專利名稱：用于量子通信的準單光子源產(chǎn)生裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于量子通信領域，涉及量子通信系統(tǒng)發(fā)射端的關鍵器件一單光子源， 目前理想單光子源實現(xiàn)比較困難，僅有很少的實驗報道，大部分量子通信系統(tǒng)均采用衰減 的激光作為準單光子源，本發(fā)明設計了一種用于量子通信的準單光子源產(chǎn)生裝置。
背景技術：
量子通信是是通信理論和量子力學相結合產(chǎn)生的前沿交叉學科，自從1984年 BB84協(xié)議誕生以來，量子通信發(fā)展非常迅猛，引起了世界各國的學術界、企業(yè)界和國防部門 的高度重視，成為研究的熱點，而且必將形成巨大的產(chǎn)業(yè)。量子通信的最大特點是其具有的 無條件安全性和高效性，其具體工作方式有(1)基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信；(2) 量子密集編碼；(3)量子隱形傳態(tài)；(4)量子安全直接通信；(5)量子秘密共享；(6)基于量 子密碼算法量子保密通信等。量子信息的載體有很多種，最易被實現(xiàn)的當屬基于單光子脈沖或糾纏光子對承載 信息，因為經(jīng)典通信的光纖鏈路和器件可以被用來進行光量子通信。兩個用戶點到點的量 子保密通信的實驗進展非?？欤乙恍┢髽I(yè)如瑞士 Id-quantique公司已開展了小規(guī)模 的商用。單光子源是量子通信系統(tǒng)的重要器件。目前單光子的產(chǎn)生方案有單原子激 光器、單個分子激光器、基于材料缺陷的激光器、旋轉門單光子器件、水溶性核殼結構的 CdSe(ZnS)納米顆粒、量子點單光子源和激光器衰減法。上述各種方案中，單原子激光器 的缺點是單個原子的度量及獲得困難，也難得到適合通信波段的光子，且需要苛刻的冷卻 條件；單個分子激光器的優(yōu)點是能在室溫條件下進行，目前可以實現(xiàn)從紫外到紅外的光子 發(fā)射，如Rochester大學的研究人員在液晶中摻雜染料分子，實現(xiàn)了單光子發(fā)射，此種材 料的缺點是不太穩(wěn)定，存在漂白問題；基于材料缺陷的激光器光子發(fā)射的速率比較低，限 制了它的光子傳輸速率；旋轉門單光子器件理論上可以實現(xiàn)單光子發(fā)射，是基于電子和空 穴的隧道效應在交流驅(qū)動電壓下實現(xiàn)的，但此技術需要極低的溫度；水溶性核殼結構的 CdSe(ZnS)納米顆粒具有合成方式靈活，波長可調(diào)、尺寸形狀可控、低成本等優(yōu)勢而廣泛用 于生物、發(fā)光顯示和光通訊領域。由于納米顆粒中的Auger效應導致多激子發(fā)射在皮秒范 圍內(nèi)淬滅，使得其用于單光子發(fā)射存在障礙；量子點單光子源可穩(wěn)定地發(fā)出單個光子流，每 個光子可由光譜過濾器分離出來，與其他單光子源相比，量子點單光子源具有高的振子強 度，窄的譜線寬度，且不會發(fā)生光退色，量子點結構的單光子源被認為是最有潛力的一種單 光子源，但現(xiàn)在還有很多難題要去解決，如尺寸、形狀的均一性控制、光譜的單色性控制、雙 激子調(diào)制及其發(fā)射特性、單光子編碼及探測等等；激光器衰減法是目前最常用的單光子產(chǎn) 生方法，通過精確對激光器進行強衰減，使得每個脈沖平均光子數(shù)小于0. 1，從而獲得準單 光子源。由上分析可見，在量子通信系統(tǒng)中，理想的單光子源非常難以制備，常通過對窄激 光脈沖進行衰減以獲得準單光子源。而1550nm波長的窄激光脈沖通常是由窄的電脈沖直接驅(qū)動半導體激光器產(chǎn)生。對量子通信系統(tǒng)而言，穩(wěn)定的激光脈沖對系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性 和性能至關重要，而目前的公開報道中未見保證準單光子源穩(wěn)定性的報道。