便携式光源位置自动校准系统及校准方法

摘要

本发明提供了一种便携式光源位置自动校准系统，包括光电转换模块、时间测量模块、位置偏移计算模块、延时控制模块、板级通信接口、系统开关，光电转换模块与时间测量模块相连接，位置偏移计算模块与时间测量模块和延时控制模块相连接，系统开关与延时控制模块相连，延时控制模块的对外接口为板级通信接口，延时控制模块与需要校准的QKD发送方装置通过板级通信接口连接，QKD发送方装置输出的光信号连接至光电转换模块。上述各模块均集成在一块单板上。本发明还提供了一种采用便携式光源位置自动校准系统进行校准的方法。本发明的优点在于：操作简单灵活、可重复进行，成本低，效率高，方便移动，符合工业化和产品化的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及量子保密通信领域，尤其是一种校准量子密钥分发 （QKD）中光源位置的系统及方法，具有量子密钥分发设备在工业 化和产品化方面的实用性。

背景技术

量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）与经典密钥体 系的根本不同在于，其采用光子的不同量子态作为密钥的载体，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。

在目前实用QKD系统中，发送方的设计一般包括主控制部分和 光源发送部分，如图1所示。主控制部分控制光源驱动信号的产生， 并且该信号经过延时单元后，输出给光源发送部分的激光器。各路激 光器产生的光脉冲经过光路模块的合束后，最终形成一路光信号，再 经过光纤传输至系统的接收方。

现实中基于弱相干光源的QKD系统，由于仪器设备的不完美和 传输信道损耗的存在，给光子数分离（PNS）攻击提供了可乘之机。 为了抵抗这种攻击，发送方Alice在真实的信号之间加入一定比例的 诱骗态信号（图2中幅度较低的为诱骗态信号）发送给接收方Bob， 通信双方通过测量和比较诱骗态信号的传输特性来检测是否存在 PNS攻击。在系统安全性方面，QKD系统的发送方在每个发光时刻 上随机选择不同的信号态或诱骗态进行发送，但是如果各路光脉冲到 达系统接收方时，相对位置不稳定，就会给窃听者留下攻击QKD系 统的漏洞，攻击者能根据光脉冲到达的不同时刻判断出哪些是信号 态，哪些是诱骗态，从而只针对信号态进行PNS攻击，这样诱骗态 的使用便失去了意义。

因此，为保证系统的安全性，要求接收方接收到的光脉冲具有时 间上的不可分辨性，即当发送方按固定的周期产生各路光源驱动信号 时，最终在光纤上传输的也应是一串具有固定的周期的光脉冲信号； 若通过示波器余辉模式观察，各路光脉冲的位置应保持一致，如图2 所示。然而，实际的系统中，发送方发射的光信号经过光路，由于不 同的路径差，最终通过光纤传输时，各路光脉冲之间的相对位置是不 固定的，如图3所示。

从主控制部分出口处的光源驱动信号到最终在光纤上传输的光 脉冲信号，这之间的路径上引起时延误差的因素主要包括(图1所示)：

1）主控制部分出口处的光源驱动信号到激光器之间的路径（1）， 由于PCB布线或是其他传输介质等因素的影响，会存在不精确相等；

2）激光器的尾纤（2）的长度不严格相等；

3）光路模块中各种光学器件（3）引起的不同延时。

基于上述，为保证量子密钥分发系统的安全性，出厂前，每一台 QKD设备均需要校准光源位置。如图4所示，现有的技术方案中， 在校准光源位置时，配合使用外部辅助测量设备（如示波器、单光子 探测器等），通过PC机控制软件，人工手动下发延时单元的延时值， 最终使得经光路模块输出到光纤上的各路光脉冲信号满足时间上不 可分辨的要求。

