CN113504030B - 高速脉冲激光器相位随机化测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高速脉冲激光器相位随机化测试装置，包括：激光源，激光源与分束器的输入端连接，分束器分别与sagnac干涉环长臂、FM反射短臂连接，FM反射短臂与sagnac干涉环长臂的前后脉冲反射光在分束器处产生干涉；探测模块，将干涉产生的光信号转换为电信号，同时测试干涉光功率；数据分析模块，基于干涉光功率及干涉光的电信号进行激光器脉冲随机性的检测。通过测试激光器连续光和脉冲光模式下干涉条纹可见度比值定性判定激光器是否相位随机，仅需使用光功率计便可测试，光路简单，成本较低；采用单次对单一脉冲干涉峰值采样，排除了时间抖动带来的采样误差，基于干涉峰的随机性进行激光器相位随机性的定量判定，提高激光器相位随机性的检测精准度。

Description

高速脉冲激光器相位随机化测试装置及方法

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，更具体地，本发明涉及一种高速脉冲激光器相位随机化测试装置及方法。

背景技术

量子保密通信技术基于未知量子态无法克隆原理和海森堡不确定性原理，在理论上证明是一种绝对安全的加密技术。当前，基于BB84协议的量子密钥分发(QKD)***成熟度最高，近十年来，东芝公司剑桥研究所、日内瓦大学、日本NEC和NICT、美国NIST以及中国科技大学等科研团队实现了1GHz～1.25GHz的BB84实用化QKD***，在军事、政务、海关以及银行等方面有着广泛的应用前景。

对于BB84量子密钥分发协议，单光子源的相位随机性是保证其安全性的必要因素之一。目前的QKD***中，单光子源大都通过增益开关DFB激光器衰减后产生，在增益开关模式下，每个激光脉冲由自发辐射的种子光产生，光子在下一次脉冲激发之前在间隔中消失，自发辐射相位是随机的，从而证明光源相位是随机的。但随着激光脉冲频率的提高，前后脉冲重叠的可能性增大，脉冲相位随机化存在一定的质疑，目前还缺少对这一参数进行定性和定量测试的方法。在量子通信快速发展的情况下，设计出激光光源脉冲相位随机性测试的方法是QKD***安全性验证的关键一步。现有技术中，大都通过前后脉冲干涉通过FPGA控制ADC采样脉冲峰值数据来测试，但对于高速QKD***，脉冲重复频率高，脉冲间隔较短，脉冲之间的时间抖动以及MZ干涉环中长短臂由于光程不同脉冲偏振不一致，导致干涉受偏振以及环境变化不稳定，对测试结果影响较大。

发明内容

本发明提供一种高速脉冲激光器相位随机化测试装置，旨在改善上述问题。

本发明是这样实现的，一种高速脉冲激光器相位随机化测试装置，所述装置包括：

激光源，激光源通过光纤跳线与分束器的输入端连接，分束器的输出端分别与sagnac干涉环长臂、FM反射短臂连接，FM反射短臂与sagnac干涉环长臂的前后脉冲反射光在分束器处产生干涉；

探测模块，将干涉产生的光信号转换为电信号，同时测试干涉光功率；

数据分析模块，基于干涉光功率及干涉光的电信号进行激光器脉冲随机性的检测。

进一步的，所述sagnac干涉环长臂还包括：

偏振分束器，偏振分束器的端口1与相位调制模块的端口2连接，偏振分束器的端口3与相位调制模块的端口4连接，端口1到端口2的距离与端口路口3到端口4的距离相等，

偏振分束器将分束器输出的脉冲激光束分成水平偏振和竖直偏振的两束脉冲激光，两束脉冲激光沿相反方向传播，相位调制模块同步调节两束脉冲激光的相位，两束脉冲激光在偏振分束器处耦合成一束激光，返回至分束器；

