技术领域
[0001] 本
发明属于
电子技术领域，更进一步涉及量子通信技术领域中的一种光-电-光模式的测量设备无关的量子秘钥分发MDI-QKD(measurement-device-independent quantum key distribution)系统同步装置及方法，本发明用于MDI-QKD系统中同步光和
信号光的同步，保障单
光子探测器的高探测率。
背景技术
[0002] QKD系统的一项关键技术是收发双方的信息的同步，只有信号光和同步光同步，才能进行以后的密钥提取。同时，为了减少误码率，要求尽量去除暗计数。为了保证单光子计数的准确性，需要将发送端的
同步信号准确无误的传送到接收端，并且与单光子探测器的检出信号保持同步。如果同步
精度越高，则单光子计数器就越准确，能去除的暗计数也就越多，QKD系统的性能也就越好，所以一个QKD系统的关键是同步方法的设计。
[0003] 安徽量子通信技术有限公司在其
申请的
专利文献“一种QKD系统的同步装置”(申请号：201310434795.2申请公开号：CN104468092 A)中公开了一种量子密钥分发QKD系统同步装置。该装置包括发送同步光和信号光的发送装置、光电转换装置、可调时延模
块、单光子探测器和
数据采集模块。该同步装置实现了端对端的量子密钥分发系统。该同步装置中的低抖动倍频装置能够实现同步光和信号光的
频率一致，减小了同步光对信号光的影响。但是该同步装置存在不足之处是：该同步装置和方法是基于BB84协议的两端QKD系统，编码方法和同步装置太简单，对于MDI-QKD系统，该同步装置和方法不能保证Alice端的信号光脉冲和Bob端的信号光脉冲在探测端的干涉。
[0004] 汤艳琳在其发表的论文“实际量子密钥分发系统安全性的实验研究”(中国科学技术大学博士学位论文2015年)中公开了一种同步光和信号光采用不同光纤的同步方法。该同步方法是基于MDI-QKD系统，其同步方法的步骤是，将同步光脉冲由探测端发送到Alice端和Bob端，Alice和Bob通过线性光电
二极管探测同步
光信号，将同步光信号转为同步电脉冲，作为Alice端和Bob端编码工作的触发信号，虽然该同步方法不会造成信号光脉冲额外暗计数。但是该同步方法仍然存在的不足之处是：同步电脉冲在完成编码工作之后，没有再传输到探测端触发单光子探测器和采集卡工作，也不能够保证Alice端的同步光脉冲和Bob端的同步光脉冲在探测端实现稳定干涉，不能做到精准同步。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种光-电-光模式的MDI-QKD系统同步装置及方法，通过在编码后调节同步电脉冲的时延，以及将同步电脉冲转换成同步光脉冲传输到探测端，实现Alice端的同步光脉冲和Bob端的同步光脉冲在探测端的稳定干涉。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的具体思路是，外部产生同步光脉冲，将同步光脉冲和信号光脉冲传输到编码端，并在编码端将同步光脉转换成同步电脉冲，触发编码端的现场可编程
门阵列FPGA实现对信号光脉冲的编码，编码完成之后，若Alice端的信号光脉冲和Bob端的信号光脉冲存在时延差，调节同步电脉冲时延，再将同步电脉冲转换为同步光脉冲传送到探测端，在探测端将同步光脉冲转换成同步电脉冲触发单光子探测器和采集卡工作。
[0007] 为了实现上述目的，本发明的装置包括第一个光电转换模块、编码模块、时延调节模块、光纤信道模块、第二个光电转换模块、探测模块、电光转换模块。所述第一个光电转换模块的输入端与外部输入的同步光脉冲相连；第一个光电转换模块的输出端与编码模块的输入端相连；第一个光电转换模块的输出端与时延调节模块的输入端相连；时延调节模块的输出端与电光转换模块的输入端相连；电光转换模块的输出端与光纤信道模块的输入端相连，光纤信道模块的输出端与第二个光电转换模块的输入端相连；第二个光电转换模块的输出端与探测模块的输入端相连；其中，
[0008] 所述第一个光电转换模块，用于把传输到Alice端和Bob端的同步光脉冲转换成同步电脉冲；
[0009] 所述编码模块包括
现场可编程门阵列FPGA、强度
调制器IM、