现有技术存在的主要缺点如下：

1）需要高精度的外部辅助测量设备（如示波器、单光子探测器 等）做支持，成本比较高；

2）外部辅助测量设备通常不方便移动，需要配合PC机上的控 制软件才能完成校准工作，操作不够灵活便捷；

3）手动下发的延时值是通过观察示波器上的信号波形，或通过 统计单光子探测器的最大计数得到的一个估计值，往往需要进行多次 这样的手动校准操作才能达到要求，且一次只能对一路光源位置进行 校准，对多路光源位置的校准需要逐次进行，因而整个校准的过程比 较耗时，工作量较大，可重复性较差，操作较复杂。

发明内容

本发明提出了一种成本低、操作简单灵活的便携式光源位置自动 校准系统，在QKD运行之前，利用该系统通过自动设置各路延时值 的方式，完成对各路光源位置的同时校准。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

请参阅图5所示，本发明便携式光源位置自动校准系统包括：光 电转换模块、时间测量模块、位置偏移计算模块、延时控制模块、板 级通信接口和系统开关。

光电转换模块与时间测量模块相连接，位置偏移计算模块与时间 测量模块和延时控制模块相连接，系统开关与延时控制模块相连，延 时控制模块的对外接口为板级通信接口。

进一步地，所述便携式光源位置自动校准系统还包括校准结果指 示LED,校准结果指示LED与位置偏移计算模块相连。

该光源位置自动校准系统为便携式系统，上述光电转换模块、时 间测量模块、位置偏移计算模块、延时控制模块、板级通信接口、校 准结果指示LED和系统开关均集成在一块单板上实现。

当对QKD发送方装置进行光源位置校准时，延时控制模块与 QKD发送方装置通过板级通信接口连接，QKD发送方装置输出的光 信号连接至便携式光源位置自动校准系统的光电转换模块，根据 QKD发送方装置的用于校准的光源驱动信号的关键参数，对位置偏 移计算模块进行相应的逻辑设置，使其配合时间测量模块，实现对多 路光源位置的同时校准。延时控制模块接收位置偏移计算模块输出的 各路光脉冲所需设置的延时值，然后通过板级通信接口发送给QKD 发送方装置。当系统开关刚开启时，延时控制模块产生启动信号并发 送给QKD发送方装置，使其开始产生用于校准的光源驱动信号，按 照用于校准的光源驱动信号的关键参数同时产生若干路光脉冲。

光电转换模块将光信号转换为电信号后传递给时间测量模块。时 间测量模块接收位置偏移计算模块提供的起始信号，并将光电转换模 块输出的信号作为停止信号，测量得到停止信号和起始信号之间的时 间差作为测量结果。位置偏移计算模块向时间测量模块提供起始信 号，获取时间测量模块的测量结果，并根据该测量结果计算出各路光 脉冲所需设置的延时值，然后将各延时值送至延时控制模块，并且位 置偏移计算模块根据计算得到的各路光脉冲所需设置的延时值、校准 精度以及预先设定的校准次数阈值，给出系统校准是否合格的指示信 号。若在预先设定的校准次数阈值内，计算得到的各路光脉冲所需设 置的延时值在校准精度以内，则校准合格；若在达到预先设定的校准 次数阈值后，计算得到的任意一路光脉冲所需设置的延时值仍然大于 校准精度，则校准不合格。

