一种脉冲光相位随机性检测装置及方法

技术领域

本发明涉及保密通讯技术领域，特别地涉及一种脉冲光相位随机性检测装置及方法。

背景技术

在量子保密通讯领域，有别于传统的、对信息本身进行加密传输的保密通信系统，QKD(Quantum Key Distribution，量子密钥分发)系统是一种对信息物理层进行加密而实现保密通信的系统，即在通信过程中对携带信息的载体进行加密。

以光纤中量子密钥分发系统为例，QKD系统采用单光子脉冲作为载体，通过对单光子脉冲本身进行加密，从而将经典的0和1二进制比特信息传输出去。因而，QKD系统利用单光子脉冲的发送和接收设备来实现信息物理层加密的保密通信。在量子密钥分发过程中，任何针对密钥的窃听，都需要对单光子脉冲构成的量子态进行测量，但根据量子力学的不可克隆原理，任何测量都会改变量子态本身，造成高误码率，从而使窃听者被发现。

在QKD系统的发展过程中，人们做出了一步步的探索，先后出现了BB84协议、Ekert91协议、BBM92协议、诱骗态协议及测量设备无关的量子密钥分发协议(Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution，MDI-QKD)等。在实际的工程应用中，QKD系统的主流方式是基于诱骗态BB84协议实现量子保密通信，其中的光源是量子保密通信QKD系统中的重要组成部分。由于目前对理想单光子光源的制备条件不成熟，普遍采用经过衰减的弱相干脉冲光源作为量子通信中的光源。基于诱骗态BB84协议，要求脉冲光源的相位是随机的。目前脉冲光源的制备方式分为内调制方式和外调制方式。在理论上，前者得到脉冲光源的相位是随机性的，后者得到脉冲光源的相位是固定的，后者可以通过增加相位随机化模块以得到相位随机性的脉冲光源。无论采用哪一种制备方式，目前都没有对制备的结果进行检测的仪器和方法，因此设计一种方法和装置来检测脉冲光源的相位随机性在量子保密通信中至关重要。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种脉冲光相位随机性检测装置及方法，用以检测脉冲光源的相位随机性。

为了解决现有技术中的技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种脉冲光相位随机性检测装置，包括干涉模块、探测采集模块和分析模块，其中，所述干涉模块经配置以与待测光源连接，将待测光源发出的相位随机的原始脉冲光信号分束为多束光信号，使所述多束光信号发生干涉以获取干涉光信号，其中，分束后的多束光信号中任意两束光信号的光程差△L＝nT，T为脉冲光信号周期，n为大于0的自然数；所述探测采集模块经配置以探测并采集所述干涉光信号，以获得预定时间段内干涉光信号的脉冲峰值幅值；所述分析模块经配置以计算每一峰值幅值在所述预定时间段内的出现概率，并基于峰值幅值及其出现概率生成峰值幅值-概率曲线。

优选地，所述检测装置还包括主控模块，经配置以与探测采集模块和分析模块相连接，用于协调各个模块的工作以完成检测。

优选地，所述干涉模块为迈克尔逊干涉仪或AMZ干涉仪。

优选地，所述检测装置中还包括环形器或隔离器，经配置其第一接口连接待测光源，第二接口连接迈克尔逊干涉仪。

优选地，所述检测装置还包括输出模块，其与所述主控模块相连接，经配置以输出或/和显示获得的峰值幅值-概率曲线或检测数据。

优选地，所述检测装置还包括参数配置模块，其与所述主控模块相连接，经配置以输入检测过程所需参数。

优选地，所述探测采集模块包括光电探测器和数据采集单元，其中所述光电探测器经配置以探测干涉光信号生成对应的电脉冲信号；所述数据采集单元经配置以采集所述干涉光信号的电脉冲信号以得到脉冲峰值幅值。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种脉冲光相位随机性检测方法，包括以下步骤：

将待测光源发出的相位随机的原始脉冲光信号分束为多束光信号，使所述多束光信号发生干涉以获取干涉光信号，其中，分束后的多束光信号中任意两束光信号的光程差△L＝nT，T为脉冲光信号周期，n为大于0的自然数；

探测并采集所述干涉光信号，以获得预定时间段内干涉光信号的脉冲峰值幅值；以及

计算每一峰值幅值在所述预定时间段内的出现概率，并基于峰值幅值及其出现概率生成峰值幅值-概率曲线。

优选地，所述预定时间段为10ms～10s。

本发明提供的脉冲光相位随机性检测装置使用元器件少、结构简单，不但制备成本低，而且提高了运行的可靠性；检测过程的操作简便；在装置初始化时不需要大量参数的调试，因而检测效率高；本发明基于相位随机性时脉冲峰值幅值的分布特点，通过检测脉冲峰值幅值的概率分布可以有效地衡量出待测光源的相位随机性程度。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是根据本发明的一个实施例提供的一种相位随机性检测装置原理框图；

