专利名称：用于量子通信的准单光子源产生装置的利记博彩app
技术领域：
本发明属于量子通信领域，涉及量子通信系统发射端的关键器件一单光子源， 目前理想单光子源实现比较困难，仅有很少的实验报道，大部分量子通信系统均采用衰减 的激光作为准单光子源，本发明设计了一种用于量子通信的准单光子源产生装置。
背景技术：
量子通信是是通信理论和量子力学相结合产生的前沿交叉学科，自从1984年 BB84协议诞生以来，量子通信发展非常迅猛，引起了世界各国的学术界、企业界和国防部门 的高度重视，成为研究的热点，而且必将形成巨大的产业。量子通信的最大特点是其具有的 无条件安全性和高效性，其具体工作方式有(1)基于量子密钥分发的量子保密通信；(2) 量子密集编码；(3)量子隐形传态；(4)量子安全直接通信；(5)量子秘密共享；(6)基于量 子密码算法量子保密通信等。量子信息的载体有很多种，最易被实现的当属基于单光子脉冲或纠缠光子对承载 信息，因为经典通信的光纤链路和器件可以被用来进行光量子通信。两个用户点到点的量 子保密通信的实验进展非常快，而且一些企业如瑞士 Id-quantique公司已开展了小规模 的商用。单光子源是量子通信系统的重要器件。目前单光子的产生方案有单原子激 光器、单个分子激光器、基于材料缺陷的激光器、旋转门单光子器件、水溶性核壳结构的 CdSe(ZnS)纳米颗粒、量子点单光子源和激光器衰减法。上述各种方案中，单原子激光器 的缺点是单个原子的度量及获得困难，也难得到适合通信波段的光子，且需要苛刻的冷却 条件；单个分子激光器的优点是能在室温条件下进行，目前可以实现从紫外到红外的光子 发射，如Rochester大学的研究人员在液晶中掺杂染料分子，实现了单光子发射，此种材 料的缺点是不太稳定，存在漂白问题；基于材料缺陷的激光器光子发射的速率比较低，限 制了它的光子传输速率；旋转门单光子器件理论上可以实现单光子发射，是基于电子和空 穴的隧道效应在交流驱动电压下实现的，但此技术需要极低的温度；水溶性核壳结构的 CdSe(ZnS)纳米颗粒具有合成方式灵活，波长可调、尺寸形状可控、低成本等优势而广泛用 于生物、发光显示和光通讯领域。由于纳米颗粒中的Auger效应导致多激子发射在皮秒范 围内淬灭，使得其用于单光子发射存在障碍；量子点单光子源可稳定地发出单个光子流，每 个光子可由光谱过滤器分离出来，与其他单光子源相比，量子点单光子源具有高的振子强 度，窄的谱线宽度，且不会发生光退色，量子点结构的单光子源被认为是最有潜力的一种单 光子源，但现在还有很多难题要去解决，如尺寸、形状的均一性控制、光谱的单色性控制、双 激子调制及其发射特性、单光子编码及探测等等；激光器衰减法是目前最常用的单光子产 生方法，通过精确对激光器进行强衰减，使得每个脉冲平均光子数小于0. 1，从而获得准单 光子源。由上分析可见，在量子通信系统中，理想的单光子源非常难以制备，常通过对窄激 光脉冲进行衰减以获得准单光子源。而1550nm波长的窄激光脉冲通常是由窄的电脉冲直接驱动半导体激光器产生。对量子通信系统而言，稳定的激光脉冲对系统的安全性、稳定性 和性能至关重要，而目前的公开报道中未见保证准单光子源稳定性的报道。其次，在各种脉冲形成技术中，较为普遍的是采用以高速分离元件如雪崩二极管、 隧道二极管等为核心，结合微带电路的脉冲生成技术。利用这种技术生成的脉冲信号主要 特点就是脉宽窄(达到llOps)，但这种方法的缺点是难以控制脉冲宽度和重复频率，不能 用于量子通信系统。
发明内容
本发明目的在于避免上述已有技术的缺点，提出一种用于量子通信的准单光子源 产生装置，实现稳定的、脉宽小于1纳秒、平均光子数小于0. 1的准单光子源。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案一种用于量子通信的准单光子源产生装置，包括时钟模块、控制单元、可控电开 关模块、电窄脉冲源模块、放大模块、半导体激光器、数控可变光衰减器、光耦合器、光功率 检测模块和固定光衰减器；所述时钟模块产生矩形脉冲，用以触发所述电窄脉冲源；所述电窄冲源模块由所 述时钟模块的时钟信号触发，产生窄脉冲；所述放大模块将所述窄脉冲放大至可以直接激 励半导体激光器所需的幅度；所述半导体激光器接收经过放大模块放大的窄脉冲信号，在 该信号的驱动下调制输出激光脉冲；所述数控可变光衰减器接收来自控制单元的控制指 令，调节其衰减量；所述光耦合器耦合一部分激光脉冲送给所述光功率检测模块进行测量； 所述光功率检测模块接收来所述自光耦合器的激光脉冲，测量该激光脉冲光功率的大小； 所述控制单元根据光功率检测模块测量到的功率，确定数控可变衰减器的衰减量，向数控 可变衰减器发出控制指令，使之达到指定的衰减量。