其次，在各種脈沖形成技術中，較為普遍的是采用以高速分離元件如雪崩二極管、 隧道二極管等為核心，結合微帶電路的脈沖生成技術。利用這種技術生成的脈沖信號主要 特點就是脈寬窄(達到llOps)，但這種方法的缺點是難以控制脈沖寬度和重復頻率，不能 用于量子通信系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于避免上述已有技術的缺點，提出一種用于量子通信的準單光子源 產(chǎn)生裝置，實現(xiàn)穩(wěn)定的、脈寬小于1納秒、平均光子數(shù)小于0. 1的準單光子源。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案一種用于量子通信的準單光子源產(chǎn)生裝置，包括時鐘模塊、控制單元、可控電開 關模塊、電窄脈沖源模塊、放大模塊、半導體激光器、數(shù)控可變光衰減器、光耦合器、光功率 檢測模塊和固定光衰減器；所述時鐘模塊產(chǎn)生矩形脈沖，用以觸發(fā)所述電窄脈沖源；所述電窄沖源模塊由所 述時鐘模塊的時鐘信號觸發(fā)，產(chǎn)生窄脈沖；所述放大模塊將所述窄脈沖放大至可以直接激 勵半導體激光器所需的幅度；所述半導體激光器接收經(jīng)過放大模塊放大的窄脈沖信號，在 該信號的驅(qū)動下調(diào)制輸出激光脈沖；所述數(shù)控可變光衰減器接收來自控制單元的控制指 令，調(diào)節(jié)其衰減量；所述光耦合器耦合一部分激光脈沖送給所述光功率檢測模塊進行測量； 所述光功率檢測模塊接收來所述自光耦合器的激光脈沖，測量該激光脈沖光功率的大?。?所述控制單元根據(jù)光功率檢測模塊測量到的功率，確定數(shù)控可變衰減器的衰減量，向數(shù)控 可變衰減器發(fā)出控制指令，使之達到指定的衰減量。所述的準單光子源產(chǎn)生裝置，時鐘模塊的時鐘信號上升沿觸發(fā)所述電窄沖源模 塊。所述的準單光子源產(chǎn)生裝置，所述放大模塊為寬帶放大器，帶寬為0-2GHZ。所述的準單光子源產(chǎn)生裝置，所述放大模塊將所述窄脈沖放大至大于IV。所述的準單光子源產(chǎn)生裝置，所述電窄脈沖源模塊包括延時電路1、延時電路2、 電平轉換電路、D觸發(fā)器、阻抗變換電路；所述延時電路1對時鐘信號進行納秒級延時dl，所 述延時電路2對時鐘信號進行延時d2，d2 > dl, d2與dl相差小于1納秒；所述電平轉換 電路將TTL電平轉換為ECL電平，適應高速電路；所述D觸發(fā)器帶有復位端口 ；所述阻抗變 換電路將D觸發(fā)器的輸出阻抗變換到放大模塊的輸入阻抗，實現(xiàn)無反射匹配。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明由于采用了光功率檢測模塊和數(shù)控可變光衰減器，可根據(jù)檢測到的光 功率自適應調(diào)整數(shù)控可變光衰減器的衰減量，使得經(jīng)過固定光衰減器后每個激光脈沖的平 均光子數(shù)小于0. 1，克服了激光器輸出脈沖隨溫度等外界環(huán)境起伏的不利因素。(2)本發(fā)明提出的電窄脈沖源模塊，可以產(chǎn)生小于Ins的窄脈沖，且脈沖寬度和重 復頻率易于控制。此外，實現(xiàn)方法簡單，降低了用戶設備的復雜度。


圖1本發(fā)明的準單光子源的組成框圖；圖2本發(fā)明的電窄脈沖模塊組成框圖；圖3本發(fā)明的電窄脈沖模塊中脈沖合成電路時序圖。