相位调制器PM，其中现场可编程门阵列FPGA用于产生电脉冲驱动信号，强度调制器IM用于调制信号光脉冲第一个脉冲的幅度，
相位调制器PM用于调制信号光脉冲第二个脉冲的相位；
[0010] 所述时延调节模块，用于通过调节同步电脉冲的时延，使Alice端的信号光脉冲和Bob端的信号光脉冲在探测端实现干涉；
[0011] 所述电光转换模块，包括同步
激光器，强度调制器IM,同步激光器用于产生连续
正弦波形的同步光，强度调制器IM用于将连续正弦
波形的同步光调制成同步光脉冲，同步电脉冲需作为驱动信号；
[0012] 所述光纤信道模块，用于通过波分复用器WDM将同步光脉冲和信号光脉冲使用一根光纤传输到探测端；
[0013] 所述第二个光电转换模块，用于将同步光脉冲再次转换成同步电脉冲，触发探测模块的单光子探测器和采集卡工作；
[0014] 所述探测模块，用于同步电脉冲作为单光子探测器和采集卡的同步触发信号，触发单光子探测器探测信号光脉冲，以及触发采集卡采集单光子探测器的输出。
[0015] 本发明的方法具体步骤包括如下：
[0016] (1)将同步光脉冲传输给Alice端和Bob端：
[0017] 产生一个与信号光脉冲
波长不同的同步光脉冲，波分复用器WDM将同步光脉冲和信号光脉冲通过一根光纤传输到Alice端和Bob端；
[0018] (2)将同步光脉冲转换成同步电脉冲：
[0019] 当同步光脉冲到Alice端和Bob端时，第一光电转换模块的光电转换器将同步光脉冲转换成同步电脉冲并分成两路，一路送入延时调节模块，一路送入编码模块的现场可编程门阵列FPGA；
[0020] (3)对信号光脉冲进行编码：
[0021] (3a)当同步电脉冲到达编码模块的现场可编程门阵列FPGA时，现场可编程门阵列FPGA产生一个电脉冲信号，其频率和信号光脉冲一致，脉宽与信号光脉冲脉宽相等，幅度大于或等于信号光脉冲的幅度；
[0022] (3b)现场可编程门阵列FPGA将电脉冲信号传送给强度调制器IM，强度调制器IM调制输入的信号光脉冲第一个脉冲，使其幅度等于输入的电脉冲信号幅度，信号光脉冲第二个脉冲的幅度保持不变，完成时间编码；
[0023] (3c)现场可编程门阵列FPGA产生三个电脉冲信号，每个电脉冲信号的频率与信号光脉冲一致，脉宽等于或大于信号光脉冲的脉宽，幅度分别为V0、2V0、3V0，其中V0为相位调制器PM的半波
电压；
[0024] (3d)现场可编程门阵列FPGA每次传送一个电脉冲信号给相位调制器PM，相位调制器PM根据输入电脉冲信号的幅度调制信号光脉冲的第二个脉冲的相位，信号光脉冲的第一个脉冲的相位保持不变，完成相位编码；
[0025] (4)调节同步电脉冲时延：
[0026] (4a)当Alice端和Bob端的同步光脉冲在探测端存在时延差时，导致干涉不稳定，延时调节模块需要调节输入的同步电脉冲的时延；
[0027] (4b)调节延时模块中的延时芯片的外接
电阻RS、外接电容CE以及
数模转换器的阙值电压Vb来延时同步电脉冲；
[0028] (5)将同步电脉冲转换成同步光脉冲：
[0029] (5a)延时调节模块将延时后的同步电脉冲发送给强度调制器IM；
[0030] (5b)强度调制器IM将传入的同步电脉冲作为驱动脉冲，将同步激光器产生的连续正弦波形的同步光转换成同步光脉冲；
[0031] (5c)波分复用器WDM将同步光脉冲和编码后的信号光脉冲通过光纤信道模块传输到探测端；
[0032] (6)将同步光脉冲转换成同步电脉冲：
[0033] 当同步光脉冲经过光纤信道模块到达探测端时，第二个光电转换模块的光电转换器将同步光脉冲转换成同步电脉冲，并发送给探测模块中的单光子探测器和采集卡；
[0034] (7)对电脉冲触发单光子探测器和采集卡进行同步操作：
[0035] (7a)当同步电脉冲到达单光子探测器时，触发单光子探测器开启探测门开始探测信号光脉冲，当单光子探测每探测到一个信号光脉冲时，将单光子探测器内部的计数器加1；
[0036] (7b)当同步电脉冲到达探测模块中的采集卡时，触发采集卡采集单光子探测器的
输出信号。
[0037] 与