图2是根据本发明的一个实施例的干涉模块的结构原理框图；

图3是根据本发明的一个实施例的光信号示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的干涉模块的结构原理框图；

图5是根据本发明的一个实施例的探测采集模块的原理框图；

图6是根据本发明的一个实施例的峰值幅值的概率分布曲线图；

图7是根据本发明另一个实施例的相位随机性检测装置原理框图；

图8是根据本发明一个实施例的相位随机性检测方法流程图；以及

图9是根据本发明的一个实施例的采用相位随机性检测装置进行检测的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

图1是根据本发明一个实施例提供的一种脉冲光相位随机性检测装置原理框图，用以检测发出相位随机的脉冲光的相位随机性。在本实施例中，检测装置2至少包括主控模块20、干涉模块21、探测采集模块22和分析模块23，为了能与上位机3通信，还包括通信模块24。

作为待测光源，脉冲激光器1生成相位随机的脉冲光50，并通过光纤接口输入到干涉模块21中。本实施例中的所述干涉模块21为一不等臂MZ(Mach-Zehnder，马赫-曾德尔)干涉仪，简称AMZ干涉仪。如图2所示，为AMZ干涉仪结构原理示意图。图3为本装置的光信号示意图。所述干涉模块21包括分束单元211和合束单元212，例如为半镀银分光镜。分束单元201的入射光路通过接口与脉冲激光器1连接，将脉冲激光器1发出的相位随机的原始脉冲光50信号分束为第一光信号51和第二光信号52。在本实施例中，干涉模块21的两臂光程差△L＝nT，T为脉冲光信号周期，n为大于0的自然数，由于两臂光程不同，因而第一光信号51和第二光信号52经过两臂传输后，分别对应为第三光信号53和四光信号54，其在合束单元212处发生干涉，并输出干涉光信号55。

图4是根据本发明另一个实施例的干涉模块的原理示意图。在本实施例中，干涉模块21采用迈克尔逊干涉仪，其中，为了避免迈克尔逊干涉仪中的分束单元产生的第二束干涉光信号进入脉冲激光器1，在迈克尔逊干涉仪的输入接口之前，增加了环形器25或隔离器。

图5是根据本发明一个实施例的探测采集模块的原理框图。在本实施例中，所述探测采集模块22包括光电探测器221和数据采集单元222。其中，所述光电探测器221可以是PN结型光探测器、PIN型光探测器、雪崩光电二极管(APD)探测器或拉通型雪崩光电二极管(RAPD)探测器等等，用于将干涉光信号55转变为电信号。经过光电探测器221的光电转换，光信号转换为电信号，电信号可以为电压信号，也可以为电流信号，其中的电信号为与光脉冲相对应的电脉冲信号。所述数据采集单元222以主控模块20设定的采集周期T2采集所述干涉光信号从而得到所述电脉冲的峰值幅值。其中，在所述检测装置开机工作时，要先经过一个初始化的过程，在此初始化过程中，所述数据采集单元222寻找电信号的峰值位置，确认峰值位置后每次均在该点进行采样。寻找峰值的位置在系统初始化过程中实现一次即可。

所述数据采集单元222采集数据时的采集周期T2可采用系统周期，即脉冲激光器1的脉冲周期T，即T2＝T。也可以为系统周期的小数倍，如T2＝0.1T、0.5T，或者是整数倍，如T2＝2T、3T等。经过一个预置时间段t1后，如10ms至10s之间的任何一个时间段后，可以得到多个脉冲幅值。所述数据采集单元222将得到的脉冲幅值发送给分析模块23，或存储在内部存储器(图中未示出)中。其中，所述的数据采集单元222为一个A/D转换器，其位宽可以为8、10、12、16等等。

所述分析模块23基于上述检测数据，即该时间段t1内测得的峰值幅值，统计每一个峰值幅值在该段时间t1内的出现概率，并生成概率分布曲线。当激光发生器1发出的脉冲光50为相位随机的脉冲光时，分束后的脉冲光的多个脉冲相位不同，因而干涉后的幅值也不同。当经过一段时间后会出现很多种不同相位干涉，得到的幅值分布理论上是从0到最高值，即VPP都有的，并且呈现出图6所示的幅值-概率分布曲线。在图6中，横轴为峰值幅值，纵轴为分布概率。本发明根据检测得到的峰值幅值计算其分布概率，通过峰值幅值分布概率曲线衡量脉冲激光器1发出的脉冲光的相位随机化的随机性程度。对于幅值-概率曲线，其更为敏感，随机性不佳将改变曲线的形态。通过将幅值-概率曲线与标准曲线进行独立性分析，能够获得二者的关联程度。如果关联程度满足独立性条件，则可以认为随机性不符合要求。

