激光脉冲生成系统及方法及量子密钥分发系统与流程

1.本发明涉及量子通信及超短激光脉冲产生技术领域，更具体的说，涉及一种激光脉冲生成系统及方法及量子密钥分发(quantum key distribution，qkd)系统。


背景技术：

2.qkd与经典密钥体系的根本不同在于其采用单个光子或纠缠光子对作为密钥的载体，由量子力学的基本原理保证了该过程的不可窃听、不可破译性，从而提供了一种更为安全的密钥体系。
3.单光子源是qkd系统的关键部件。由于当前技术条件的限制，标准的单光子源可以在实验室经过复杂的光路设计实现，但是在工程上暂无法应用。因此，工程上qkd系统中通常使用弱相干光源代替单光子源，并通过基于诱骗态的bb84协议保证qkd的安全性。随着qkd速率的提升，单光子探测器门宽逐渐变窄，对弱相干激光脉冲宽度要求也逐渐变窄。
4.目前，qkd的超短激光脉冲产生主要通过调制器驱动芯片驱动超高频三极管产生超短电流脉冲信号驱动半导体激光器实现。但是，使用调制驱动器芯片配合超高频三极管驱动半导体激光器产生超短激光脉冲的方式，其驱动电流受限于调制驱动器芯片输出电流和超高频三极管的饱和电流，其电流相对较小，并且其对超短脉冲产生电路生成的电学窄脉冲的宽度限制要求较高。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术提供了一种激光脉冲生成系统及方法及量子密钥分发系统，方案如下：
6.一种激光脉冲生成系统，包括：
7.高速脉冲驱动源，用于基于输入信号生成第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号为电学差分驱动信号；所述第一信号的相位与所述输入信号的相位相同，所述第二信号的相位与所述输入信号的相位相反；
8.第一交流耦合器，用于基于所述第一信号输出第一耦合信号；
9.第二交流耦合器，用于基于所述第二信号输出第二耦合信号；
10.超短脉冲生成单元，用于基于所述第一耦合信号以及经过延时处理的所述第二耦合信号输出超短电学脉冲；
11.低噪声放大器，用于对所述超短电学脉冲进行放大；
12.半导体激光器，用于基于放大后的所述超短电学脉冲输出高速超短激光脉冲。
13.优选的，在上述激光脉冲生成系统中，所述高速脉冲驱动源为具有差分输出的脉冲发生器，所述脉冲发生器的同相端输出所述第一信号，所述脉冲发生器的反相端输出所述第二信号，所述第一信号与所述第二信号为周期性或是随机性的电学差分驱动信号。
14.优选的，在上述激光脉冲生成系统中，所述脉冲发生器的最小脉冲时间间隔不小于2倍的设定阈值，所述设定阈值为所述激光脉冲生成系统中所有元件中最高工作频率的
倒数。
15.优选的，在上述激光脉冲生成系统中，所述第二交流耦合器与所述超短脉冲生成单元之间具有延时部件，所述延时部件用于对所述第二耦合信号进行延时处理。
16.优选的，在上述激光脉冲生成系统中，所述延时部件为延时芯片或pcb走线。
17.优选的，在上述激光脉冲生成系统中，所述第一交流耦合器与所述第二交流耦合器为电容耦合器或变压器耦合器。
18.优选的，在上述激光脉冲生成系统中，所述超短脉冲生成单元为双通道高速差分逻辑门芯片；
19.所述芯片中第一信号差分输入通道的正极与负电源连接，其负极接地；
20.所述芯片中第二信号差分输入通道的正极输入所述第一耦合信号，通过第一电阻与所述负电源连接，通过第二电阻接地，其负极通过第三电阻接地；
21.所述芯片中差分选择通道的正极输入经过延时处理的所述第二耦合信号，通过第四电阻与所述负电源连接，其负极通过第五电阻与所述负电源连接；
22.所述芯片的电源引脚输入第一可调节电压。
23.优选的，在上述激光脉冲生成系统中，所述低噪声放大器的射频输出端与所述半导体激光器的负极引脚连接，以为所述半导体激光器的负极引脚输入放大后的所述超短电学脉冲；
24.所述低噪声放大器的漏极供电引脚与所述半导体激光器的正极引脚均接入第二可调节电压；
25.所述低噪声放大器的栅极接入第三可调节电压。
26.优选的，在上述激光脉冲生成系统中，如果所述半导体激光器具有直流引脚，所述直流引脚连接一可调节恒流源；
27.如果所述半导体激光器不具有直流引脚，所述半导体激光器的负极引脚通过电感与一可调节恒流源连接。
28.优选的，在上述激光脉冲生成系统中，所述超短脉冲生成单元的输出端与所述低噪声放大器的输入端采用直流耦合。
29.本发明还提供了一种基于上述任一项所述激光脉冲生成系统的激光脉冲生成方法，包括：
30.基于输入信号生成第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号为电学差分驱动信号；所述第一信号的相位与所述输入信号的相位相同，所述第二信号的相位与所述输入信号的相位相反；