具體實施例方式實施例1參照圖1，本發(fā)明的準單光子源包括時鐘模塊、控制單元、可控電開關模塊、電窄脈 沖源模塊、放大模塊、半導體激光器、數(shù)控可變光衰減器、光耦合器、光功率檢測模塊和固定 光衰減器。該時鐘模塊產(chǎn)生矩形脈沖，用其上升沿觸發(fā)電窄脈沖源，根據(jù)所需準單光子源的 脈沖重復頻率確定時鐘模塊的工作頻率，時鐘選用晶體振蕩器。該可控電開關模塊在控制單元的指令下開啟或關閉，開啟后時鐘模塊產(chǎn)生的時鐘 可通過去觸發(fā)電窄脈沖源模塊，關閉時阻止時鐘模塊產(chǎn)生的時鐘通過。該電窄沖源模塊由時鐘模塊的時鐘上升沿觸發(fā)，產(chǎn)生小于Ins的電窄脈沖。該放大模塊為寬帶放大器(帶寬可為0-2GHZ)，將電窄脈沖放大至可以直接激勵 半導體激光器所需的幅度(大于IV即可)。該半導體激光器接收經(jīng)過放大模塊放大的窄脈沖信號，在該信號的驅(qū)動下調(diào)制輸 出脈沖激光，該半導體激光器的線寬越小越好，頻率穩(wěn)定度越高越好。該數(shù)控可變光衰減器接收來自控制單元的控制指令，調(diào)節(jié)其衰減量，微調(diào)精度達 到 0. IdB0光耦合器耦合一部分激光脈沖送給光功率檢測模塊進行測量，耦合度任意選取。光功率檢測模塊接收來自光耦合器的激光脈沖，測量該激光脈沖光功率的大??； 分辨率達到0. Olcffim。控制單元包含有預先定制的參數(shù)表，其內(nèi)容為“檢測到的功率一衰減量”之間的對 應關系列表，定制方法為在準單光子源輸出端接單光子探測器，若脈沖頻率為F，單光子 探測器的探測效率為Y，單光子探測器的暗計數(shù)率為D，光纖信道的傳輸率為T，要求的每脈 沖平均光子數(shù)為0. 1，觀察檢測到的功率，調(diào)節(jié)并記錄衰減量，使單光子探測器的計數(shù)保持 在[1-(I-D) *eXp(-0. 1*T*Y)]*F，隨檢測到的功率的起伏記錄對應的衰減量?？刂茊卧鶕?jù)光功率檢測模塊測量到的功率，查預先定制的參數(shù)表，確定數(shù)控可 變衰減器的衰減量，向數(shù)控可變衰減器發(fā)出控制指令，使之達到指定的衰減量，從而保證到 達固定衰減器輸入端的功率穩(wěn)定，使最終的每個激光脈沖中的平均光子數(shù)達到指定值(0.1 或更小)。另外，該控制單元還通過可控開關選擇觸發(fā)不同的電窄脈沖源，可用于基于誘騙 態(tài)的量子通信系統(tǒng)。固定光衰減器對激光脈沖進一步衰減產(chǎn)生平均光子數(shù)小于0. 1的準單光子脈沖， 插損60dB。實施例2參照圖2，電窄脈沖源模塊利用高速數(shù)字器件輸出多路非同步的觸發(fā)信號，再利用這些觸發(fā)信號之間的邏輯關系來合成窄脈沖。該電窄脈沖模塊包括延時電路1、延時電路 2、電平轉換電路、D觸發(fā)器、阻抗變換電路。該延時電路1對外部觸發(fā)脈沖進行納秒級延時 dl，該延時電路2對外部脈沖進行延時d2(d2 > dl)，d2與dl相差小于1納秒(ns)。該 電平轉換電路將TTL(Transistor-Transistor Logic，晶體管-晶體管邏輯)電平轉換為 ECL(Emitter Couple Logic，射極耦合邏輯)電平，適應高速電路。該D觸發(fā)器帶有復位端 口(Reset)，為高速器件。該阻抗變換電路將D觸發(fā)器的輸出阻抗變換到放大模塊的輸入阻 抗，實現(xiàn)無反射匹配。所述電窄脈沖源模塊的基本原理如下外部觸發(fā)脈沖通過兩路精密延時電路，延 時電路對該外部脈沖分別進行延時，作為D觸發(fā)器的觸發(fā)信號，利用觸發(fā)信號的上升沿或 下降沿信號合成窄脈沖，根據(jù)使用的需要，再對脈沖信號進行放大等相應的處理。D觸發(fā)器的D端一直置高電平，延時脈沖1接時鐘CLK端，延時脈沖2接Reset端， 兩個延時的脈沖間隔很短，高電平剛一輸出就被立即拉低，這樣從Q端即可得到合成的脈 沖，脈沖的寬度即為兩路觸發(fā)信號的時延之差，這一過程的時序如圖3所示。參照圖2，阻抗變換實現(xiàn)D觸發(fā)器的輸出與放大器的輸入匹配。放大模塊對電窄脈 沖源模塊輸出的窄脈沖進行放大，放大后的窄脈沖信號驅(qū)動半導體激光器。