FM反射短臂由90°偏振旋转的法拉第旋转反射镜构成，分束器输出的脉冲激光经90°偏振旋转的法拉第旋转反射镜反射返回至分束器；

其中，sagnac干涉环长臂相比于FM反射短臂的反射光延时nT，T为激光源脉冲的发射周期；

进一步的，所述装置还包括：

光强调节单元，调节FM反射短臂的光脉冲幅度，与sagnac干涉环长臂的脉冲幅度一致。

本发明还提供一种高速脉冲激光器相位随机化测试方法，所述方法包括如下步骤：

S1、采集干涉光光强值计算脉冲光干涉条纹的可见度θ₁；

S2、计采集干涉光光强值计算连续光的干涉条纹可见度θ₂；

S3、计算干涉条纹可见度θ₁与干涉条纹可见度θ₂的比值，若比值接近于0，则初步判定激光器满足相位随机化，执行步骤S4；

S4、基于干涉光的电脉冲信号，在脉冲周期内查找脉冲强度峰值及其距周期起始时刻的时间间隔t₁，在距每个周期起始时刻的时段t₁时采集各脉冲周期的脉冲强度，对上述采集的脉冲强度值进行随机性检测，若随机性检测通过，则认定激光器满足相位随机化。

进一步的，通过光强调节单元调节FM反射短臂的光脉冲幅度，使之与sagnac干涉环长臂的脉冲幅度一致。

本发明提供的高速脉冲激光器相位随机化测试装置具有如下有益技术效果：

(1)使用了FSM干涉环替代以往的MZ干涉环，在MZ干涉环中，由于长短臂光程不一致，导致脉冲在长短臂偏振变化不一致导致干涉受环境变化不稳定的影响，而FSM干涉环长短臂输出脉冲相对输入脉冲偏振均旋转了90°，具有抗偏振扰动性，最终使得干涉输出较MZ稳定；

(2)通过测试激光器连续光和脉冲光模式下干涉条纹可见度比值可以定性判定激光器是否相位随机，仅需使用光功率计便可测试，光路简单，成本较低；

(3)采用单次对单一脉冲干涉峰值采样，排除了时间抖动带来的采样误差，基于干涉峰的随机性进行激光器相位随机性的定量判定，提高激光器相位随机性的检测精准度，适合现有1GHz以上的高速激光器相位随机性测试。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高速脉冲激光器相位随机化测试装置的机构示意图；

图2为本发明实施例提供的连续光干涉结果示意图；

图3为本发明实施例提供的脉冲光干涉结果示意图；

图4为本发明实施例提供的电脉冲信号采集原理对比图，其中，(a)wei现有技术提供的数据采集方法，(b)本发明技术方案提供的数据采集方法；

图5为本发明实施例提供的干涉强度概率密度分布曲线；

图6为本发明实施例提供的干涉模块相位与强度调制示意图；

图7为本发明实施例提供的数据探测与分析结构示意图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

高速脉冲激光器相位随机化测试装置主要由干涉模块、相位调制模块、探测模块和数据分析模块组成，干涉模块由与sagnac干涉环长臂(简称长臂)及FM反射短臂(简称短臂)组成，其中，相位调制模块集成在干涉模块中，通过激光相邻脉冲或者相隔几个周期脉冲干涉，通过干涉光强来测试脉冲相位随机性。由于相邻脉冲比分离脉冲相位之间相关可能性更大，本实例中均测试相邻脉冲相位随机性。

本实例中所用干涉模块为FSM干涉环，该FSM干涉环制作形式可以是光纤结构、自由空间结构或者波导芯片结构，同行业的相关技术人与应该理解。现有技术方案中用MZ干涉环，光脉冲偏振在长短两臂中变化不一致，导致干涉结果受环境变化影响较大，而FSM干涉环中sagnac环和FM中具有抗偏振扰动性能，干涉结果受环境影响变化小，且脉冲采集方式均在同一时刻采集单脉冲强度，减小了相邻脉冲时间抖动带来的采样误差，更适合在高速***使用。

光源产生的光脉冲进入干涉模块，干涉模块延时时间为光脉冲周期的整数倍，因而相邻脉冲在输出时相遇发生干涉。相位调制模块设置sagnac干涉环长臂中，通过调节相位改变干涉模块中长短臂光脉冲的相位差，干涉输出接入光功率计，光功率计测试的为光信号的平均功率，如果脉冲之间存在固定相位关系，则调节长短臂光脉冲相位差时，功率计能看到明显的光强变化，出现清晰的干涉条纹。如果脉冲之间相位是随机的，调节长短臂光脉冲相位差时，在平均时间累积下，功率计测试光强没有变化，看不到干涉条纹，测试结果如图3所示。

