CN111313226B - 用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动方法及装置 - Google Patents

Abstract

本方案一种用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动方法及装置：高速逻辑芯片接收一组脉冲电信号后输出一组差分信号，其第一差分信号高电平三极管导通，使激光器后输出已调节消光比的窄脉冲光信号。通过调节高速逻辑芯片与电路节点A之间的电容调节窄脉冲光信号的质量，对电源调节控制模块调节达到对输出的窄脉冲光信号的质量调节的目的。优点是：无需窄脉冲电信号的驱动电路和高速电流源驱动芯片，节约了电路成本；将一组具有延时的脉冲电信号作为输入源使得输入信号稳定可控；将电阻R和二极管集成在激光器中，减少电路计算参数，提升发光速率；通过调节电压大小使得在实现多级激光器方案中每个激光器所输出的窄脉冲光信号幅值一致。

Description

用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动方法及装置

技术领域

本发明涉及量子通信领域，尤其涉及一种用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动方法及装置。

背景技术

半导体激光器作为单光子源的核心部件在量子通信系统中起到至关重要的作用。

目前应用在量子通信领域的半导体激光器的驱动电路大多通过以下两种方式实现，通过多个电路器件连接组成驱动电路或通过集成芯片作为其驱动电路。

举例说明，现有技术中所使用的激光器驱动电路，如图1所示，它采用高速电流源驱动芯片和高带宽微波三极管技术实现高速窄脉冲激光器的驱动。包括高速电流源驱动芯片和三极管Q1，高速电流源驱动芯片将外部输入的窄脉冲电压信号转换成对应的窄脉冲电流信号输出，同时该电流信号控制三极管Q1的开关，进而控制激光器二极管LD的开关。在具体的实现过程中，通过调节Is的电流方向实现对VB电压的调节，当VB>VT时，三极管Q1导通输出窄脉冲光信号，进一步可以通过R3来控制电流ILD的大小调节激光器的脉冲光强；当VB<VT时，Q1关闭无激光脉冲输出。其中VT为三极管Q1的开启电压。

通过上述过程可以完成量子通信单光子源激光器的高速窄脉冲驱动，能够通过R3调节消光比，在现有的量子通信系统中具有良好的应用。

上述量子通信单光子源的激光器高速驱动模块也存在一定的缺陷：

1.高速电流驱动芯片的输入端必须是窄脉冲驱动信号，驱动模块自身无法实现窄脉冲生成功能，需要额外增加窄脉冲生成电路。

2.虽然通过调节电阻R3达到调节消光比的目的，但在实际的电路实现过程中需要改变相关硬件电路，在实践中无法保证在改变硬件电路时能够保持电路一致性，而若保持电路一致性则无法保证在实践中不对消光比进行调节。

3.外置电阻R3在上述激光器的驱动链路中产生一定的寄生参数，影响其驱动速率。

而且，由于电路器件具有器件差异性(每个电路的R3不同)，导致在多级激光器驱动方案中，由于不同激光器的Vce的电压差异导致各个激光器所发出的窄脉冲光信号幅值不同。

因此如何提供一种低成本、高速率、高消光比而且使得多激光器QKD系统中窄脉冲信号光幅值可调节的脉冲光源驱动方法成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动方法及装置，用以解决现有技术中：通过设置窄脉冲生成电路和高速电流源驱动芯片将窄脉冲电压信号转换成对应的窄脉冲电流信号所导致的成本高的问题；还用以解决现有技术中：在通过调节电阻实现调节消光比的过程中，由于无法保持电路的一致性及调节电阻在驱动链路中产生的寄生参数导致电路计算量大，发光速率降低的问题，进一步解决在多级激光器驱动方案中由于不同激光器之间Vce电压差异使得各激光器所发出的窄脉冲光信号幅值不同导致的最终输出的窄脉冲光信号幅值不稳的问题。