窄脈沖的寬度 取決于兩路延時電路對源脈沖的延時差，重復頻率則主要取決于有源晶振的頻率。可見，整 個脈沖合成電路的關鍵是在兩路延時電路上，它的延時精度、延時步進值決定了合成脈沖 的寬度和可調(diào)精度。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種用于量子通信的準單光子源產(chǎn)生裝置，其特征在于，包括時鐘模塊、控制單 元、可控電開關模塊、電窄脈沖源模塊、放大模塊、半導體激光器、數(shù)控可變光衰減器、光耦 合器、光功率檢測模塊和固定光衰減器；所述時鐘模塊產(chǎn)生矩形脈沖，用以觸發(fā)所述電窄脈沖源；所述電窄沖源模塊由所述時 鐘模塊的時鐘信號觸發(fā)，產(chǎn)生窄脈沖；所述放大模塊將所述窄脈沖放大至可以直接激勵半 導體激光器所需的幅度；所述半導體激光器接收經(jīng)過放大模塊放大的窄脈沖信號，在該信 號的驅(qū)動下直接調(diào)制輸出激光脈沖；所述數(shù)控可變光衰減器接收來自控制單元的控制指 令，調(diào)節(jié)其衰減量；所述光耦合器耦合一部分激光脈沖送給所述光功率檢測模塊進行測量； 所述光功率檢測模塊接收來自所述光耦合器的激光脈沖，測量該激光脈沖光功率的大?。?所述控制單元根據(jù)光功率檢測模塊測量到的功率，確定數(shù)控可變衰減器的衰減量，向數(shù)控 可變衰減器發(fā)出控制指令，使之達到指定的衰減量。
2.根據(jù)權利要求1所述的準單光子源產(chǎn)生裝置，其特征在于，時鐘模塊的時鐘信號上 升沿觸發(fā)所述電窄沖源模塊。
3.根據(jù)權利要求1所述的準單光子源產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述放大模塊為寬帶放 大器，帶寬為0-2GHz。
4.根據(jù)權利要求1所述的準單光子源產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述放大模塊將所述窄 脈沖放大至大于IV。
5.根據(jù)權利要求1所述的準單光子源產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述電窄脈沖源模塊包 括延時電路1、延時電路2、電平轉換電路、D觸發(fā)器、阻抗變換電路；所述延時電路1對時 鐘信號進行納秒級延時dl，所述延時電路2對時鐘信號進行延時d2，d2 > dl，d2與dl相 差小于1納秒；所述電平轉換電路將TTL電平轉換為ECL電平，適應高速電路；所述D觸發(fā) 器帶有復位端口；所述阻抗變換電路將D觸發(fā)器的輸出阻抗變換到放大模塊的輸入阻抗， 實現(xiàn)無反射匹配。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于量子通信的準單光子源產(chǎn)生裝置，包括時鐘模塊、控制單元、可控電開關模塊、電窄脈沖源模塊、放大模塊、半導體激光器、數(shù)控可變光衰減器、光耦合器、光功率檢測模塊和固定光衰減器；所述光功率檢測模塊接收來自所述光耦合器的激光脈沖，測量該激光脈沖光功率的大?。凰隹刂茊卧鶕?jù)光功率檢測模塊測量到的功率，確定數(shù)控可變光衰減器的衰減量，向數(shù)控可變光衰減器發(fā)出控制指令，使之達到指定的衰減量。本發(fā)明具有輸出穩(wěn)定、復雜度低和易于控制的優(yōu)點，可用于量子通信系統(tǒng)。
文檔編號H04B10/30GK102075260SQ201110002348
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月7日 優(yōu)先權日2011年1月7日
發(fā)明者何先燈, 張瑋, 易運暉, 朱暢華, 權東曉, 裴昌幸, 陳南, 韓寶彬 申請人:西安電子科技大學