超短光脉冲技术和高速电光调制技术在量子密钥分发实验中的应用研究

摘要

量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD），是量子密码学重要的研究方向之一，其安全性是由量子力学的基本原理来保证的，是一种无条件安全的通信方式，在军事领域和经济领域具有广阔的应用前景。最近几年利用光纤信道和自由空间信道的量子密钥分发实验都取得了巨大的进展，为将来建立全球化的量子密钥分发网络打下了坚实的基础。
　　因为QKD实验中的单光子光源还不能真正的实用化，所以目前常用的做法是用高度衰减的弱相干光源来代替理想的单光子光源，而弱相干光源的光脉冲半高宽，光强的稳定性，光脉冲的重复频率等会直接影响QKD实验的成码率、误码率等。在本论文中，利用Gain switching技术设计出了光脉冲半高宽为80ps，光脉冲的重复频率达120MHz的激光器驱动电路，并基于此驱动电路设计了一套诱骗态量子光源，该诱骗态光源由四个VCSEL激光器和8路激光器驱动电路组成，分别产生BB84协议中的“H”，“V”，“+”，“-”四个态。在QKD系统中，信号态，诱骗态，真空态频率之和为100MHz，并且三种光脉冲的概率比为2∶1∶1。该诱骗态光源方案已成功应用于40km和96km自由空间QKD实验，以及20km浮空热气球平台QKD实验，并即将应用于某空间载荷量子密钥分发实验。
　　偏振编码方案是QKD实验的主要编码方案之一，电光调制器件普克尔盒在实验中常被用作偏振控制器，通过控制加载到普克尔盒两端的脉冲电压来控制光的偏振态。本论文采用了功率MOSFET的高速调制技术，设计出了可以产生高重复频率、高输出电压、快脉冲上升、下降沿的电光调制电路，又根据光秒实验、DPS-QKD实验、星地纠缠分发实验和海水信道的诱骗态QKD实验对高速普克尔盒调制电路的不同需求，分别设计了四个不同指标的驱动电路，下面将对这四个实验分别进行描述:
　　(1)光秒实验是一个模拟在地球与月球之间完成由人参与的Bell不等式检验实验，普克尔盒调制电路主要用来实现基矢的选择，设计的调制电路工作重复频率为10Hz，输出电压脉冲高达860V，高低电平持续时间可以达到秒量级。调制电路与光学联合测试，测试系统的消光比达到24.7dB。
　　(2) DPS-QKD实验是利用两列光脉冲进行干涉，来获得编码信息的相位编码方案，普克尔盒主要用来实现干涉仪两臂的延时控制，设计的调制电路输出电压脉冲高达2kV，工作的重复频率可以达到45kHz，与光路联合测试，测试系统的最终的消光比为23dB，满足了实验需求。
　　(3)星地纠缠分发实验是用来完成卫星平台和地面站之间的高速量子通信，普克尔盒主要用来实现主动基矢调节方案，调制电路设计重复频率为100kHz，输出高压脉冲幅度达到900V，电路测试结果满足了实验需求。
　　(4)海水信道的诱骗态QKD实验是通过海水信道来完成量子密钥分发实验。在实验中利用普克尔盒调制电路对532nm固体激光器进行外调制，产生了一个工作重复频率为1MHz，输出高压脉冲幅度达到800V的诱骗态量子光源，利用设计的诱骗态光源，完成了室内0.5m水槽的QKD实验，系统链路衰减为28dB，误码率为4.26％。
　　本论文的主要创新点如下：
　　1.将Gain switching技术成功应用于QKD实验，提高了系统的集成度和可靠性，极大的简化了系统的设计，降低了成本。基于该技术获得了半高宽为80ps，重复频率达到120MHz的光脉冲，并且驱动电路设计简单，不需要额外的光学设备。另外对诱骗态量子光源的设计方案进行了优化，减少了激光器的需求数量，简化了光路的设计。
　　2.把功率MOSFET的高速调制技术应用于QKD实验中的电光调制电路设计，设计出了高重复频率、高输出电压、快脉冲上升、下降沿、高消光比的电光调制电路。电光调制电路在光秒实验和DPS-QKD实验中得到了应用，具有可靠性高，设计灵活，成本低，设计方案相对简单的优点。
　　3.利用设计的高速电光调制电路，对532nm固体激光器进行了外调制，设计出了重复频率达到1MHz，消光比为20dB的诱骗态量子光源，并应用于海水信道的QKD实验中，也设计出了一套可用于水下实验的QKD的系统，使用该系统在室内完成了0.5m水槽的QKD实验，并进行了外场实验尝试，为后续工作的顺利进行打下一定基础。

