超短光脈沖技術(shù)和高速電光調(diào)制技術(shù)在量子密鑰分發(fā)實驗中的應(yīng)用研究.pdf

1、量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution，QKD），是量子密碼學(xué)重要的研究方向之一，其安全性是由量子力學(xué)的基本原理來保證的，是一種無條件安全的通信方式，在軍事領(lǐng)域和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。最近幾年利用光纖信道和自由空間信道的量子密鑰分發(fā)實驗都取得了巨大的進(jìn)展，為將來建立全球化的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)打下了堅實的基礎(chǔ)。
　　因為QKD實驗中的單光子光源還不能真正的實用化，所以目前常用的做法是用高度衰減的弱相干光源

2、來代替理想的單光子光源，而弱相干光源的光脈沖半高寬，光強的穩(wěn)定性，光脈沖的重復(fù)頻率等會直接影響QKD實驗的成碼率、誤碼率等。在本論文中，利用Gain switching技術(shù)設(shè)計出了光脈沖半高寬為80ps，光脈沖的重復(fù)頻率達(dá)120MHz的激光器驅(qū)動電路，并基于此驅(qū)動電路設(shè)計了一套誘騙態(tài)量子光源，該誘騙態(tài)光源由四個VCSEL激光器和8路激光器驅(qū)動電路組成，分別產(chǎn)生BB84協(xié)議中的“H”，“V”，“+”，“-”四個態(tài)。在QKD系統(tǒng)中，信號態(tài)，

3、誘騙態(tài)，真空態(tài)頻率之和為100MHz，并且三種光脈沖的概率比為2∶1∶1。該誘騙態(tài)光源方案已成功應(yīng)用于40km和96km自由空間QKD實驗，以及20km浮空熱氣球平臺QKD實驗，并即將應(yīng)用于某空間載荷量子密鑰分發(fā)實驗。
　　偏振編碼方案是QKD實驗的主要編碼方案之一，電光調(diào)制器件普克爾盒在實驗中常被用作偏振控制器，通過控制加載到普克爾盒兩端的脈沖電壓來控制光的偏振態(tài)。本論文采用了功率MOSFET的高速調(diào)制技術(shù)，設(shè)計出了可以產(chǎn)生高重

4、復(fù)頻率、高輸出電壓、快脈沖上升、下降沿的電光調(diào)制電路，又根據(jù)光秒實驗、DPS-QKD實驗、星地糾纏分發(fā)實驗和海水信道的誘騙態(tài)QKD實驗對高速普克爾盒調(diào)制電路的不同需求，分別設(shè)計了四個不同指標(biāo)的驅(qū)動電路，下面將對這四個實驗分別進(jìn)行描述:
　　(1)光秒實驗是一個模擬在地球與月球之間完成由人參與的Bell不等式檢驗實驗，普克爾盒調(diào)制電路主要用來實現(xiàn)基矢的選擇，設(shè)計的調(diào)制電路工作重復(fù)頻率為10Hz，輸出電壓脈沖高達(dá)860V，高低電平持續(xù)

5、時間可以達(dá)到秒量級。調(diào)制電路與光學(xué)聯(lián)合測試，測試系統(tǒng)的消光比達(dá)到24.7dB。
　　(2) DPS-QKD實驗是利用兩列光脈沖進(jìn)行干涉，來獲得編碼信息的相位編碼方案，普克爾盒主要用來實現(xiàn)干涉儀兩臂的延時控制，設(shè)計的調(diào)制電路輸出電壓脈沖高達(dá)2kV，工作的重復(fù)頻率可以達(dá)到45kHz，與光路聯(lián)合測試，測試系統(tǒng)的最終的消光比為23dB，滿足了實驗需求。
　　(3)星地糾纏分發(fā)實驗是用來完成衛(wèi)星平臺和地面站之間的高速量子通信，普克爾盒

6、主要用來實現(xiàn)主動基矢調(diào)節(jié)方案，調(diào)制電路設(shè)計重復(fù)頻率為100kHz，輸出高壓脈沖幅度達(dá)到900V，電路測試結(jié)果滿足了實驗需求。
　　(4)海水信道的誘騙態(tài)QKD實驗是通過海水信道來完成量子密鑰分發(fā)實驗。在實驗中利用普克爾盒調(diào)制電路對532nm固體激光器進(jìn)行外調(diào)制，產(chǎn)生了一個工作重復(fù)頻率為1MHz，輸出高壓脈沖幅度達(dá)到800V的誘騙態(tài)量子光源，利用設(shè)計的誘騙態(tài)光源，完成了室內(nèi)0.5m水槽的QKD實驗，系統(tǒng)鏈路衰減為28dB，誤碼率為4

7、.26％。
　　本論文的主要創(chuàng)新點如下：
　　1.將Gain switching技術(shù)成功應(yīng)用于QKD實驗，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性，極大的簡化了系統(tǒng)的設(shè)計，降低了成本。基于該技術(shù)獲得了半高寬為80ps，重復(fù)頻率達(dá)到120MHz的光脈沖，并且驅(qū)動電路設(shè)計簡單，不需要額外的光學(xué)設(shè)備。另外對誘騙態(tài)量子光源的設(shè)計方案進(jìn)行了優(yōu)化，減少了激光器的需求數(shù)量，簡化了光路的設(shè)計。
　　2.把功率MOSFET的高速調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于QKD實

8、驗中的電光調(diào)制電路設(shè)計，設(shè)計出了高重復(fù)頻率、高輸出電壓、快脈沖上升、下降沿、高消光比的電光調(diào)制電路。電光調(diào)制電路在光秒實驗和DPS-QKD實驗中得到了應(yīng)用，具有可靠性高，設(shè)計靈活，成本低，設(shè)計方案相對簡單的優(yōu)點。
　　3.利用設(shè)計的高速電光調(diào)制電路，對532nm固體激光器進(jìn)行了外調(diào)制，設(shè)計出了重復(fù)頻率達(dá)到1MHz，消光比為20dB的誘騙態(tài)量子光源，并應(yīng)用于海水信道的QKD實驗中，也設(shè)計出了一套可用于水下實驗的QKD的系統(tǒng)，使用該系