所述的准单光子源产生装置，时钟模块的时钟信号上升沿触发所述电窄冲源模 块。所述的准单光子源产生装置，所述放大模块为宽带放大器，带宽为0-2GHZ。所述的准单光子源产生装置，所述放大模块将所述窄脉冲放大至大于IV。所述的准单光子源产生装置，所述电窄脉冲源模块包括延时电路1、延时电路2、 电平转换电路、D触发器、阻抗变换电路；所述延时电路1对时钟信号进行纳秒级延时dl，所 述延时电路2对时钟信号进行延时d2，d2 > dl, d2与dl相差小于1纳秒；所述电平转换 电路将TTL电平转换为ECL电平，适应高速电路；所述D触发器带有复位端口 ；所述阻抗变 换电路将D触发器的输出阻抗变换到放大模块的输入阻抗，实现无反射匹配。本发明具有如下优点(1)本发明由于采用了光功率检测模块和数控可变光衰减器，可根据检测到的光 功率自适应调整数控可变光衰减器的衰减量，使得经过固定光衰减器后每个激光脉冲的平 均光子数小于0. 1，克服了激光器输出脉冲随温度等外界环境起伏的不利因素。(2)本发明提出的电窄脉冲源模块，可以产生小于Ins的窄脉冲，且脉冲宽度和重 复频率易于控制。此外，实现方法简单，降低了用户设备的复杂度。
图1本发明的准单光子源的组成框图；图2本发明的电窄脉冲模块组成框图；图3本发明的电窄脉冲模块中脉冲合成电路时序图。
具体实施例方式实施例1参照图1，本发明的准单光子源包括时钟模块、控制单元、可控电开关模块、电窄脉 冲源模块、放大模块、半导体激光器、数控可变光衰减器、光耦合器、光功率检测模块和固定 光衰减器。该时钟模块产生矩形脉冲，用其上升沿触发电窄脉冲源，根据所需准单光子源的 脉冲重复频率确定时钟模块的工作频率，时钟选用晶体振荡器。该可控电开关模块在控制单元的指令下开启或关闭，开启后时钟模块产生的时钟 可通过去触发电窄脉冲源模块，关闭时阻止时钟模块产生的时钟通过。该电窄冲源模块由时钟模块的时钟上升沿触发，产生小于Ins的电窄脉冲。该放大模块为宽带放大器(带宽可为0-2GHZ)，将电窄脉冲放大至可以直接激励 半导体激光器所需的幅度(大于IV即可)。该半导体激光器接收经过放大模块放大的窄脉冲信号，在该信号的驱动下调制输 出脉冲激光，该半导体激光器的线宽越小越好，频率稳定度越高越好。该数控可变光衰减器接收来自控制单元的控制指令，调节其衰减量，微调精度达 到 0. IdB0光耦合器耦合一部分激光脉冲送给光功率检测模块进行测量，耦合度任意选取。光功率检测模块接收来自光耦合器的激光脉冲，测量该激光脉冲光功率的大小； 分辨率达到0. Olcffim。控制单元包含有预先定制的参数表，其内容为“检测到的功率一衰减量”之间的对 应关系列表，定制方法为在准单光子源输出端接单光子探测器，若脉冲频率为F，单光子 探测器的探测效率为Y，单光子探测器的暗计数率为D，光纤信道的传输率为T，要求的每脉 冲平均光子数为0. 1，观察检测到的功率，调节并记录衰减量，使单光子探测器的计数保持 在[1-(I-D) *eXp(-0. 1*T*Y)]*F，随检测到的功率的起伏记录对应的衰减量。控制单元根据光功率检测模块测量到的功率，查预先定制的参数表，确定数控可 变衰减器的衰减量，向数控可变衰减器发出控制指令，使之达到指定的衰减量，从而保证到 达固定衰减器输入端的功率稳定，使最终的每个激光脉冲中的平均光子数达到指定值(0.1 或更小)。另外，该控制单元还通过可控开关选择触发不同的电窄脉冲源，可用于基于诱骗 态的量子通信系统。固定光衰减器对激光脉冲进一步衰减产生平均光子数小于0. 1的准单光子脉冲， 插损60dB。实施例2参照图2，电窄脉冲源模块利用高速数字器件输出多路非同步的触发信号，再利用这些触发信号之间的逻辑关系来合成窄脉冲。该电窄脉冲模块包括延时电路1、延时电路 2、电平转换电路、D触发器、阻抗变换电路。