可實現(xiàn)時域脈沖平衡零拍探測器自動平衡的控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的自動控制，特別涉及一種可實現(xiàn)連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)接收端時域脈沖平衡零拍探測器的自動控制裝置，具體是一種可實現(xiàn)時域脈沖平衡零拍探測器兩臂快速精確自動平衡的控制裝置。
【背景技術(shù)】
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[0002]基于量子力學(xué)基本原理的量子通信，具有無條件的安全性，在國防、商業(yè)、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。量子密鑰分發(fā)是該領(lǐng)域內(nèi)最接近實際應(yīng)用的一個方向，按編碼所用物理量是光場的分離譜還是連續(xù)譜可分為分離變量和連續(xù)變量兩個方向。連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)無需單光子的產(chǎn)生與探測，受到了國內(nèi)外科研學(xué)者的廣泛關(guān)注，相關(guān)理論和實驗技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。
[0003]國內(nèi)外實驗小組現(xiàn)均已實現(xiàn)傳輸距離長達幾十公里的連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)，相關(guān)的樣機也有研制，但是該方向距實用化階段還有一定的距離，需要在減小體積，提高集成度，增強穩(wěn)定性，提高各器件性能等方面做大量的工作。時域脈沖平衡零拍探測器是連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)的接收器件，其穩(wěn)定性和精度直接關(guān)系著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和額外噪聲。采用光纖器件制作的時域平衡零拍探測器具有很好的穩(wěn)定性，探測器對兩臂的輸入平衡度要求較高，需達到萬分之一。隨著溫度等因素的變化，50/50保偏光纖耦合器的耦合比例隨時間緩慢飄移，特別是經(jīng)過長時間后，耦合比例發(fā)生較大的變化時（大于百分之一），將會導(dǎo)致探測器輸出飽和。該飽和現(xiàn)象不僅會導(dǎo)致探測器接收的信號嚴(yán)重失真，還會影響實時校準(zhǔn)的散粒噪聲精度，從而使系統(tǒng)產(chǎn)生較高的額外噪聲，甚至使通信系統(tǒng)產(chǎn)生安全漏洞。
[0004]為了避免探測器的輸出飽和，需手動調(diào)節(jié)可變彎曲光纖衰減器的衰減度，以避免探測器發(fā)生飽和?；趶澢饫w原理的衰減器具有衰減精度高的特點（萬分之一），能夠?qū)崿F(xiàn)探測器的兩臂精確平衡，但是目前尚無基于彎曲光纖原理的自動控制衰減器，也沒有實現(xiàn)時域脈沖平衡零拍探測器兩輸出臂自動平衡的控制裝置。
[0005]在實現(xiàn)探測器自動平衡方面，原理上還可以采用控溫方式，但是采取控溫的方法實現(xiàn)雙臂平衡的方法并不是十分有效，首先影響探測器雙臂平衡的并不是只有耦合器一個器件，還有光纖衰減器，光纖連接器等；其次耦合器隨溫度變化并沒有固定的函數(shù)曲線，而且不具有單調(diào)性，控制難度較大；此外控溫所需功耗較大，在為了避免振動而不使用風(fēng)扇的前提條件下，利用傳導(dǎo)散熱還會導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性；再者溫度是一個慢變量，利用控溫?zé)o法實現(xiàn)探測器雙臂的快速平衡。因此，我們沒有采用控溫去實現(xiàn)探測器兩輸出臂自動平衡。
[0006]當(dāng)前的直線步進電機具有較高的精度和穩(wěn)定性，利用其作為彎曲光纖的推動裝置，不僅可以實現(xiàn)衰減度的快速、精細變化，還可以實現(xiàn)自動控制，并具有功耗低，體積小，易于集成等特點，是實現(xiàn)探測器兩輸出臂自動平衡的較為理想的器件。
[0007]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題提供一種可實現(xiàn)時域脈沖平衡零拍探測器兩臂精確自動平衡的控制裝置，能夠避免由于耦合器比例發(fā)生較大變化而引起的探測器飽和，可使探測器工作在平衡點附近，具有較高的測量精度，實現(xiàn)了時域脈沖平衡零拍探測器長期穩(wěn)定運行，無需人工介入。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0008]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題提供一種可實現(xiàn)時域脈沖平衡零拍探測器兩臂精確自動平衡的控制裝置。該裝置能通過對零拍探測器輸出的信號進行采集處理，獲得反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前平衡度的參數(shù)，然后通過直線步進電機擠壓光纖繞成的圓環(huán)實現(xiàn)光強的精密衰減，進而實現(xiàn)時域脈沖平衡零拍探測器兩臂的快速精確的自動平衡。