所述光电转换模块优选采用光电管，输入光脉冲的平均功率应在 光电管的正常响应范围之内。

所述时间测量模块优选采用单片机、FPGA、DSP或者TDC芯片。

所述位置偏移计算模块优选采用单片机、FPGA或者DSP。

所述延时控制模块优选采用单片机、FPGA或者DSP。

所述板级通信接口优选采用串口、USB接口或者IIC总线接口。

所述用于校准的光源驱动信号的关键参数包括频率和码型。

所述用于校准的各路光源驱动信号的码型是互相正交的。

本发明还提供了一种采用上述便携式光源位置自动校准系统进 行校准的方法，包括如下步骤：

步骤1：设置QKD发送方装置的用于校准的光源驱动信号的关 键参数，包括频率、码型，用于校准的各路光源驱动信号的码型是互 相正交的；

步骤2：对位置偏移计算模块进行逻辑设置，根据QKD发送方 装置的用于校准的光源驱动信号的关键参数，来设置起始信号频率和 停止信号频率；

步骤3：将延时控制模块通过板级通信接口连接至QKD发送方 装置，再将QKD发送方装置输出的光信号连接至该便携式光源位置 自动校准系统的光电转换模块；

步骤4：系统上电后，开启系统开关，延时控制模块产生启动信 号，使得QKD发送方装置开始产生用于校准的光源驱动信号，按照 用于校准的各路光源驱动信号的关键参数同时产生若干路光脉冲，各 路光脉冲的初始延时值为0；

步骤5：光电转换模块接收QKD发送方装置输出的各路光脉冲 信号，将其转化为电信号后输出至时间测量模块，作为时间测量模块 的停止信号；

步骤6：位置偏移计算模块提供时间测量模块的起始信号，时间 测量模块测量出停止信号相对于起始信号的时间差作为测量结果；

步骤7：时间测量模块将步骤5的测量结果发送到位置偏移计算 模块，位置偏移计算模块根据预期延时值，以及相邻两个光脉冲停止 信号的时间差应相同且为一设定值的原则，计算得到各路光脉冲信号 所需设置的延时值；

步骤8：位置偏移计算模块将计算得到的各路光脉冲信号所需设 置的延时值发送给延时控制模块，然后延时控制模块将这些延时值通 过板级通信接口发送给QKD发送方装置；

步骤9：延时值下发后，重复步骤4-6，若位置偏移计算模块计 算得到的各路光脉冲信号所需设置的延时值在校准精度以内，且校准 次数未超出预先设定的校准次数阈值，则校准合格，给出光源位置校 准合格的指示信号；若计算得到的任意一路光脉冲信号所需设置的延 时值大于校准精度，且校准次数小于预先设定的校准次数阈值，则重 复步骤7-8；若在达到预先设定的校准次数阈值后，计算得到的任意 一路光脉冲信号所需设置的延时值仍然大于校准精度，则校准不合 格，给出光源位置校准异常的指示信号。

本发明的有益效果包括：

（1）采用位置偏移计算模块，根据QKD发送方装置的用于校 准的光源驱动信号的关键参数，设置合理的起始信号频率和停止信号 频率，配合时间测量模块，单次便可计算并确定多路光脉冲信号所需 设置的延时值，从而实现对多路光源位置的同时校准，工作效率高。

（2）工作前只需对该系统进行简单的逻辑设置，便可自动完成 对光源位置的校准，校准过程中无需人工干预，操作简单灵活、可重 复进行。

（3）该系统所有功能模块均可集成在一块单板上实现，方便移 动和操作。

（4）采用普通光电管，结合简单的可编程芯片，即可实现该系 统的主要功能模块，成本低。

（5）通过LED指示灯来显示光源位置校准是否合格，简单直观。

附图说明

图1是现有QKD系统的发送方示意图。

图2是时间上不可分辨的光脉冲位置示意图。

图3是时间上可分辨的光脉冲位置示意图。

图4是现有的光源位置校准方案示意图。

图5是本发明便携式光源位置自动校准系统的结构原理框图。

图6是使用本发明便携式光源位置自动校准系统进行校准的实 施例原理框图。

图7是TDC测量起始信号和停止信号示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例采用基于偏振编码、BB84协议、诱骗态光源的QKD 系统。QKD发送方需要发送四种不同偏振态的光子，每种偏振态的 光子又包含信号（signal）态和诱骗（decoy）态两种，即共需发送8 种光，对应8路光脉冲，可分别表示为h_s、v_s、p_s、n_s、h_d、 v_d、p_d、n_d。其中，decoy态的光强比signal态的光强要弱。QKD 发送方按固定的周期在每个发光时刻上选用这8路光脉冲中的一种 进行发送，所以在时间轴上看来，最终在光纤上传输的所有光脉冲应 该合成一束具有固定的周期的光脉冲信号；如果最终在光纤上传输的 各路光脉冲的相对位置不稳定，就需要对8路光脉冲的位置进行校 准，以满足时间上不可分辨的要求。