31.对所述第一信号进行交流耦合生成第一耦合信号，对所述第二信号进行交流耦合生成第二耦合信号；
32.基于所述第一耦合信号以及经过延时处理的所述第二耦合信号输出超短电学脉冲；
33.对所述超短电学脉冲进行放大；
34.基于放大后的所述超短电学脉冲输出高速超短激光脉冲。
35.本发明还提供了一种量子密钥分发系统，包括：
36.发射端，所述发射端用于对激光脉冲生成系统出射的光脉冲进行编码；其中，所述
发射端采用上述任一项所述激光脉冲生成系统；
37.接收端，所述接收端用于获取经过所述发射端编码后的光脉冲，对所述光脉冲进行解码，并对所述光脉冲进行探测。
38.通过上述描述可知，本发明技术方案提供的激光脉冲生成系统及方法及量子密钥分发系统中，所述激光脉冲生成系统包括：高速脉冲驱动源、第一交流耦合器、第二交流耦合器、超短脉冲生成单元、低噪声放大器以及半导体激光器。高速脉冲驱动源产生电学差分驱动信号中，与输入信号同相的第一信号经过交流耦合电路处理后形成第一耦合信号，输入到超短脉冲生成单元，与输入信号反相的第二信号经过交流耦合形成第二耦合信号，第二耦合信号再经过延时处理后，输入到超短脉冲生成单元。超短脉冲生成单元对输入的两路信号进行逻辑与的操作，其生成的电学脉冲宽度由两路输入信号的延时差决定。超短脉冲生成单元产生的超短电学脉冲经过低噪声放大器放大后驱动半导体激光器产生高速超短激光脉冲。可见，本发明技术方案提供了一种基于低噪声放大器的高速随机超短激光脉冲产生方案，解决了超短激光脉冲产生对电学脉冲的宽度限制要求高的难题，并且可以提升高速随机信号驱动半导体激光器产生超短激光脉冲的信号质量。
附图说明
39.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，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技术的实施例，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。
40.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
41.图1为本发明实施例提供的一种激光脉冲生成系统；
42.图2为本发明实施例提供的另一种激光脉冲生成系统的结构示意图；
43.图3为本发明实施例提供的一种激光脉冲生成方法的流程示意图；
44.图4为本发明实施例提供的一种qkd系统的结构示意图。
具体实施方式
45.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
46.如背景技术中所述，使用调制驱动器芯片配合超高频三极管驱动半导体激光器产生超短激光脉冲的方式，其驱动电流受限于调制驱动器芯片输出电流和超高频三极管的饱和电流，其电流相对较小，并且其对超短脉冲产生电路生成的电学窄脉冲的宽度限制要求较高。
47.为了解决上述问题，本发明技术方案中采用低噪声放大器作为半导体激光器产生
超短脉冲的驱动源，低噪声放大器是一种射频器件，高频特性好，噪声低、且可以输出较大的瞬态电流，非常适合作为半导体激光器产生超短脉冲的驱动源，可以非常方便地控制半导体激光器的驱动电流，极大地降低对超短电学脉冲的宽度限制要求，并且可以提升随机信号驱动半导体激光器产生超短激光的脉冲质量。其中，本发明实施例中，超短脉冲可以为脉冲时间宽度不超过百皮秒量级的脉冲。
48.为使本技术的上述目的、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技术作进一步详细的说明。
49.如图1所示，图1为本发明实施例提供的一种激光脉冲生成系统，所述激光脉冲生成系统包括：
50.高速脉冲驱动源11，所述高速脉冲驱动源11用于基于输入信号生成第一信号drv_sig_p和第二信号drv_sig_n，所述第一信号drv_sig_p和所述第二信号drv_sig_n为电学差分驱动信号；所述第一信号drv_sig_p的相位与所述输入信号的相位相同，所述第二信号drv_sig_n的相位与所述输入信号的相位相反；
51.第一交流耦合器12，所述第一交流耦合器12用于基于所述第一信号drv_sig_p输出第一耦合信号；
52.第二交流耦合器13，所述第二交流耦合器13用于基于所述第二信号drv_sig_n输出第二耦合信号；
53.超短脉冲生成单元14，所述超短脉冲生成单元14用于基于所述第一耦合信号以及经过延时处理的所述第二耦合信号输出超短电学脉冲；所述超短电学脉冲经过放大处理后，用于驱动激光器产生超短激光脉冲；
54.低噪声放大器15，所述低噪声放大器15用于对所述超短电学脉冲进行放大；