该延时电路1对外部触发脉冲进行纳秒级延时 dl，该延时电路2对外部脉冲进行延时d2(d2 > dl)，d2与dl相差小于1纳秒(ns)。该 电平转换电路将TTL(Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑)电平转换为 ECL(Emitter Couple Logic，射极耦合逻辑)电平，适应高速电路。该D触发器带有复位端 口(Reset)，为高速器件。该阻抗变换电路将D触发器的输出阻抗变换到放大模块的输入阻 抗，实现无反射匹配。所述电窄脉冲源模块的基本原理如下外部触发脉冲通过两路精密延时电路，延 时电路对该外部脉冲分别进行延时，作为D触发器的触发信号，利用触发信号的上升沿或 下降沿信号合成窄脉冲，根据使用的需要，再对脉冲信号进行放大等相应的处理。D触发器的D端一直置高电平，延时脉冲1接时钟CLK端，延时脉冲2接Reset端， 两个延时的脉冲间隔很短，高电平刚一输出就被立即拉低，这样从Q端即可得到合成的脉 冲，脉冲的宽度即为两路触发信号的时延之差，这一过程的时序如图3所示。参照图2，阻抗变换实现D触发器的输出与放大器的输入匹配。放大模块对电窄脉 冲源模块输出的窄脉冲进行放大，放大后的窄脉冲信号驱动半导体激光器。窄脉冲的宽度 取决于两路延时电路对源脉冲的延时差，重复频率则主要取决于有源晶振的频率。可见，整 个脉冲合成电路的关键是在两路延时电路上，它的延时精度、延时步进值决定了合成脉冲 的宽度和可调精度。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种用于量子通信的准单光子源产生装置，其特征在于，包括时钟模块、控制单 元、可控电开关模块、电窄脉冲源模块、放大模块、半导体激光器、数控可变光衰减器、光耦 合器、光功率检测模块和固定光衰减器；所述时钟模块产生矩形脉冲，用以触发所述电窄脉冲源；所述电窄冲源模块由所述时 钟模块的时钟信号触发，产生窄脉冲；所述放大模块将所述窄脉冲放大至可以直接激励半 导体激光器所需的幅度；所述半导体激光器接收经过放大模块放大的窄脉冲信号，在该信 号的驱动下直接调制输出激光脉冲；所述数控可变光衰减器接收来自控制单元的控制指 令，调节其衰减量；所述光耦合器耦合一部分激光脉冲送给所述光功率检测模块进行测量； 所述光功率检测模块接收来自所述光耦合器的激光脉冲，测量该激光脉冲光功率的大小； 所述控制单元根据光功率检测模块测量到的功率，确定数控可变衰减器的衰减量，向数控 可变衰减器发出控制指令，使之达到指定的衰减量。
2.根据权利要求1所述的准单光子源产生装置，其特征在于，时钟模块的时钟信号上 升沿触发所述电窄冲源模块。
3.根据权利要求1所述的准单光子源产生装置，其特征在于，所述放大模块为宽带放 大器，带宽为0-2GHz。
4.根据权利要求1所述的准单光子源产生装置，其特征在于，所述放大模块将所述窄 脉冲放大至大于IV。
5.根据权利要求1所述的准单光子源产生装置，其特征在于，所述电窄脉冲源模块包 括延时电路1、延时电路2、电平转换电路、D触发器、阻抗变换电路；所述延时电路1对时 钟信号进行纳秒级延时dl，所述延时电路2对时钟信号进行延时d2，d2 > dl，d2与dl相 差小于1纳秒；所述电平转换电路将TTL电平转换为ECL电平，适应高速电路；所述D触发 器带有复位端口；所述阻抗变换电路将D触发器的输出阻抗变换到放大模块的输入阻抗， 实现无反射匹配。
全文摘要
本发明公开了用于量子通信的准单光子源产生装置，包括时钟模块、控制单元、可控电开关模块、电窄脉冲源模块、放大模块、半导体激光器、数控可变光衰减器、光耦合器、光功率检测模块和固定光衰减器；所述光功率检测模块接收来自所述光耦合器的激光脉冲，测量该激光脉冲光功率的大小；所述控制单元根据光功率检测模块测量到的功率，确定数控可变光衰减器的衰减量，向数控可变光衰减器发出控制指令，使之达到指定的衰减量。本发明具有输出稳定、复杂度低和易于控制的优点，可用于量子通信系统。
文档编号H04B10/30GK102075260SQ201110002348
公开日2011年5月25日 申请日期2011年1月7日 优先权日2011年1月7日
发明者何先灯, 张玮, 易运晖, 朱畅华, 权东晓, 裴昌幸, 陈南, 韩宝彬 申请人:西安电子科技大学