探测器接口板202通过所述探测器子平台302连接所述探测器。所述qkd数据处理与控制子平台包括第二电路板102。所述第二电路板102包括：一组独立的所述第一组接口，以连接上位机02；以及一组独立的所述第二组接口，以连接所述探测器接口板202。

其中，所述光源子平台301与所述探测器子平台302具有对应同一量子信道的匹配接口。所述第一平台100中的所述第一电路板101与所述第二平台200中的所述第二电路板102具有对应同一经典信道的匹配接口。第一电路板101和第二电路板102可以为s2c子板，即具有s2c接口的电路板。

在图4所示方式中，所述第一平台100与所述第二平台200分别连接不同的所述上位机01和02，其他方式中，所述第一平台100与所述第二平台200也可以连接同一所述上位机。

所述研发平台中，各个子平台可拆卸的组装为所述研发平台，以实现上述模块化结构，便于仿真模拟系统的拆卸组装使用，而且也便于不同qkd系统中子平台的更换，可以适用于不同工作频率的qkd系统。

所述光源接口板201以及所述探测器接口板202均可拆卸的安装在所述研发平台上；基于所述qkd系统的工作频率，选择安装与所述工作频率对应的所述光源接口板201以及所述探测器接口板202。

如图4所示，所述第一电路板101以及所述第二电路板102均具有所述第一组接口以及所述第二组接口；所述第一组接口包括：用于和所述上位机进行网络连接的网络接口以及用于通过单独的低速总线与所述上位机进行数据交互的子接口；所述第二组接口包括：用于通过单独的所述低速总线与所述光电前端子平台20进行数据交互的子接口以及用于通过单独的高速总线与所述光电前端子平台20进行数据交互的子接口。

所述光电前端子平台20具有第三组接口，通过所述第三组接口与所述光电元件连接；所述第三组接口包括：用于通过单独的低速总线与所述光电元件连接的子接口以及用于通过单独的高速总线与所述光电元件连接的子接口。如图4所示，所述第一平台100中，光源接口板201分别通过高速总线和低速总线与光源子平台301连接，以实现与所述光源的连接，所述第二平台200中，探测器接口板202分别通过高速总线和低速总线与探测器子平台302连接，以实现与所述探测器的连接。

下面以通过两个平台同时对光信号发送设备和光信号探测设备的光电芯片进行调试为例说明。

第一平台100和第二平台200各自安装对应光电芯片以及光源和探测器后，与上位机连接，组成qkd系统的仿真模型(或称仿真模拟系统)，该仿真模型可以分为三层，上位机单独为一层，作为调试层，qkd数据处理与控制子平台10单独为一层，作为数据处理与控制层，光电前端子平台20与光电元件子平台30同属于一层，作为光电前端层。所述研发平台可以通过qkd对外接口与上位机连接，用于对qkd系统中光电芯片研发调试。

调试层为顶层结构，主要由上位机(包括pc及其操作系统)、密钥管理接口测试软件、维护接口测试软件、光源与探测器模型、以及其他一些调试软件构成，是仿真模拟系统的控制端。

数据处理与控制层为中间层结构，安装光电芯片后，是qkd数据处理与控制的主要功能的部分，可以作为qkd数据处理与控制soc构架芯片研发时的仿真部件。光电芯片为具有很大逻辑资源的fpga(现场可编程门阵列)的定制pcb子板，由s2c定制设计，通过设计连接子卡连接到s2c子板，所有soc功能需求和对外接口都在数据处理与控制层实现。

光电前端层为底层结构，相对于前两层结构，光电前端层是物理支持层，其构成包括已有qkd设备形态的光源与探测器，或由发光板卡、探测器板卡、制冷设备和电源组成，基于既有光源与探测器设计接口板。

本实用新型实施例所述研发平台，硬件上能够满足qkd系统的所有硬件功能支持，在软件上，通过所述上位机，一方面可以实现外部接口输入数据的模拟，另一方面，能够对qkd系统输出数据进行及时响应。