[0009]本發(fā)明提供的一種可實現(xiàn)時域脈沖平衡零拍探測器兩臂精確自動平衡的控制裝置，包括50/50保偏光纖耦合器，電動可變光纖衰減器，時域脈沖平衡零拍探測器，脈沖采集電路與時鐘恢復(fù)電路，控制器，反饋信號輸出電路，90/10保偏光纖耦合器；外部輸入的信號光場和本地光場經(jīng)50/50保偏光纖耦合器耦合后輸出至?xí)r域脈沖平衡零拍探測器，電動可變光纖衰減器使時域脈沖平衡零拍探測器兩臂達到平衡；90/10保偏光纖耦合器從本地光場中提取小部分光信號，并將其輸入至脈沖采集電路與時鐘恢復(fù)電路；脈沖采集電路與時鐘恢復(fù)電路將采集的電信號輸出至控制器，并由控制器運行反饋算法，計算出施加于電動可變光纖衰減器的反饋信號；反饋信號通過反饋信號輸出電路施加在電動可變光纖衰減器上，實現(xiàn)時域脈沖平衡零拍探測器的自動平衡。
[0010]所述的電動可變光纖衰減器，包括電機驅(qū)動器，直線步進電機，第一固定塊，可動滑塊，第二固定塊，底座，滑桿，螺桿，一對光纖固定夾具和光纖圓環(huán)；直線步進電機具有低功耗、低振動、小噪聲、高速度和高精度的特點，可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制；電機驅(qū)動器驅(qū)動直線步進電機、螺桿轉(zhuǎn)動，使可動滑塊進退，改變光纖圓環(huán)的曲率半徑。所述的光纖圓環(huán)由50/50保偏光纖耦合器的尾纖繞制而成。
[0011]所述的脈沖采集電路與時鐘恢復(fù)電路，包括寬帶探測器，高速比較器，脈寬調(diào)制芯片，時鐘延時芯片，穩(wěn)壓源，電位器，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；寬帶探測器使光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖，該電脈沖經(jīng)高速比較器后輸出矩形脈沖，然后再經(jīng)過脈寬調(diào)制芯片與時鐘延時芯片后輸出可調(diào)脈寬、可精確延時的時鐘信號，該時鐘信號作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的觸發(fā)信號，使其能夠精確采集光場的正交分量值；穩(wěn)壓源與電位器組合后向高速比較器提供可調(diào)比較電壓。
[0012]所述的反饋算法，采用數(shù)字濾波的方法濾除探測結(jié)果中含有的散粒噪聲，并計算出時域脈沖平衡零拍探測器的平衡度，根據(jù)平衡度采用可變步長，然后將步長值轉(zhuǎn)換為電機驅(qū)動器可識別的反饋信號。
[0013]所述的90/10保偏光纖耦合器，可用其它耦合比例的保偏光纖耦合器替代，需確保進入到時域脈沖平衡零拍探測器的光場具有足夠的功率，且脈沖采集電路與時鐘恢復(fù)電路能夠正常工作。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和效果：
[0015]現(xiàn)有的實現(xiàn)時域脈沖平衡零拍探測器兩輸出臂平衡的方法主要是采用手動調(diào)節(jié)可變光纖衰減器的辦法，缺點主要是需要人工不斷介入，調(diào)節(jié)時間慢，無法自動快速實現(xiàn)平衡，從而導(dǎo)致連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)不能長時間運行。
[0016]本發(fā)明采用精密的直線步進電機推動可變光纖衰減器，結(jié)合脈沖采集與時鐘恢復(fù)電路，反饋控制電路等可實現(xiàn)探測器兩輸出臂快速精確地自動平衡，能夠避免由于耦合器比例發(fā)生較大變化而引起的探測器飽和，可使探測器工作在平衡點附近且具有較高的測量精度，可確保時域脈沖平衡零拍探測器長期穩(wěn)定運行。
【附圖說明】
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[0017]圖I自動平衡裝置原理圖
[0018]圖2電動可變光纖衰減器原理圖
[0019]圖3脈沖采集電路與時鐘恢復(fù)電路原理圖
[0020]圖4探測器輸出的散粒噪聲與精確延時的時鐘[0021 ]圖5反饋算法流程圖
[0022]圖6探測器兩臂的平衡過程
【具體實施方式】
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[0023]圖I所示的是一種可實現(xiàn)時域脈沖平衡零拍探測器兩臂精確自動平衡的控制裝置，包括50/50保偏光纖耦合器I，電動可變光纖衰減器2，時域脈沖平衡零拍探測器3，脈沖采集電路與時鐘恢復(fù)電路4，控制器5，反饋信號輸出電路6，90/10保偏光纖耦合器7。外部輸入的信號光場和本地光場經(jīng)50/50保偏光纖耦合器耦合后輸出至?xí)r域脈沖平衡零拍探測器，電動可變光纖衰減器采用精密直線步進電機擠壓光纖圓環(huán)的原理對光功率較高一臂的光場進行衰減，使時域脈沖平衡零拍探測器兩臂達到平衡；時域脈沖平衡零拍探測器輸出的脈沖峰值正比于信號光場的正交分量，90/10保偏光纖耦合器用于從本地光場中提取小部分光信號，并將其輸入至脈沖采集電路與時鐘恢復(fù)電路，產(chǎn)生與本地光場同步的時鐘信號；脈沖采集電路與時鐘恢復(fù)電路將采集的電信號輸出至控制器，經(jīng)過反饋算法處理后計算出施加于電動可變光纖衰減器的反饋信號；反饋信號通過反饋信號輸出電路施加在電動可變光纖衰減器上，實現(xiàn)時域脈沖平衡零拍探測器的自動平衡。需要注意的是具體實施過程中使用的是基于前置電荷放大器的時域脈沖平衡零拍探測器，該類探測器的脈沖峰值正比于光場的正交分量，只需采集電脈沖的峰值信號。如果采用了基于前置電壓或電流放大器的時域脈沖平衡零拍探測器，需根據(jù)入射脈沖的時間寬度和探測器的帶寬來決定是采集脈沖峰值還是采集整個脈沖并對脈沖面積進行積分。
[0024]圖2所不是可變光纖發(fā)減器的原理圖，圖中的上圖為主視不意圖，下圖為俯視不意圖，具體包括電機驅(qū)動器8，直線步進電機9，第一固定塊10、第二固定塊12，可動滑塊11，底座13，滑桿14，螺桿15，光纖固定夾具16和光纖圓環(huán)17。光纖圓