现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0038] 第一，由于本发明的装置中的编码模块，采用可编程门阵列FPGA对信号光脉冲进行编码，用同步电脉冲作为触发信号产生电脉冲信号送给强度调制器IM和相位调制器PM，调制信号光脉冲的幅度和相位，克服了现有技术中由于电脉冲信号在各器件传输过程中存在延时差，而导致不能做到实时同步的问题，使得本发明具有实时性高的优点，本发明装置中延时调节模块，采用数字型延时芯片AD9501，克服了现有技术中电脉冲延时调节难度大的问题，使得同步电脉冲的时延调节更加容易，使得本发明具有探测效率高的优点。
[0039] 第二，由于本发明的方法采用光-电-光模式的同步方法，同步光脉冲在编码模块转换成同步电脉冲，触发编码模块的现场可编程门阵列FPGA对信号光脉冲进行编码，调节同步电脉冲的时延，将同步电脉冲转换为同步光脉冲，传输到探测模块，再将同步光脉冲转换成同步电脉冲，触发单光子探测器和采集卡工作，相比于其它基于MDI-QKD系统的同步方法，本发明的方法克服了现有技术中Alice端信号光脉冲和Bob端信号光脉冲在探测端存时延差的问题，使得本发明具有干涉
稳定性高的优点。
附图说明
具体实施方式
[0042] 下面结合附图对本发明做进一步的描述。
[0043] 参照附图1装置方框图，对本发明装置做进一步的描述。
[0044] 本发明装置包括包括第一个光电转换模块，编码模块，时延调节模块，电光转换模块，光纤信道模块，第二个光电转换模块，探测模块。所述第一个光电转换模块的输入端与外部输入的同步光脉冲相连；第一个光电转换模块的输出端与编码模块的输入端相连；第一个光电转换模块的输出端与时延调节模块的输入端相连；时延调节模块的输出端与电光转换模块的输入端相连；电光转换模块的输出端与光纤信道模块的输入端相连，光纤信道模块的输出端与第二个光电转换模块的输入端相连；第二个光电转换模块的输出端与探测模块的输入端相连；其中，
[0045] 所述第一个光电转换模块，用于把传输到Alice端和Bob端的同步光脉冲转换成同步电脉冲，驱动编码模块的现场可编程门阵列FPGA对信号光脉进行编码工作，如果电脉冲电压小，还需将电脉冲电压通过
放大器放大。
[0046] 所述编码模块包括现场可编程门阵列FPGA、强度调制器IM、相位调制器PM，其中现场可编程门阵列FPGA用于产生电脉冲驱动信号，并传输给强度调制器IM和相位调制器PM，强度调制器IM用于调制信号光脉冲第一个脉冲的幅度，相位调制器PM用于调制信号光脉冲第二个脉冲的相位。
[0047] 所述时延调节模块，用于通过调节同步电脉冲的时延，使Alice端的信号光脉冲和Bob端的信号光脉冲在探测端实现干涉，时延调节模块中包括AD9501延时芯片以及外接电阻和外接电容，延时芯片内部包括斜波电压产生器、8-bits数模转化器、电压比较器，外接电阻并联在延时芯片的第7个脚和地之间，外接电容并联在延时芯片的第6个脚和7V电源之间。
[0048] 所述电光转换模块，包括同步激光器，强度调制器IM,同步激光器用于产生连续正弦波形的同步光，强度调制器IM用于将连续正弦波形的同步光调制成同步光脉冲，同步电脉冲作为强度调制器IM的驱动信号。
[0049] 所述光纤信道模块，用于通过波分复用器WDM将同步光脉冲和信号光脉冲使用一根光纤传输到探测端。
[0050] 所述第二个光电转换模块，用于将同步光脉冲再次转换成同步电脉冲，触发探测模块的单光子探测器和采集卡工作。
[0051] 所述探测模块，用于同步电脉冲作为单光子探测器和采集卡的同步触发信号，触发单光子探测器探测信号光脉冲，以及触发采集卡采集单光子探测器的输出。
[0052] 参照附图2，下面对本发明方法的具体步骤做进一步的描述。
[0053] 步骤1，将同步光脉冲传输到Alice端和Bob端。
[0054] 外部产生一个同步光脉冲，其波长与信号光脉冲不同，信号光一般为1550nm，同步光波长可以为1570nm或者1530nm，同步光脉冲的脉宽大于信号光脉冲，由于本发明采用的是时间相位编码的MDI-QKD系统，所以信号光脉冲在一个周期内有两个窄脉冲，且间隔一定，两个窄脉冲的脉宽一致，同步光脉冲和信号光脉冲通过波分复用器WDM在一根光纤中传输到Alice端和Bob端，Alice和Bob是QKD系统中的通信双方。
[0055] 步骤2，将同步光脉冲转换成同步电脉冲。
