[发明专利]一种适用于CV-QKD系统的偏置点控制方法及装置

说明书

本发明公开了一种适用于CV‑QKD系统的偏置点控制方法及装置，在不加入导频信号的情况下，通过对CV‑QKD系统发送端瑞利分布幅度调制MZM的输出光信号进行低通滤波可以直接获取在当前偏置电压下的平均光功率，结合“偏置电压——平均光功率”特性曲线上的期望值，基于PID等控制算法，即可完成对偏置电压的调节。相比与传统的无导频信号控制算法，本发明提高了计算和控制速度并减小了光功率异常抖动所带来的影响；相比于基于导频信号控制算法，无需加入导频信号，保障了光信号的纯粹性，尤其在CV‑QKD系统中不会引入安全性隐患。

技术领域

本发明涉及一种适用于CV-QKD系统的偏置点控制方法及装置。

背景技术

随着量子计算技术的发展，基于计算复杂度的经典密码体系面临重大的安全隐患。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是一种基于量子物理原理的密钥分发系统，具有无条件安全性，引起了广泛的关注与研究。连续变量量子密钥分发(ContinuousVariable Quantum Key Distribution,CV-QKD)采用光场的正交分量作为信息的载体，大部分器件与经典相干光通信通用，与传统光通信网络兼容性好，是一种有良好前景的量子密钥分发技术。

当前的CV-QKD系统主要基于GG02协议实现，即高斯调制相干态传输协议。在GG02协议中，系统发送端通过对量子态光信号的两个正交分量进行调制来完成高斯随机变量信息的加载，具体的又包含对光信号进行瑞利分布的幅度调制和均匀分布的相位调制。其中对量子态光信号的瑞利分布的幅度调制是通过电光调制器(EOM)来实现的。EOM基于电光效应，控制外加电场信号的大小来改变晶体的折射率，最终实现对光信号强度的调制。EOM根据波导结构的不同，可分为马赫曾德强度调制(MZM)与定向耦合式强度调制器，由于MZM具有数学模型简单、驱动电压低等优点而得到广泛应用，CV-QKD系统中一般也一般采用MZM的电光调制器来实现对光信号的强度调制。

MZM调制器主体结构是马赫曾德结构的铌酸锂晶体，马赫曾德结构具有高速率、高消光比等特点，但同时此结构容易受到外界环境因素(如温度、振动等)的影响，导致调制器的工作点发生漂移。具体来说，一般地，MZM调制器的传递函数为：

其中E_i为输入光信号，E_o为输出光信号，V_πRF为MZM的射频半波电压，V_πDC为MZM的直流偏置半波电压，V_RF为射频调制电压，V_DC为直流偏置电压，φ₀为相位项。由于光信号功率等于信号振幅的平方，即P＝|E|²，则MZM的功率关系式为

其中θ₀＝2φ₀。MZM调制器在设计时严格要求上下两臂长度相等，因此理论上具有平衡的光路，相应的相位项φ₀为0。但是实际中由于材料的不均匀性、制造误差等原因，两臂的光路之间必然存在一定差别，造成φ₀不为0，并且由于环境因素，φ₀是在随时间随机变化的。而为了使MZM调制器正常工作并输出预期的调制光信号，通常需要基于一些控制算法在MZM的直流偏置端加载合适的电压信号，使其偏置在特定的偏置点。例如当φ₀＝0时，若要得到开关键控(OOK)信号，需要偏置在Quad点；若要得到二进制相移键控(BPSK)信号，需要偏置在Null点，具体如图1所示。但是，如前文所述，φ₀是在随时间随机变化的，造成传递函数曲线在横坐标方向上发生左右漂移，调制信号的偏置点会随之偏离原来的位置，造成原先加载的调制电压无法产生所需的调制光信号。