激光器包括两种模式，连续光模式及增益开关脉冲模式，在连续光模式下，激光器发出连续激光，在增益开关脉冲模式下，激光器发出脉冲激光，基于以上原理，为了定性测试激光器脉冲相位随机性，首先，激光器工作在连续光模式，光源相干长度大于干涉模块延时，使得干涉模块输出发生干涉。由于连续光相位是固定的，调节干涉模块长短臂光相位差时，在功率计能看到明显光强变化，测试干涉条纹可见度Θ₀接近于1。再次将激光器工作在QKD***运行时的脉冲频率，将光脉冲经过相同的干涉模块，将输出干涉光强接入光功率计，调节长短臂光相位差时，在功率计测试光强无明显变化，测试干涉条纹可见度Θ₁接近于0。采集激光器在上述两种模式下的干涉光光强，进而可以计算输连续光与脉冲光的干涉条纹可见度比值，用于激光器相位随机化的定性检测，干涉条纹可见度Θ的计算公式具体如下：

其中，I_max和I_min分别为干涉相长和干涉相消时的光强值，随着相位相关性的增强，干涉条纹可见度越接近于1。以下说明干涉条纹可见性和相位相关的关系，干涉输出光强可表示为：

其中，ε为介电常数，α_A和α_B为相邻干涉脉冲的场，θ为相邻脉冲的相对相位，C表示常数，有上式可知，产生干涉的项为：

而相位变化较为缓慢，相对相位θ是一个概率变量，可见干涉条纹可见度由相对相位θ的期望值决定。若相对相位服从θ₀为中心，标准差为σ的高斯概率密度函数：

期望值为：

由式(2)-(5)可知干涉条纹可见度与相对相位标准差关系为：

由式(6)可知，相对相位标准差越小，相邻脉冲相对相位相关性越大，干涉条纹可见度越高。反之干涉条纹可见度越低。因此，连续光和脉冲光模式下测试干涉结果分别如图2和3所示。通过测试同一干涉环，在脉冲模式下干涉条纹可见度与连续光模式下干涉条纹可见度的比值，即可判定脉冲相位的随机性。

图1为本发明实施例提供的高速脉冲激光器相位随机化测试装置的机构示意图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分，该***包括：

激光源，激光源通过光纤跳线与分束器的输入端连接，分束器的输出端分别与sagnac干涉环长臂、FM反射短臂连接，FM反射短臂与sagnac干涉环长臂的反射光在分束器处产生干涉；

在本发明实施例中，FM反射短臂由90°偏振旋转的法拉第旋转反射镜构成；sagnac干涉环长臂由偏振分束器及相位调制模器组成，偏振分束器存在两个端口，即端口1和端口2，相位调制模块存在两个端口，端口3及端口4，偏振分束器的端口1与相位调制模块的端口2连接，偏振分束器的端口3与相位调制模块的端口4连接，端口1到端口2的距离L₁₂与端口路口3到端口4的距离L₃₄相等。

激光器周期性的发出脉冲激光，发射周期为T，脉冲激光经分束器分成两束脉冲激光，称为脉冲激光1和脉冲激光2，脉冲激光1输入90°偏振旋转的法拉第旋转反射镜，再经90°偏振旋转的法拉第旋转反射镜反射至分束器；脉冲激光2经偏振分束器分成水平偏振的脉冲激光束21和竖直偏振的脉冲激光束22，脉冲激光束21(脉冲激光束22)沿顺时针方向传播至相位调制模块，脉冲激光束22(脉冲激光束21)沿逆时针方向传播至相位调制模块，脉冲激光束21和脉冲激光束22在相位调制模块同时进行相位调制，经相位调制模块调制后的脉冲激光束21和脉冲激光束22继续沿原方向传播，在偏振分束器处耦合成新的脉冲激光束，称为脉冲激光束3，脉冲激光束3与脉冲激光束2之间存在相位差，偏振分束器内部集成有法拉第旋转器FR，脉冲激光束3反射至分束器，通过控制sagnac干涉环长臂及FM反射短臂的臂长，使得脉冲激光束2的反射光时延为脉冲激光束1的nT，其中n为正整数，脉冲激光束2的反射光与相邻或相隔几个周期的脉冲激光束1的反射光在分束器处产生干涉；