[0056] 当同步光脉冲到达Alice端和Bob端时，第一个光电转换模块的光电转换器将同步光脉冲转换成同步电脉冲，然后将同步电脉冲分成两路，一路进入延时调节模块，用于调节同步电脉冲时延，一路进入编码模块的现场可编程门阵列FPGA，触发FPGA对Alice和Bob端的信号光脉冲的编码。
[0057] 步骤3，对信号光脉冲进行编码。
[0058] 当同步电脉冲到达Alice端和Bob端时，编码模块的现场可编程门阵列FPGA产生一个电脉冲信号，其频率与信号光脉冲一致，脉宽大于或等于信号光脉冲的第一个脉冲的脉宽，幅度大于信号光脉冲的第一个脉冲的幅度。
[0059] 强度调制器IM的光信号输入端接信号光脉冲，现场可编程门阵列FPGA将产生的电脉冲信号传送给第一强度调制器IM的
电信号输入端，调制信号光脉冲的第一个脉冲的幅度等于输入的电脉冲信号幅度，信号光脉冲的第二个脉冲的幅度保持不变，完成对信号光脉冲的时间编码。
[0060] 因为信号光脉冲的两个脉冲之间的时间间隔是确定的，所以现场可编程门阵列FPGA对第一个信号光脉冲完成时间编码之后，同时产生三个电脉冲信号，每个电脉冲信号的脉宽等于或大于信号光脉冲的脉宽，幅度分别为V0、2V0、3V0，其中V0是相位调制器的半波电压。
[0061] 现场可编程门阵列FPGA每次传送一个电脉冲信号给相位调制器PM的电信号输入端，相位调制器PM的光信号输入端连接第一强度调制器IM的输出，相位调制器PM根据输入电脉冲信号的幅度，调制信号光脉冲的第二个脉冲的相位，信号光脉冲的第一个脉冲的相位保持不变，完成对信号光脉冲的相位编码。同步电脉冲作为现场可编程门阵列FPGA的同步触发信号，完成了对信号光脉冲的时间相位编码。
[0062] 步骤4，调节同步电脉冲时延。
[0063] 当Alice端和Bob端的同步光脉冲在探测端存在时延差时，也就是说Alice端和Bob端的信号光脉冲没有实现干涉，这时需要调节同步电脉冲时延，当同步电脉冲到达延时调节模块时，同步电脉冲上升沿触发延时模块的延时芯片AD9501的斜波电压产生器产生斜波电压Va，此时，Va大于延时芯片的
数模转换器的阙值电压Vb，延时芯片开始延时同步电脉冲，延时芯片的可调延时时间为t＝Rs×(Ce+8.5PF)×3.84×(Vb/256)。
[0064] 改变延时芯片的外接电阻RS、外接电容CE以及数模转换器的阙值电压Vb的值来调节同步电脉冲的时延，数模转换器的阙值电压Vb是通过8-bits的数字编程装置设置的，当需要调节的时延差小于326ns时，外接电容需开路，时延差是Alice端信号光脉冲和Bob端信号光脉冲到达单光子探测器的时间差，当Va小于Vb时，延时芯片的电压比较器将输出置高，延时芯片结束延时，输出延时后的电脉冲信号。
[0065] 步骤5，将同步电脉冲转换成同步光脉冲。
[0066] 延时调节模块将延时后的电脉冲
信号传输给第二强度调制器IM的电信号输入端，如果此时的同步电脉冲电压小于强度调制器的要求输入电压Vc，需要将同步电脉冲的幅度通过放大器将放大，再传输给强度调制器IM的电信号输入端。
[0067] 强度调制器IM的光信号输入端接同步激光器的输出，电脉冲信号驱动强度调制器将同步激光器产生的连续正弦波形的同步光转换成脉冲形式的同步光。此同步光脉冲和步骤1中产生的同步光脉冲一致。
[0068] 波分复用器WDM将同步光脉冲与编码后信号光脉冲通过光纤信道模块传送给探测端，光纤信道模块为一根长为[20,100]的实验室光纤,单位为千米。
[0069] 步骤6，将同步光脉冲转换成同步电脉冲。
[0070] 当同步光脉冲经过光纤信道模块到达探测端时，第二个光电转换模块的光电转换器将同步光脉冲转换成同步电脉冲并分为两路，一路送入单光子探测器的电信号输入端，触发单光子探测器探测信号光脉冲，一路送入采集卡触发采集卡采集单光子探测器的输出。
[0071] 步骤7，对电脉冲触发单光子探测器和采集卡进行同步操作。
[0072] 当同步电脉冲到达探测模块的单光子探测器时，触发单光子探测器开启探测门开始探测信号光脉冲，当单光子探测每探测到一个信号光脉冲时，单光子探测器内部的计数器加1。
[0073] 当同步电脉冲到达探测模块中的采集卡时，触发采集卡采集单光子探测器的输出信号，作为后续纠错放大的数据来源。