为了实现上述目的，本发明技术方案提供了一种用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动方法，包括：高速逻辑芯片接收脉冲电信号组I和脉冲电信号组II与操作后输出一组差分信号，一组差分信号中的第一差分信号处在高电平时三极管导通，之后激光器导通，调节电源调节控制模块对输出的窄脉冲光信号的消光比进行调整。

作为上述技术方案的优选，较佳的，脉冲电信号组I和脉冲电信号组II之间具有延时，延时小于脉冲电信号组I的脉宽。

作为上述技术方案的优选，较佳的，第一差分信号为高电平时，V_{out_p}为高电平，VB＞Vt，所述三极管导通。第一差分信号为低电平时，V_{out_p}为低电平，VB＜Vt，三极管关断。其中Vout_p恒大于Vt，Vt为三极管导通电压。

作为上述技术方案的优选，较佳的，在高速逻辑芯片和电路节点A之间设有电阻R1，电路节点C与三极管的发射极之间设有电阻R2，电压VB为电路节点A与所述电路节点C之间的电压，VB＝[R2/(R1+R2)]×V_{out_p}。

作为上述技术方案的优选，较佳的，在高速逻辑芯片和电路节点A之间设有一电容，用于调节窄脉冲光信号的质量。

作为上述技术方案的优选，较佳的，激光器的正极与电源调节控制模块连接。

作为上述技术方案的优选，较佳的，激光器由一电阻R和一二极管集成组合而成。

本发明技术方案还提供了一种用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动装置，其能够实现上述方法，包括：高速逻辑芯片、电容、电阻R1、电阻R2、激光器、三极管、电源调节控制模块。高速逻辑芯片的第一差分信号输出端与电路节点A之间设有电容，电阻R1与所述电容并联或其一端与电路节点A连接另一端与电源调节控制模块连接。电源调节控制模块的调节输出端与激光器的正极连接，激光器的负极与三极管的集电极连接，三极管的基极与电阻R2于电路节点C处连接，所述三极管的发射极接地。电路节点C与电路节点A相邻，均位于电路干路上。

作为上述技术方案的优选，较佳的，激光器由二极管及电阻R封装而成，所述二极管的负极与所述电阻R的一端连接，所述电阻R的另一端经电路与所述集电极连接。

作为上述技术方案的优选，较佳的，电源调节控制模块由DAC电路、运放电路或跟随电路组成。

本发明技术方案提供一种用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动方法及装置：高速逻辑芯片接收一组脉冲电信号后输出一组差分信号，一组差分信号中的第一差分信号处在高电平时导通三极管，进一步导通激光器后输出已调节消光比的窄脉冲光信号。通过高速逻辑芯片的第一差分信号输出端与电路节点A之间的电容调节窄脉冲光信号的质量，对与激光器的正极连接的电源调节控制模块调节达到对输出的窄脉冲光信号的质量调节的目的。

本发明的优点是：

1、无需高速电流源驱动芯片，节约了电路成本。

2、将现有技术中输入端的电压和窄脉冲电信号替换为一组具有延时的脉冲电信号使得输入源更稳定可控。

3、将电阻R和二极管集成在激光器中，减少了电路计算参数，提升发光速率。

4、通过调节电压大小使得本发明技术方案在实现多级激光器方案中每个激光器所输出的窄脉冲光信号幅值保持一致。

5、将电阻R和二极管集成在激光器中减少了电路器件间的干扰，提升了消光比的调整效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图2-5是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明现有技术的电路结构示意图。

图2为本发明第一实施例提供的电路示意图。

图2a为本发明技术方案的流程图。

图3为本发明实施例的脉冲电路时序图。

图4为本发明另一实施例提供的电路示意图。

图5为本发明再一实施例提供的电路示意图。

其中，激光器11，调节电源调节控制模块12。

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、完整的描述，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的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。

