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)試驗中的應用研究

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【摘要】：量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution, QKD),是量子密碼學重要的研究方向之一,其安全性是由量子力學的基本原理來保證的,是一種無條件安全的通信方式,在軍事領(lǐng)域和經(jīng)濟領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。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)實驗都取得了巨大的進展,為將來建立全球化的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡打下了堅實的基礎(chǔ)。因為QKD實驗中的單光子光源還不能真正的實用化,所以目前常用的做法是用高度衰減的弱相干光源來代替理想的單光子光源,而弱相干光源的光脈沖半高寬,光強的穩(wěn)定性,光脈沖的重復頻率等會直接影響QKD實驗的成碼率、誤碼率等。在本論文中,利用Gain switching技術(shù)設計出了光脈沖半高寬為80ps,光脈沖的重復頻率達120MHz的激光器驅(qū)動電路,并基于此驅(qū)動電路設計了一套誘騙態(tài)量子光源,該誘騙態(tài)光源由四個VCSEL激光器和8路激光器驅(qū)動電路組成,分別產(chǎn)生BB84協(xié)議中的“H”,“V”,“+”,“-”四個態(tài)。在QKD系統(tǒng)中,信號態(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)光源方案已成功應用于40km和96km自由空間QKD實驗,以及20km浮空熱氣球平臺QKD實驗,并即將應用于某空間載荷量子密鑰分發(fā)實驗。偏振編碼方案是QKD實驗的主要編碼方案之一,電光調(diào)制器件普克爾盒在實驗中常被用作偏振控制器,通過控制加載到普克爾盒兩端的脈沖電壓來控制光的偏振態(tài)。本論文采用了功率MOSFET的高速調(diào)制技術(shù),設計出了可以產(chǎn)生高重復頻率、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)光秒實驗、DPS-QKD實驗、星地糾纏分發(fā)實驗和海水信道的誘騙態(tài)QKD實驗對高速普克爾盒調(diào)制電路的不同需求,分別設計了四個不同指標的驅(qū)動電路,下面將對這四個實驗分別進行描述：(1)光秒實驗是一個模擬在地球與月球之間完成由人參與的Bell不等式檢驗實驗,普克爾盒調(diào)制電路主要用來實現(xiàn)基矢的選擇,設計的調(diào)制電路工作重復頻率為10Hz,輸出電壓脈沖高達860V,高低電平持續(xù)時間可以達到秒量級。調(diào)制電路與光學聯(lián)合測試,測試系統(tǒng)的消光比達到24.7dB。(2) DPS-QKD實驗是利用兩列光脈沖進行干涉,來獲得編碼信息的相位編碼方案,普克爾盒主要用來實現(xiàn)干涉儀兩臂的延時控制,設計的調(diào)制電路輸出電壓脈沖高達2kV,工作的重復頻率可以達到45kHz,與光路聯(lián)合測試,測試系統(tǒng)的最終的消光比為23dB,滿足了實驗需求。(3)星地糾纏分發(fā)實驗是用來完成衛(wèi)星平臺和地面站之間的高速量子通信,普克爾盒主要用來實現(xiàn)主動基矢調(diào)節(jié)方案,調(diào)制電路設計重復頻率為100kHz,輸出高壓脈沖幅度達到900V,電路測試結(jié)果滿足了實驗需求。(4)海水信道的誘騙態(tài)QKD實驗是通過海水信道來完成量子密鑰分發(fā)實驗。在實驗中利用普克爾盒調(diào)制電路對532nm固體激光器進行外調(diào)制,產(chǎn)生了一個工作重復頻率為1MHz,輸出高壓脈沖幅度達到800V的誘騙態(tài)量子光源,利用設計的誘騙態(tài)光源,完成了室內(nèi)0.5m水槽的QKD實驗,系統(tǒng)鏈路衰減為28dB,誤碼率為4.26%。本論文的主要創(chuàng)新點如下：1將Gain switching技術(shù)成功應用于QKD實驗,提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性,極大的簡化了系統(tǒng)的設計,降低了成本。基于該技術(shù)獲得了半高寬為80ps,重復頻率達到120MHz的光脈沖,并且驅(qū)動電路設計簡單,不需要額外的光學設備。另外對誘騙態(tài)量子光源的設計方案進行了優(yōu)化,減少了激光器的需求數(shù)量,簡化了光路的設計。2把功率MOSFET的高速調(diào)制技術(shù)應用于QKD實驗中的電光調(diào)制電路設計,設計出了高重復頻率、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)制電路在光秒實驗和DPS-QKD實驗中得到了應用,具有可靠性高,設計靈活,成本低,設計方案相對簡單的優(yōu)點。3利用設計的高速電光調(diào)制電路,對532nm固體激光器進行了外調(diào)制,設計出了重復頻率達到1MHz,消光比為20dB的誘騙態(tài)量子光源,并應用于海水信道的QKD實驗中,也設計出了一套可用于水下實驗的QKD的系統(tǒng),使用該系統(tǒng)在室內(nèi)完成了0.5m水槽的QKD實驗,并進行了外場實驗嘗試,為后續(xù)工作的順利進行打下一定基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：超短光脈沖技術(shù) 增益開關(guān)技術(shù) 量子密鑰分發(fā)實驗(QKD) 高速電光調(diào)制