目录

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摘要

第1章 引言

1．1 QKD实验的发展介绍

1．1．1 QKD实验的基本协议

1．1．2 基于不同信道的QKD实验进展

1．2 超短光脉冲技术在QKD实验中的应用

1．3 高速电光调制电路在QKD实验中的应用

1．3．1 高速电光调制器件介绍

1．3．2 高压脉冲产生电路设计方案调研

1．3．3 QKD实验中高速电光调制电路的设计

1．4 论文结构安排

第2章 QKD实验中的诱骗态量子光源

2．1 QKD实验中量子光源的系统设计

2．1．1 QKD实验中的弱相干光源的系统设计

2．1．2 QKD实验中的诱骗态光源的系统设计

2．2 诱骗态量子光源中驱动电路的设计

2．2．1 诱骗态量子光源中的半导体激光器

2．2．2 光源中的半导体激光器驱动电路

2．2．3 半导体激光器的温度控制电路

2．3 诱骗态量子光源中激光器驱动电路测试

2．3．1 激光器驱动电路测试平台

2．3．2 激光器直流特性曲线测试

2．3．3 激光器驱动电路动态调制测试

2．4 青海湖自由空间诱骗态量子密钥分发实验

2．4．1 量子密钥分发实验的设计介绍

2．4．2 40km转台模拟的诱骗态量子密钥分发实验

2．4．3 20km浮空热气球平台实验

2．4．4 96km自由空间量子密钥分发实验

2．5 小结

第3章 高速电光调制的电路设计

3．1 基于A类放大器的电光调制电路

3．2 高速电光调制电路设计的关键技术

3．3 高速电光调制电路的方案设计

3．3．1 高速电光调制电路设计

3．3．2 高速电光调制电路的仿真

3．4 高速电光调制电路测试结果

3．4．1 调制电路中驱动电信号的测试

3．4．2 调制电路的测试结果

3．4．3 调制电路散热方案设计

3．5 小结

第4章 高速电光调制电路在实验中的应用

4．1 电光调制电路在光秒实验中的应用

4．1．1 光秒实验介绍

4．1．2 电光调制电路在实验中的设计方案与仿真

4．1．3 光秒实验中高速电光调制电路测试

4．1．4 小结

4．2 高速电光调制电路在星地纠缠分发实验中的应用

4．2．1 星地纠缠分发实验方案设计

4．2．2 星地纠缠分发实验中电光调制电路的设计

4．2．3 星地纠缠分发实验电光调制电路电信号测试

4．3 高速电光调制电路在DPS-QKD实验中的应用

4．3．1 DPS-QKD实验介绍

4．3．2 DPS-QKD实验中高速电光调制电路的设计方案与仿真

4．3．3 DPS-QKD实验高速电光调制电路测试结果

4．4 小结

第5章 海水信道的诱骗态QKD实验

5．1 实验概述

5．2 实验的可行性分析

5．2．1 入射界面导致的误码率分析

5．2．2 入射界面对误码率的影响测试

5．2．3 水体衰减测试

5．2．4 水面反射率测试

5．3 海水信道的诱骗态QKD实验系统设计

5．3．1 海水信道的诱骗态QKD实验系统发射端设计

5．3．2 海水信道的诱骗态QKD实验系统接收端设计

5．4 海水信道的诱骗态QKD实验室内测试

5．4．1 实验系统效率、对比度测试

5．4．2 诱骗态QKD实验

5．5 小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 未来展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文