现以具体实施例为例对本发明技术方案进行说明流程图如图2a所示，图2为本发明第一实施例提供的电路示意图，图3为本发明实施例的脉冲电路时序图，结合图2及图3所示：

步骤101、高速逻辑芯片接收脉冲电信号组I、II。

两个脉冲电信号组之间有延时T，延时T的时长不大于脉冲电信号组I的脉宽，具体参考图3所示。

步骤102、高速逻辑芯片输出一组差分信号。

高速逻辑芯片对接收的脉冲电信号组I、II进行与操作后输出一组差分信号，其中第一差分信号OUT_P用于控制电路中三极管的导通和关断。

步骤103、OUT_P为低电平时VB＜Vt，三极管关断。

OUT_P为低电平，V_{out_p}也处于低电平位置，此时，V_{out_p}经电阻R1和R2分压后的VB＝[R2/(R1+R2)]×V_{out_p}＜Vt，三极管关断，Vt为三极管导通电压。

步骤104、OUT_P为高电平时VB＞Vt，三极管导通。

如图2所示，高速逻辑芯片和电路节点A之间设有电阻R1，电路节点C与三极管的发射极之间设有电阻R2，电路节点C与三极管的基极导通。

具体的，OUT_P为高电平，V_{out_p}也处于高电平位置，V_{out_p}经电阻R1和R2分压后有VB：VB＝[R2/(R1+R2)]×V_{out_p}；

其中，如图3所示V_{out_p}恒大于Vt，V_{out_p}满足：在经电路分压后至基极的电压满足步骤103的关断条件和步骤104中的导通条件。

步骤105、调节电源调节控制模块，使得窄脉冲光信号的消光比达到理想值。

调节电源调节控制模块所发出的电压升高时电路中ILD随之升高，消光比随着ILD的升高而升高。具体的，在三极管导通情况下，调节电源调节控制模块输出的电压，使得激光器发出的窄脉冲光信号满足QKD系统要求，其中当电压增大时窄脉冲光信号的幅值随之增加。

具体的，激光器由一电阻R和一二极管集成组合而成，将电阻R和二极管集成在激光器中，减少了电路计算参数，提升了调整消光比时的调整效果，提升发光速率。进一步的，激光器中的电阻R的大小在满足本技术方案的前提下可灵活变化。

进一步的，电路中的电容用于调节窄脉冲光信号的质量，当电容值减小，窄脉冲光信号的信号质量上升。

在上述实施例中，如图2、4、5所示电源调节控制模块可以为一固定VCC电源，也可以为具有DAC控制接口及电路并设有运放电路或跟随电路的可调电源。图4和图5为能够实现上述步骤101-106所实现方案的另外两不同的电路连接方式。

本申请还提供一种用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动装置如图2、4、5所示，包括：高速逻辑芯片、电容、电阻R1、电阻R2、激光器、三极管、电源调节控制模块。

如图2所示高速逻辑芯片的第一差分信号输出端OUT_P与电路节点A之间连接有电阻R1，电容C1与电阻R1并联于电路节点A。

电路节点C处连接有三极管的基极及电阻R2的一端，电阻R2的另一端及三级管的发射极均接地。三极管的集电极与激光器的负极连接，激光器正极与电源VCC连接。

基于图2所示的电路结构，再如图4所示：激光器正极与电源调节控制模块的电力输出端连接。电源调节控制模块由DAC电路、运放电路或跟随电路依次连接而成。

基于图2所示的电路结构，再如图5所示：电阻R1一端与电路节点A连接，另一端直接与电源VCC连接；电容C1一端与第一差分信号输出端OUT_P连接另一端与电路节点A连接，当V_{out_p}处于高电平位置，V_{out_p}经电阻R1和R2分压后有VB＝I2*R2＞Vt，V_{out_p}处于低电平位置VB<Vt，三极管Q1处于关闭状态。

