本文關(guān)鍵詞：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)試驗(yàn)中的應(yīng)用研究

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【摘要】：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(lái)保證的,是一種無(wú)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(shí)驗(yàn)都取得了巨大的進(jìn)展,為將來(lái)建立全球化的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因?yàn)镼KD實(shí)驗(yàn)中的單光子光源還不能真正的實(shí)用化,所以目前常用的做法是用高度衰減的弱相干光源來(lái)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(qiáng)的穩(wěn)定性,光脈沖的重復(fù)頻率等會(huì)直接影響QKD實(shí)驗(yàn)的成碼率、誤碼率等。在本論文中,利用Gain switching技術(shù)設(shè)計(jì)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(dòng)電路,并基于此驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)了一套誘騙態(tài)量子光源,該誘騙態(tài)光源由四個(gè)VCSEL激光器和8路激光器驅(qū)動(dòng)電路組成,分別產(chǎn)生BB84協(xié)議中的“H”,“V”,“+”,“-”四個(gè)態(tài)。在QKD系統(tǒng)中,信號(hào)態(tài),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(shí)驗(yàn),以及20km浮空熱氣球平臺(tái)QKD實(shí)驗(yàn),并即將應(yīng)用于某空間載荷量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。偏振編碼方案是QKD實(shí)驗(yàn)的主要編碼方案之一,電光調(diào)制器件普克爾盒在實(shí)驗(yàn)中常被用作偏振控制器,通過(guò)控制加載到普克爾盒兩端的脈沖電壓來(lái)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(jì)出了可以產(chǎn)生高重復(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(shí)驗(yàn)、DPS-QKD實(shí)驗(yàn)、星地糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)和海水信道的誘騙態(tài)QKD實(shí)驗(yàn)對(duì)高速普克爾盒調(diào)制電路的不同需求,分別設(shè)計(jì)了四個(gè)不同指標(biāo)的驅(qū)動(dòng)電路,下面將對(duì)這四個(gè)實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行描述：(1)光秒實(shí)驗(yàn)是一個(gè)模擬在地球與月球之間完成由人參與的Bell不等式檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn),普克爾盒調(diào)制電路主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)基矢的選擇,設(shè)計(jì)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)時(shí)間可以達(dá)到秒量級(jí)。調(diào)制電路與光學(xué)聯(lián)合測(cè)試,測(cè)試系統(tǒng)的消光比達(dá)到24.7dB。(2) DPS-QKD實(shí)驗(yàn)是利用兩列光脈沖進(jìn)行干涉,來(lái)獲得編碼信息的相位編碼方案,普克爾盒主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)干涉儀兩臂的延時(shí)控制,設(shè)計(jì)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(cè)試,測(cè)試系統(tǒng)的最終的消光比為23dB,滿足了實(shí)驗(yàn)需求。(3)星地糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)是用來(lái)完成衛(wèi)星平臺(tái)和地面站之間的高速量子通信,普克爾盒主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)基矢調(diào)節(jié)方案,調(diào)制電路設(shè)計(jì)重復(fù)頻率為100kHz,輸出高壓脈沖幅度達(dá)到900V,電路測(cè)試結(jié)果滿足了實(shí)驗(yàn)需求。(4)海水信道的誘騙態(tài)QKD實(shí)驗(yàn)是通過(guò)海水信道來(lái)完成量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中利用普克爾盒調(diào)制電路對(duì)532nm固體激光器進(jìn)行外調(diào)制,產(chǎn)生了一個(gè)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(jì)的誘騙態(tài)光源,完成了室內(nèi)0.5m水槽的QKD實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)鏈路衰減為28dB,誤碼率為4.26%。本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：1將Gain switching技術(shù)成功應(yīng)用于QKD實(shí)驗(yàn),提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性,極大的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì),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(dòng)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,不需要額外的光學(xué)設(shè)備。另外對(duì)誘騙態(tài)量子光源的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化,減少了激光器的需求數(shù)量,簡(jiǎn)化了光路的設(shè)計(jì)。2把功率MOSFET的高速調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于QKD實(shí)驗(yàn)中的電光調(diào)制電路設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)和DPS-QKD實(shí)驗(yàn)中得到了應(yīng)用,具有可靠性高,設(shè)計(jì)靈活,成本低,設(shè)計(jì)方案相對(duì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。3利用設(shè)計(jì)的高速電光調(diào)制電路,對(duì)532nm固體激光器進(jìn)行了外調(diào)制,設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)中,也設(shè)計(jì)出了一套可用于水下實(shí)驗(yàn)的QKD的系統(tǒng),使用該系統(tǒng)在室內(nèi)完成了0.5m水槽的QKD實(shí)驗(yàn),并進(jìn)行了外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)嘗試,為后續(xù)工作的順利進(jìn)行打下一定基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：超短光脈沖技術(shù) 增益開(kāi)關(guān)技術(shù) 量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)(QKD) 高速電光調(diào)制
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O413;TN918.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第1章 引言16-32