55.半导体激光器16，所述半导体激光器16用于基于放大后的所述超短电学脉冲输出高速超短激光脉冲。其中，本发明实施例中高速脉冲为上升沿在10ps-20ps的脉冲。
56.所述超短脉冲生成单元14的输出端与所述低噪声放大器15的输入端采用直流耦合的方式来降低随机驱动对信号质量的影响，所述超短脉冲生成单元14与所述低噪声放大器15的直流电平须保持基本一致，即二者直流电平相同或是近似相同。
57.本发明实施例所述激光脉冲生成系统为一种基于低噪声放大器15的高速随机超短激光脉冲产生方案，解决超短激光脉冲产生对电学脉冲的宽度限制要求高的难题，并且可以提升高速随机信号驱动半导体激光器16产生超短激光脉冲的信号质量。
58.其中，所述第二交流耦合器13与所述超短脉冲生成单元14之间具有延时部件，所述延时部件用于对所述第二耦合信号进行延时处理。
59.本发明实施例所述激光脉冲生成系统工作原理如下：
60.高速脉冲驱动源11产生周期性或者随机性电学差分驱动信号(即第一信号drv_sig_p和第二信号drv_sig_n)，与输入信号同相的第一信号drv_sig_p经过第一交流耦合器12处理后输入到超短脉冲生成单元14，与输入信号反相的第二信号drv_sig_n经过第二交流耦合器13处理后，经过延时器17进行延时处理，再输入到超短脉冲生成单元14。
61.超短脉冲生成单元14对输入的两路信号进行逻辑与的操作，其生成的电学脉冲宽度由两路输入信号的延时差决定。超短脉冲生成单元产生的超短电学脉冲经过低噪声放大器15放大后驱动半导体激光器16产生高速超短激光脉冲。
62.本发明实施例所述激光脉冲生成系统中，高速脉冲驱动源11根据激光脉冲生成系统需求可产生周期性或者随机性的电学差分驱动信号，其输出电学差分驱动信号的最小脉冲时间间隔根据激光脉冲生成系统需求进行配置，为了保证系统可靠性，最小脉冲时间间隔不小于系统中所有元件最高工作频率倒数的两倍。
63.所述高速脉冲驱动源11为具有差分输出的脉冲发生器，所述脉冲发生器的同相端输出所述第一信号，所述脉冲发生器的反相端输出所述第二信号，所述第一信号与所述第二信号为周期性或是随机性的电学差分驱动信号。其中，所述脉冲发生器的最小脉冲时间间隔不小于2倍的设定阈值，所述设定阈值为所述激光脉冲生成系统中所有元件中最高工作频率的倒数。
64.本发明实施例所述激光脉冲生成系统中，所述第一交流耦合器12与所述第二交流耦合器13为电容耦合器或变压器耦合器。也就是说，交流耦合可以采用电容进行信号耦合，也可以采用变压器等进行耦合，电容或变压器等耦合元件的选择与脉冲时间间隔相匹配，，并且考虑电路寄生参数的影响。
65.本发明实施例所述激光脉冲生成系统中，所述延时部件17为延时芯片或pcb走线。延时处理方式不局限于本发明实施例中所述方式，可以采用专用的延时芯片进行延时控制，也可以在印制电路板上进行走线延迟，还可以采用其他可实现的延时处理方式。
66.参考图2，图2为本发明实施例提供的另一种激光脉冲生成系统的结构示意图，基于图1所示方式，图2所示激光脉冲生成系统中，所述超短脉冲生成单元14为双通道高速差分逻辑门芯片，该芯片的速率不小于脉冲发生器的速率。
67.如图2所示，所述芯片中第一信号差分输入通道的正极d0_p与负电源连接vee，其负极接地。所述芯片中第二信号差分输入通道的正极d1_p输入所述第一耦合信号sig1_p，还通过第一电阻r1与所述负电源vee连接，还通过第二电阻r2接地，其负极d1_n通过第三电阻r3接地。所述芯片中差分选择通道的正极sel_p输入经过延时处理的所述第二耦合信号sig1_n，还通过第四电阻r4与所述负电源vee连接，其负极sel_n通过第五电阻r5与所述负电源vee连接。所述芯片的电源引脚vcc输入第一可调节电压vcc_adj。负电源vee的电压小于0v，如可以为-5v。
68.如图2所示，低噪声放大器15的主要功能是对超短脉冲生成单元14产生的超短电学脉冲进行放大。超短脉冲生成单元14的输出端out_p与低噪声放大器15的信号输入端rf_in直流耦合。所述低噪声放大器15的射频输出端rf_out与所述半导体激光器16的负极引脚ld-连接，以为所述半导体激光器16的负极引脚ld-输入放大后的所述超短电学脉冲。所述低噪声放大器15的漏极供电引脚vdd与所述半导体激光器16的正极引脚ld 连接，二者电位相同，二者均接入第二可调节电压vdd_adj。
69.其中，第二可调节电压vdd_adj电压值可以基于需求调节，可以根据应用情况进行设置。所述低噪声放大器15的栅极vgg接入第三可调节电压vgg_adj。第三可调节电压vgg_adj与第一可调节电压vcc_adj之间的电压关系由双通道高速差分逻辑门芯的输出电平标准确定。
70.如图2所示，所述半导体激光器16具有直流引脚dc，所述直流引脚dc连接一可调节恒流源18。