在本实施例中，为了获取或改变检测装置2中的各种参数值，如采集周期、计算得到的检测曲线，或者希望输出检测数据或曲线，所述检测装置2还包括通信模块24，用于与上位机3连接，从上位机3接收相关参数数据，并发送给主控模块20，或者是将分析模块23中或存储器中的检测数据、检测结果发送给上位机3。

在另一个实施例中，如图7所示，为根据本发明另一个实施例的脉冲光相位随机性检测装置原理框图。在本实施例中，与图1所示的实施例的区别在于，本实施例包括用户交互模块26，其包括了参数配置模块的功能和输出模块的功能。用户交互模块26与主控模块20相连接，可以进行参数设置、工作模式选择、显示检测结果等。用户交互模块26可以包括触摸屏、液晶显示屏、数码电子管等可以显示曲线、数字等的装置，还可以包括调节旋钮、按键等输入指令或调节参数量的装置。

图8是根据本发明一个实施例的相位随机性检测方法流程图。所述方法包括以下步骤：

步骤S1，将待测光源发出原始脉冲光分束。采用AMZ干涉仪或迈克尔逊干涉仪将待测光源发出的原始脉冲光信号至少分束为第一光信号和第二光信号，其中，所述第一光信号和第二光信号的光程差△L＝nT，T为脉冲光信号周期，n为大于0的自然数。

步骤S2，使分束后经过不同光程的两束光发生干涉。光程不同的两束光在AMZ干涉仪或迈克尔逊干涉仪发生干涉，从而得到干涉光信号。

步骤S3，对所述干涉光信号进行光电探测以得到干涉光信号的电信号。

步骤S4，采集预定时间段t1的干涉光信号的电信号，以获得预定时间段t1内干涉光信号的脉冲峰值幅值。其中，为了获得脉冲峰值幅值，在检测装置初始化时，还包括寻找脉冲峰值的过程，在确认峰值位置后每次均在该位置进行采样。

步骤S5，统计每一个峰值幅值在该段时间段t1内的出现概率，并生成峰值幅值概率分布曲线。例如，对于频率为100MHz的待测脉冲光信号，当采集时间段t1为1s时，可以得到10

图9是根据本发明一个实施例的采用相位随机性检测装置进行检测的流程图。

步骤S1a，设备连接。将脉冲激光器1的激光输出接口连接到检测装置2的光纤输入接口。如果需要，通过通信接口连接上位机3。

步骤S2a，获取检测过程中所需的参数值。例如，可以通过用户交互模块26的界面输入参数，例如数据采集周期T2，数据检测时的预置时间段t1。也可以由上位机3通过通信接口输入参数。

步骤S3a，检测装置初始化。在初始化时，脉冲激光器1c输出脉冲光信号，经过AMZ干涉仪得到干涉光信号，光信号探测采集单元22c对所述干涉光信号探测得到电脉冲信号，并在不同的位置进行数据采集，以确定幅值峰值位置。在确定幅值峰值位置后，固定数据采集位置。

步骤S4a，检测。脉冲激光器1发出的脉冲光信号经过AMZ干涉仪分束为第一光信号和第二光信号，光程差为nT的两束光信号在合束单元发生干涉，从而得到干涉光信号。光信号探测采集单元22c对干涉光信号进行光电转换、并在初始化时确定的位置采集数据，以获得每一个脉冲峰值幅值。

步骤S5a，判断检测时间是否达到了预置时间段t1，如果达到了，则执行步骤S6a，否则执行步骤S4a，继续检测。

步骤S6a，随机性分析。光信号探测采集单元22c将获得的峰值幅值发送给分析模块23，分析模块23统计各个峰值幅值在该时间段内的概率，并生成峰值幅值概率分布曲线。

步骤S7a，输出检测结果。在本实施例中，分析模块23将得到的检测曲线发送给主控模块20，主控模块20将其显示在用户交互模块26的界面，或者通过通信接口输出给上位机3显示或打印。

本发明提供的脉冲光相位随机性检测装置和方法的优点包括：

(1)基于诱骗态BB84协议中可以采用经过衰减的弱相干光源作为单光子源，其要求弱相干光源的脉冲相位随机化，而目前商业产品中都没有对其相位随机性进行检测，本发明提供的装置可以实现对其进行相位随机性的检测、分析；

(2)本发明为基于相位噪声量子随机数信息熵源进行相位随机性提供了定量分析方法；

(3)本发明可以应用于量子信息技术中任何产品设计模块中进行随机性检测；

(4)本发明提供的检测装置作为一种仪器设备，可以用于对任何一种产品的脉冲光源的相位随机性进行检测和分析。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。