• 1.1 QKD實(shí)驗(yàn)的發(fā)展介紹16-21
• 1.1.1 QKD實(shí)驗(yàn)的基本協(xié)議16-19
• 1.1.2 基于不同信道的QKD實(shí)驗(yàn)進(jìn)展19-21
• 1.2 超短光脈沖技術(shù)在QKD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用21-22
• 1.3 高速電光調(diào)制電路在QKD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用22-29
• 1.3.1 高速電光調(diào)制器件介紹22-23
• 1.3.2 高壓脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)方案調(diào)研23-27
• 1.3.3 QKD實(shí)驗(yàn)中高速電光調(diào)制電路的設(shè)計(jì)27-29
• 1.4 論文結(jié)構(gòu)安排29-32
• 第2章 QKD實(shí)驗(yàn)中的誘騙態(tài)量子光源32-50
• 2.1 QKD實(shí)驗(yàn)中量子光源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)32-34
• 2.1.1 QKD實(shí)驗(yàn)中的弱相干光源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)32
• 2.1.2 QKD實(shí)驗(yàn)中的誘騙態(tài)光源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)32-34
• 2.2 誘騙態(tài)量子光源中驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)34-41
• 2.2.1 誘騙態(tài)量子光源中的半導(dǎo)體激光器36
• 2.2.2 光源中的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路36-39
• 2.2.3 半導(dǎo)體激光器的溫度控制電路39-41
• 2.3 誘騙態(tài)量子光源中激光器驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試41-45
• 2.3.1 激光器驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試平臺(tái)41-42
• 2.3.2 激光器直流特性曲線測(cè)試42-43
• 2.3.3 激光器驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)態(tài)調(diào)制測(cè)試43-45
• 2.4 青海湖自由空間誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)45-49
• 2.4.1 量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)介紹45-46
• 2.4.2 40km轉(zhuǎn)臺(tái)模擬的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)46-47
• 2.4.3 20km浮空熱氣球平臺(tái)實(shí)驗(yàn)47-48
• 2.4.4 96km自由空間量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)48-49
• 2.5 小結(jié)49-50
• 第3章 高速電光調(diào)制的電路設(shè)計(jì)50-66
• 3.1 基于A類放大器的電光調(diào)制電路50-51
• 3.2 高速電光調(diào)制電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)51-55
• 3.3 高速電光調(diào)制電路的方案設(shè)計(jì)55-59
• 3.3.1 高速電光調(diào)制電路設(shè)計(jì)55-57
• 3.3.2 高速電光調(diào)制電路的仿真57-59
• 3.4 高速電光調(diào)制電路測(cè)試結(jié)果59-64
• 3.4.1 調(diào)制電路中驅(qū)動(dòng)電信號(hào)的測(cè)試59-60
• 3.4.2 調(diào)制電路的測(cè)試結(jié)果60-62
• 3.4.3 調(diào)制電路散熱方案設(shè)計(jì)62-64
• 3.5 小結(jié)64-66
• 第4章 高速電光調(diào)制電路在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用66-84
• 4.1 電光調(diào)制電路在光秒實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用66-72
• 4.1.1 光秒實(shí)驗(yàn)介紹66-67
• 4.1.2 電光調(diào)制電路在實(shí)驗(yàn)中的設(shè)計(jì)方案與仿真67-70
• 4.1.3 光秒實(shí)驗(yàn)中高速電光調(diào)制電路測(cè)試70-72
• 4.1.4 小結(jié)72
• 4.2 高速電光調(diào)制電路在星地糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用72-75
• 4.2.1 星地糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)72-73
• 4.2.2 星地糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)中電光調(diào)制電路的設(shè)計(jì)73-74
• 4.2.3 星地糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)電光調(diào)制電路電信號(hào)測(cè)試74-75
• 4.3 高速電光調(diào)制電路在DPS-QKD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用75-83
• 4.3.1 DPS-QKD實(shí)驗(yàn)介紹75-77
• 4.3.2 DPS-QKD實(shí)驗(yàn)中高速電光調(diào)制電路的設(shè)計(jì)方案與仿真77-81
• 4.3.3 DPS-QKD實(shí)驗(yàn)高速電光調(diào)制電路測(cè)試結(jié)果81-83
• 4.4 小結(jié)83-84
• 第5章 海水信道的誘騙態(tài)QKD實(shí)驗(yàn)84-102
• 5.1 實(shí)驗(yàn)概述84
• 5.2 實(shí)驗(yàn)的可行性分析84-91
• 5.2.1 入射界面導(dǎo)致的誤碼率分析84-86
• 5.2.2 入射界面對(duì)誤碼率的影響測(cè)試86-88
• 5.2.3 水體衰減測(cè)試88-90
• 5.2.4 水面反射率測(cè)試90-91
• 5.3 海水信道的誘騙態(tài)QKD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)91-98
• 5.3.1 海水信道的誘騙態(tài)QKD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射端設(shè)計(jì)92-95
• 5.3.2 海水信道的誘騙態(tài)QKD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接收端設(shè)計(jì)95-98
• 5.4 海水信道的誘騙態(tài)QKD實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試98-101
• 5.4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)效率、對(duì)比度測(cè)試98-100
• 5.4.2 誘騙態(tài)QKD實(shí)驗(yàn)100-101
• 5.5 小結(jié)101-102
• 第6章 總結(jié)與展望102-106
• 6.1 工作總結(jié)102-103
• 6.2 未來(lái)展望103-106
• 參考文獻(xiàn)106-112
• 致謝112-114
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文114

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