71.其他方式中，如果所述半导体激光器不具有直流引脚dc，即采用不带直流引脚dc
的半导体激光器，所述半导体激光器的负极引脚通过电感与一可调节恒流源连接。
72.通过上述描述可知，本发明实施例所述激光脉冲生成系统包括：高速脉冲驱动源11、两交流耦合器(12，13)、延时部件17、超短脉冲生成单元14、低噪声放大器15、半导体激光器16和可调节恒流源18。其中，超短脉冲生成单元14可以采用双通道高速差分逻辑门芯片实现，生成的脉冲宽度由两输入信号的延时差确定。超短脉冲生成单元14输出信号与低噪声放大器15输入之间采用直流耦合，直流电平通过调节低噪声放大器15的栅极电压进行匹配。低噪声放大器15的漏极vdd和半导体激光器16的正极引脚ld 共用电源，且为电压可调节电源。
73.本发明实施例所述激光脉冲生成系统为一种基于低噪放的高速随机超短激光脉冲生成方案，对于超短脉冲生成单元14产生的超短电学脉冲宽度限定要求降低，可以通过调节低噪声放大器15的放大能力来进行匹配。超短脉冲生成单元14输出信号与低噪声放大器15输入采用直流耦合，消除随机信号交流耦合时的直流波动，可以提升超短激光脉冲的信号质量。半导体激光器16的正极引脚ld 与低噪声放大器15的漏极vdd共用同一电源且电压大小可调节，可以容易地对半导体激光器16的电流进行连续控制。
74.基于上述实施例，本发明另一实施例还提供了一种基于上述实施例所述激光脉冲生成系统的激光脉冲生成方法，所述激光脉冲生成方法如图3所示。
75.参考图3，图3为本发明实施例提供的一种激光脉冲生成方法的流程示意图，所述激光脉冲生成方法包括：
76.步骤s11：基于输入信号生成第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号为电学差分驱动信号；所述第一信号的相位与所述输入信号的相位相同，所述第二信号的相位与所述输入信号的相位相反。
77.步骤s12：对所述第一信号进行交流耦合生成第一耦合信号，对所述第二信号进行交流耦合生成第二耦合信号。
78.步骤s13：基于所述第一耦合信号以及经过延时处理的所述第二耦合信号输出超短电学脉冲。
79.步骤s14：对所述超短电学脉冲进行放大。
80.其中，可以通过低噪声放大器对所述超短电学脉冲进行放大。
81.步骤s15：基于放大后的所述超短电学脉冲输出高速超短激光脉冲。
82.所述激光脉冲生成方法可以通过上述实施例所述激光脉冲生成系统实现所述激光脉冲生成方法，基于低噪声放大器产生高速随机超短激光脉冲，解决了超短激光脉冲产生对电学脉冲的宽度限制要求高的难题，并且可以提升高速随机信号驱动半导体激光器产生超短激光脉冲的信号质量。
83.基于上述实施例，本发明另一实施例还提供了一种基于上述实施例所述激光脉冲生成系统的qkd系统，所述qkd系统如图4所示。
84.参考图4，图4为本发明实施例提供的一种qkd系统的结构示意图，所述qkd系统包括：发射端21，所述发射端21用于对激光脉冲生成系统出射的光脉冲进行编码；其中，所述发射端21采用上述实施例所述激光脉冲生成系统；接收端22，所述接收端22用于获取经过所述发射端21编码后的光脉冲，对所述光脉冲进行解码，并对所述光脉冲进行探测。
85.所述qkd系统可以通过上述实施例所述激光脉冲生成系统产生光脉冲，所述光脉
冲为基于低噪声放大器产生高速随机超短激光脉冲，解决了超短激光脉冲产生对电学脉冲的宽度限制要求高的难题，并且可以提升高速随机信号驱动半导体激光器产生超短激光脉冲的信号质量。
86.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。对于实施例公开的激光脉冲生成方法及量子密钥分发系统而言，由于其与实施例公开的激光脉冲生成系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见激光脉冲生成系统对应部分说明即可。
87.需要说明的是，在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。
88.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。
89.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技术。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技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术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。