如图6所示，是使用本发明便携式光源位置自动校准系统进行校 准的实施例原理框图。

该光源位置自动校准系统为便携式系统，各功能模块均集成在一 块单板上实现。光电转换模块采用普通光电管即可，只要使输入光脉 冲的平均功率在光电管的正常响应范围之内就行。时间测量模块、位 置偏移计算模块和延时控制模块均可采用单片机、FPGA、DSP等可 编程芯片来实现；时间测量模块亦可选用测量精度较高的专用芯片。 板级通信接口可采用串口、USB接口或者IIC总线接口来实现。本实 施例中，光电转换模块采用InGaAs PIN-TIA探测器，其工作比较稳 定的优选条件是输入光脉冲的平均功率在-52dBm～-37dBm；时间测 量模块采用TDC芯片；位置偏移计算模块和延时控制模块在一片 FPGA内部实现；系统开关设计为拨码开关；板级通信接口采用RS232 串口。

采用该便携式光源位置自动校准系统对QKD发送方装置进行校 准的方法包括如下步骤：

步骤1：首先设置QKD发送方装置的用于校准的光源驱动信号 的关键参数，包括频率、码型，本实施例中，设置用于校准的光源驱 动信号的频率为40MHz，设置用于校准的各路光源驱动信号的码型 如下：

第一路码型为：10000000，

第二路码型为：01000000，

第三路码型为：00100000，

第四路码型为：00010000，

第五路码型为：00001000，

第六路码型为：00000100，

第七路码型为：00000010，

第八路码型为：00000001，

码型中每一位数字代表光脉冲的一个时间位置，数字值为1或0 代表在该时间位置上是否产生该路光脉冲信号，相邻时间位置的间隔 由用于校准的光源驱动信号的频率决定，在本实施例中即为25ns；

第一路码型为：10000000，即代表在第一个时间位置上产生第一 路光脉冲信号，在第2到第8个时间位置上都不产生第一路光脉冲信 号，其余路码型的意义类似；

用于校准的各路光源驱动信号的码型应当是互相正交的，码型互 相正交的意义代表所产生的各路光脉冲在时间上不交叠，可将第k路 码型用多元矢量(S_k)表示，码型中每一位数字对应该矢量的一个坐 标，则正交性可由下式判断：(S_i)·(S_j)=0，其中i,j=1,2,…,8且 i≠j，符号“·”代表矢量的标量积运算；

步骤2：对位置偏移计算模块进行简单的逻辑设置，如起始信号 频率、停止信号频率、预期延时值、校准精度、校准次数阈值等参数； 其中，停止信号频率一般设置为QKD发送方装置的用于校准的光源 驱动信号的频率，起始信号频率则根据用于校准的光源驱动信号的频 率和码型位数来设置；

步骤3：将延时控制模块通过RS232串口连接至QKD发送方装 置的主控制部分，再将QKD发送方装置输出的光信号连接至该便携 式光源位置自动校准系统的光电转换模块；

步骤4：系统上电后，系统开关拨到ON档位上，延时控制模块 产生启动信号，使得QKD发送方装置开始产生用于校准的光源驱动 信号，按照用于校准的各路光源驱动信号的码型及频率（40MHz）同 时产生8路光脉冲（h_s、v_s、p_s、n_s、h_d、v_d、p_d、n_d），各 路光脉冲的初始延时值为0，本实施例中，QKD发送方装置的输出 光脉冲平均功率为-34dBm；