基于上述方案还可以有，电阻R1一端与电路节点A连接另一端与电源调节控制模块连接。

在图2、4、5所示的电路结构中：电路节点A与电路节点C相邻，均位于电路干路上且二节点之间为通路；激光器由二极管及电阻R封装而成，二极管的负极与电阻R的一端连接，电阻R的另一端经电路与集电极连接。激光器中电阻R的大小可变化。

本发明技术方案提供一种用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动方法及装置：高速逻辑芯片接收一组脉冲电信号后输出一组差分信号，一组差分信号中的第一差分信号处在高电平时导通三极管，进一步导通激光器后输出已调节消光比的窄脉冲光信号。通过高速逻辑芯片的第一差分信号输出端与电路节点A之间的电容调节窄脉冲光信号的质量，对与激光器的正极连接的电源调节控制模块调节达到对输出的窄脉冲光信号的质量调节的目的。

本发明的优点是：无需高速电流源驱动芯片节约了电路成本。将现有技术中输入端的电压和窄脉冲电信号替换为一组具有延时的脉冲电信号使得输入源更稳定可控。将电阻R和二极管集成在激光器中，减少了电路计算参数，提升发光速率。通过调节电压大小使得本发明技术方案在实现多级激光器方案中每个激光器所输出的窄脉冲光信号幅值保持一致。将电阻R和二极管集成在激光器中减少了电路器件间的干扰，提升了消光比的调整效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动方法，其特征在于，所述方法包括：

高速逻辑芯片接收脉冲电信号组I和脉冲电信号组II与操作后输出一组差分信号V_{out_p}和V_{out_N}，所述一组差分信号中的第一差分信号V_{out_p}为高电平时，VB＞Vt，三极管受V_{out_p}驱动后导通，之后激光器导通；第一差分信号的电压V_{out_p}为低电平时，VB＜Vt，所述三极管关断；

其中，在高速逻辑芯片和电路节点A之间设有电阻R1及与电阻R1并联的一电容C1，三极管的基极与发射极之间设有电阻R2，电压VB为电路节点A与电路节点C之间的电压，VB＝[R2/(R1+R2)]×V_{out_p}；所述基极与所述电阻R2于电路节点C处连接，所述三极管的发射极接地，所述电路节点C与所述电路节点A相邻且二节点之间为通路；

调节电源调节控制模块对其向三极管输出的电流ILD进行调节，以对窄脉冲光信号的消光比进行调整；

其中所述V_{out_p}恒大于Vt，Vt为所述三极管导通电压；

其中，所述V_{out_p}为与所述第一差分信号的电平一致的电压信号。

2.根据权利要求1所述的用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动方法，其特征在于，所述方法包括：

所述脉冲电信号组I和脉冲电信号组II之间具有延时，所述延时小于所述脉冲电信号组I的脉宽。

3.根据权利要求2所述的用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动方法，其特征在于，所述激光器的正极与所述电源调节控制模块连接。

4.根据权利要求3所述的用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动方法，其特征在于，所述激光器由一电阻R和一二极管集成组合而成。

5.一种用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动装置，能够实现如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，它包括：高速逻辑芯片、电容、电阻R1、电阻R2、激光器、三极管、电源调节控制模块，

所述高速逻辑芯片的第一差分信号输出端与电路节点A之间设有所述电容，所述电阻R1与所述电容并联；

所述电源调节控制模块的调节输出端与所述激光器的正极连接，所述激光器的负极与所述三极管的集电极连接，所述三极管的基极与所述电阻R2于电路节点C处连接，所述三极管的发射极接地；

所述电路节点C与所述电路节点A相邻，均位于电路干路上。

6.根据权利要求5所述的用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动装置，其特征在于，所述激光器由二极管及电阻R封装而成，所述二极管的负极与所述电阻R的一端连接，所述电阻R的另一端经电路与所述集电极连接。

7.根据权利要求6所述的用于量子通信高消光比窄脉冲光源高速驱动装置，其特征在于，所述电源调节控制模块由DAC电路、运放电路或跟随电路组成。

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