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O413;TN918.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第1章 引言16-32
• 1.1 QKD實驗的發(fā)展介紹16-21
• 1.1.1 QKD實驗的基本協(xié)議16-19
• 1.1.2 基于不同信道的QKD實驗進展19-21
• 1.2 超短光脈沖技術(shù)在QKD實驗中的應用21-22
• 1.3 高速電光調(diào)制電路在QKD實驗中的應用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)生電路設計方案調(diào)研23-27
• 1.3.3 QKD實驗中高速電光調(diào)制電路的設計27-29
• 1.4 論文結(jié)構(gòu)安排29-32
• 第2章 QKD實驗中的誘騙態(tài)量子光源32-50
• 2.1 QKD實驗中量子光源的系統(tǒng)設計32-34
• 2.1.1 QKD實驗中的弱相干光源的系統(tǒng)設計32
• 2.1.2 QKD實驗中的誘騙態(tài)光源的系統(tǒng)設計32-34
• 2.2 誘騙態(tài)量子光源中驅(qū)動電路的設計34-41
• 2.2.1 誘騙態(tài)量子光源中的半導體激光器36
• 2.2.2 光源中的半導體激光器驅(qū)動電路36-39
• 2.2.3 半導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)動電路測試41-45
• 2.3.1 激光器驅(qū)動電路測試平臺41-42
• 2.3.2 激光器直流特性曲線測試42-43
• 2.3.3 激光器驅(qū)動電路動態(tài)調(diào)制測試43-45
• 2.4 青海湖自由空間誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實驗45-49
• 2.4.1 量子密鑰分發(fā)實驗的設計介紹45-46
• 2.4.2 40km轉(zhuǎn)臺模擬的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實驗46-47
• 2.4.3 20km浮空熱氣球平臺實驗47-48
• 2.4.4 96km自由空間量子密鑰分發(fā)實驗48-49
• 2.5 小結(jié)49-50
• 第3章 高速電光調(diào)制的電路設計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)制電路設計的關(guān)鍵技術(shù)51-55
• 3.3 高速電光調(diào)制電路的方案設計55-59
• 3.3.1 高速電光調(diào)制電路設計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)制電路測試結(jié)果59-64
• 3.4.1 調(diào)制電路中驅(qū)動電信號的測試59-60
• 3.4.2 調(diào)制電路的測試結(jié)果60-62
• 3.4.3 調(diào)制電路散熱方案設計62-64
• 3.5 小結(jié)64-66
• 第4章 高速電光調(diào)制電路在實驗中的應用66-84
• 4.1 電光調(diào)制電路在光秒實驗中的應用66-72
• 4.1.1 光秒實驗介紹66-67
• 4.1.2 電光調(diào)制電路在實驗中的設計方案與仿真67-70
• 4.1.3 光秒實驗中高速電光調(diào)制電路測試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)實驗中的應用72-75
• 4.2.1 星地糾纏分發(fā)實驗方案設計72-73
• 4.2.2 星地糾纏分發(fā)實驗中電光調(diào)制電路的設計73-74
• 4.2.3 星地糾纏分發(fā)實驗電光調(diào)制電路電信號測試74-75
• 4.3 高速電光調(diào)制電路在DPS-QKD實驗中的應用75-83
• 4.3.1 DPS-QKD實驗介紹75-77
• 4.3.2 DPS-QKD實驗中高速電光調(diào)制電路的設計方案與仿真77-81
• 4.3.3 DPS-QKD實驗高速電光調(diào)制電路測試結(jié)果81-83
• 4.4 小結(jié)83-84
• 第5章 海水信道的誘騙態(tài)QKD實驗84-102
• 5.1 實驗概述84
• 5.2 實驗的可行性分析84-91
• 5.2.1 入射界面導致的誤碼率分析84-86
• 5.2.2 入射界面對誤碼率的影響測試86-88
• 5.2.3 水體衰減測試88-90
• 5.2.4 水面反射率測試90-91
• 5.3 海水信道的誘騙態(tài)QKD實驗系統(tǒng)設計91-98
• 5.3.1 海水信道的誘騙態(tài)QKD實驗系統(tǒng)發(fā)射端設計92-95
• 5.3.2 海水信道的誘騙態(tài)QKD實驗系統(tǒng)接收端設計95-98
• 5.4 海水信道的誘騙態(tài)QKD實驗室內(nèi)測試98-101
• 5.4.1 實驗系統(tǒng)效率、對比度測試98-100
• 5.4.2 誘騙態(tài)QKD實驗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 未來展望103-106
• 參考文獻106-112
• 致謝112-114
• 在讀期間發(fā)表的學術(shù)論文114

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