所述调试层至少用于执行如下功能之一：

实现与所述光电芯片的硬件通信连接，包括网络和串口两种方式；

或，基于所述qkd系统的应用接口协议，为所述光电芯片进行标准命令输入，以执行系统启停、接口认证以及初始密钥下发控制；

或，为所述光电芯片进行升级维护数据的输入，以对所述光电芯片进行软件的升级维护；

或，对所述光电元件进行调试命令的输入；

或，获取所述光电芯片的状态参数，并生成所述状态参数的报告信息；

或，控制所述光电芯片与所述光电元件进行通信连接，包括对总线连接的控制以及串口连接的控制两种方式；

或，通过芯片引导程序，对所述光电芯片进行上电自启动控制。

下面对所述仿真模拟系统中，三层结构的主要功能进行说明：

调试层可以通过低速总线(包括低速串口)和网络通道实现与数据处理与控制层、光源和探测器的通信，其中，通过低速串口主要是与逻辑模块实现通信，通过网络通道主要是与运行其中的软件模块进行通信。调试层的主要实现主体是模拟器以及其他调试软件，主要功能是实现密钥管理、调试接口、芯片维护接口的数据输入模拟、输出数据的响应和报告。

数据处理与控制层除了与调试层通信外，还可以通过低速总线和高速总线分别与光源和探测器通过特定的接口板实现通信连接，以分别模拟光信号发送设备和光信号探测设备。模拟的光信号发送设备和光信号探测设备还可以通过硬件化的网络模块实现通信。

数据处理与控制层中，s2c子板是电路硬件模块，其安装的光电芯片包括一颗大容量fpga、几颗ddr3存储器和电源等。将cpu子系统和qkd数据处理逻辑代码等集成一体烧录入fpga中，在cpu上运行软件，在fpga上设计运行数字逻辑。调试层和数据处理与控制层的通信交互以及qkd的流程控制由软件部分控制管理，qkd数据处理以及芯片的对外接口实现都由数字部分设计实现。如上述，所述研发平台可以用于光电芯片的功能开发、测试及应用测试，具体的，可以通过上位机在cpu写入运行软件，实现功能的开发、测试以及应用测试。

光电前端层作用是支撑系统功能的实现，对光学模块支持，包括用于连接光源和探测器的两前端。数据处理与控制层与探测器和光源之间，由于接口差异，输入输出的需求不匹配，本实用新型实施例设计了可以匹配输出的接口板，满足两端接口需求，实现通信。光源和探测器自身功能实现，依赖于现有产品功能，基于本实用新型实施例的研发平台能够加快光电芯片研发进度，也能够在研发完成后，很好的与现有光电元件实现对接。其中，光源和探测器之间通过光纤实现量子通信。

下面对本实用新型实施例所述研发平台中硬件结构进行说明。

接口部分是基于研发需求和现有平台设备资源等情况开发设计，以实现研发平台中各个子平台内部、子平台与子平台之间的数据通信、命令交互功能，最终完成对光电芯片的验证支持功能。

根据数据速度与带宽不同，qkd系统有多种类型，例如，现有技术中具有工作频率为ghz的qkd系统和工作频率为40mhz的qkd系统。其中，ghz工作频率的qkd系统之间可以实现接口兼容，但是40mhz的qkd系统无法与ghz的qkd系统实现接口兼容。因此，无论是光信号发送设备和光信号探测设备，如要兼容既有的带有光源和探测器的设备系统，需要制作适用于不同qkd系统的接口板。本实用新型实施例所述研发平台对ghz相关的qkd系统和40mhz相关的qkd系统均可以实现接口支持，只需要通过连接具有不同接口类型的接口板作为连接子卡即可以。

平台软件主要在调试层，是负责对下两层硬件进行参数配置、功能开发、功能测试、平台系统监管等的辅助工具，具体包括数据处理与控制层固件设计的调试工具、模拟密钥管理软件、平台光电前端层调试软件、光源与探测器参数设置与控制软件、qkd登录与日志检查软件等，不包括数据处理与控制层和光电前端层的qkd功能软件，后者是下两层的有机构成功能部分。

通过上述描述可知，本实用新型实施例所述研发平台可以连接上位机、qkd系统的光电芯片以及光电元件，形成分层的仿真模拟系统，提供了一种光电芯片研发验证平台的分层构架方案。研发平台的硬件通过s2c子板、现有光源和探测器实现，结构简单，成本低。通过上位机配置的软件完成光电信号的研发与调试。

需要说明的是，所述研发平台的构建，不但对开始阶段单颗光电芯片的开发起到功能验证作用，还可以通过不同阶段所研发芯片的迭代使用，互为参考，最终为实现qkd系统的芯片化提供有力工具。不同的光电芯片置于同一研发平台运行环境中，可以进行功能相互验证，有助于行业技术生态链建立，降低行业社会投入成本。

本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

还需要说明的是，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，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。