步骤5：光电转换模块接收QKD发送方装置输出的各路光脉冲 信号，将其转化为电信号后输出至TDC芯片，作为TDC芯片的停止 信号；

步骤6：位置偏移计算模块提供TDC芯片的起始信号，该实施 例中，与用于校准的40MHz光源驱动信号和位数为8的码型相对应， 起始信号采用频率为5MHz的脉冲信号，以实现对8路光脉冲信号的 单次测量，TDC芯片测量出停止信号相对于起始信号的时间差作为 测量结果，如图7所示，由于光路传输等因素的影响，停止信号位置 可能发生偏移，需要对其进行校准，使其频率尽量与用于校准的光源 驱动信号的频率一致，即相邻两个停止信号之间应相隔25ns，为用于 校准的光源驱动信号频率40MHz的倒数，如果起始信号与第一个停 止信号（h_s）的时间差是10ns，则与第二个停止信号（v_s）的时间 差应该是35ns，与第三个停止信号的时间差（p_s）应该是60ns，依 次类推；

步骤7：TDC芯片将步骤5的测量结果发送到位置偏移计算模块， 如表1所示，8路光的测量结果（单位ns）分别是1.00、25.50、49.50、 75.00、99.00、124.00、150.00、176.50，位置偏移计算模块根据预期 延时值，以及相邻两个光脉冲信号的时间差应为25ns的原则，计算 得到各路光脉冲信号应该分别设置的延时值（单位ns）为4.00、4.50、 5.50、5.00、6.00、6.00、5.00、3.50；

步骤8：位置偏移计算模块将计算得到的各路光脉冲信号所需设 置的延时值发送给延时控制模块，然后延时控制模块将这些延时值通 过RS232串口发送给QKD发送方装置；

步骤9：延时值下发后，重复步骤4-6，即TDC芯片再次测量8 路光脉冲信号所对应的停止信号相对于起始信号的时间差，如表1所 示，若位置偏移计算模块得到的TDC芯片的再次测量结果（单位ns） 分别为5.00、29.95、54.97、79.98、104.97、129.99、154.98、179.98， 相应地计算得到各路光脉冲信号应该分别设置的延时值（单位ns）为 0.00、0.05、0.03、0.02、0.03、0.01、0.02、0.02，在校准精度（本实 施例为50ps）以内，且校准次数未超出预先设定的校准次数阈值（本 实施例为3），则校准合格，给出光源位置校准合格的指示信号；若 再次计算得到的任意一路光脉冲信号所需设置的延时值大于50ps，且 校准次数小于3次，则重复步骤7-8，即进行再次校准；若在达到3 次校准次数后，计算得到的任意一路光脉冲信号所需设置的延时值仍 然大于50ps，则校准不合格，给出光源位置校准异常的指示信号。

该实施例中，校准结果指示LED包含一个绿色LED和一个红色 LED，若绿色LED点亮，则表明校准完成，结果合格；若红色LED 点亮，则表明出现异常，无法完成校准。

表1  校准过程中的TDC测量值及计算得到的所需设置延时值对照表

实施例二：

本实施例采用基于偏振编码、B92协议，非诱骗态光源的QKD 系统。QKD发送方需要发送两种不同偏振态（H，+）的光子，对应 两路光脉冲，需要对这两路光脉冲的位置进行校准。

步骤1：首先设置QKD发送方装置的用于校准的光源驱动信号 的关键参数，包括频率、码型，本实施例中，设置用于校准的光源驱 动信号的频率为20MHz，设置用于校准的各路光源驱动信号的码型 如下：

第一路码型为：11000，

第二路码型为：00111；

步骤2：对位置偏移计算模块进行简单的逻辑设置，如起始信号 频率、停止信号频率、预期延时值、校准精度、校准次数阈值等参数； 其中，停止信号频率一般设置为QKD发送方装置的用于校准的光源 驱动信号的频率，起始信号频率则根据用于校准的光源驱动信号的频 率和码型位数来设置；

步骤3：将延时控制模块通过RS232串口连接至QKD发送方装 置的主控制部分，再将QKD发送方装置输出的光信号连接至该便携 式光源位置自动校准系统的光电转换模块；

步骤4：系统上电后，系统开关拨到ON档位上，延时控制模块 产生启动信号，使得QKD发送方装置开始产生用于校准的光源驱动 信号，按照用于校准的各路光源驱动信号的码型及频率（20MHz）同 时产生2路光脉冲H和+，2路光脉冲的初始延时值为0，本实施例 中，QKD发送方装置的输出光脉冲平均功率为-34dBm；

步骤5：光电转换模块接收QKD发送方装置输出的各路光脉冲 信号，将其转化为电信号后输出至TDC芯片，作为TDC芯片的停止 信号；

步骤6：位置偏移计算模块提供TDC芯片的起始信号，该实施 例中，与用于校准的20MHz光源驱动信号和位数为5的码型相对应， 起始信号采用频率为4MHz的脉冲信号，以实现对2路光脉冲信号的 测量，TDC芯片测量出停止信号相对于起始信号的时间差作为测量 结果，由于光路传输等因素的影响，停止信号位置可能发生偏移，需 要对其进行校准，使其频率尽量与用于校准的光源驱动信号的频率一 致，即相邻两个停止信号之间应相隔50ns，为用于校准的光源驱动信 号频率20MHz的倒数，如果起始信号与第一个停止信号（H1）的时 间差是10ns，则与第二个停止信号（H2）的时间差应该是60ns，与 第三个停止信号的时间差（+1）应该是110ns，依次类推；

步骤7：TDC芯片将步骤5的测量结果发送到位置偏移计算模块， 如表2所示，2路光所对应的5个光脉冲信号的测量结果（单位ns） 分别是2.00、52.00、97.50、147.50、197.50，位置偏移计算模块根据 预期延时值，以及相邻两个光脉冲信号的时间差应为50ns的原则， 计算得到2路光脉冲信号H和+应该分别设置的延时值（单位ns）为 3.00、7.50；

在本次测量中，前两个测量结果属于同一个码型，即前两个光脉 冲信号H1和H2属于同一路光脉冲信号，H1和H2的测量结果应当 非常严格地相差50ns的整数倍；后三个测量结果属于另一个码型， 即后三个光脉冲信号+1、+2和+3同属于另一路光脉冲信号，其测量 结果也应当非常严格地相差50ns的整数倍；即同一个码型内的测量 结果应当非常严格地相差50ns的整数倍，否则，校准无意义；

步骤8：位置偏移计算模块将计算得到的各路光脉冲信号所需设 置的延时值发送给延时控制模块，然后延时控制模块将这些延时值通 过RS232串口发送给QKD发送方装置；

步骤9：延时值下发后，重复步骤4-6，即TDC芯片再次测量2 路光脉冲信号所对应的停止信号相对于起始信号的时间差，如表2所 示，若位置偏移计算模块得到的TDC芯片的再次测量结果（单位ns） 分别为5.00、55.00、104.92、154.92、204.92，相应地计算得到2路 光脉冲信号应该分别设置的延时值（单位ns）为0.00、0.08，在校准 精度（本实施例为100ps）以内，且校准次数未超出预先设定的校准 次数阈值（本实施例为3），则校准合格，给出光源位置校准合格的 指示信号；若再次计算得到的任意一路光脉冲信号所需设置的延时值 大于100ps，且校准次数小于3次，则重复步骤7-8，即进行再次校 准；若在达到3次校准次数后，计算得到的任意一路光脉冲信号所需 设置的延时值仍然大于100ps，则校准不合格，给出光源位置校准异 常的指示信号。

表2  校准过程中的TDC测量值及计算得到的所需设置延时值对照表

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发 明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替 换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。