探测模块，由光电探测器和高精度高量程光功率计组成，光功率计采集分束器处干涉光的功率(又称光强)，输出至数据分析模块；光电探测器件将干涉的光脉冲信号转化为电脉冲信号，输出至数据分析模块；

数据分析模块，基于干涉光光强计算干涉条纹可见度，基于连续光与脉冲光的干涉条纹可见度比值进行激光器相位随机化的定性检测，在定性检测符合要求后，在基于电脉冲信号进行激光器相位随机化的定量检测。

干涉模块除了以上所述的FSM干涉环，对于同样抗偏振扰动的FM干涉环，同样适用在本发明中作为干涉模块，相位调制模块在Faraday-Sagnac-Michelson干涉环(简称FSM干涉环)的中间，如图6中虚线框所示，包含一个相位调制器和驱动控制单元，相位调制器可以是电光铌酸锂晶体的，可以是压电陶瓷的、热光调制的以及未来其他形式的相位调制产品。驱动控制单元可以是电压驱动控制、温度控制等，本装置主要用的电压驱动，驱动电压幅度需大于等于相位调制器的半波电压。相位调制模块中的驱动控制单元是一个高精度输出高幅度的信号源，两通道可调，在激光器连续光和脉冲光模式下，均控制电压调节步进为0.05V，在0-Vπ的电压范围内扫描，使得干涉环长臂上相位在0-2π调制，此时观察光功率计功率值最大和最小值，计算干涉条纹可见度，比计算连续光和脉冲光干涉条纹之比，如果比例接近0，则激光器满足相位随机化，触发光电探测器定量测试，否则无须通过光电探测器定量测试。

在本发明的另一实施例中，该高速脉冲激光器相位随机化测试装置还包括：

光强调节单元，调节FM反射短臂的光脉冲幅度，使得FM反射短臂与sagnac干涉环长臂的脉冲幅度基本一致；强度调制单元也集成在干涉模块中，连接在FSM干涉环短臂中，通过驱动控制来调节短臂光脉冲幅度，平衡长臂和短臂脉冲幅度，使得干涉条纹可见度最高，以提高测试精度。在激光器脉冲模式下，通过驱动控制单元，在强度调制器偏置端口以进为0.01V调节偏置电压，同时观察光功率计值，直到光功率计值最低功率值将扫描的电压值写入驱动控制单元。

本发明中的探测模块由光电探测器和光功率计组成，结构如图7所示，由干涉模块输出的光脉冲一部分连接光电探测器，将光信号转换为电信号，然后将输出电信号接到数据分析模块。另一部分输出光信号接入高精度光功率计，将功率值输入数据分析模块。

激光器分别连续光和脉冲光输出，光功率计通过相位调制模块的驱动控制单元扫描驱动电压，调制相位后测试干涉输出光功率，并将功率值输入数据分析模块，通过数据分析模块绘出干涉光强-电压曲线(电压扫描范围≥半波电压)，测试连续光和脉冲光干涉条纹可见度，两者之比接近0。此时光电探测器开启，将测试到的光脉冲信号转化为与激光器同频的电脉冲信号，同时将输出进入数据分析模块。

本装置中数据分析模块接收到探测模块的两种信号，一部分是光功率计探测的功率值，另一部分是光电探测器探测的电脉冲信号。数据分析模块首先对通过光功率值进行干涉光强-电压曲线绘制，通过干涉条纹可见度比值定性判断激光器相位随机性。随机性定性判断通过后，探测模块开始采集光电探测器的电脉冲信号，如图4所示，在固定的脉冲周期范围P₁内查找脉冲峰值，并确定该峰值对应的时刻t₁,然后固定在t₁时刻重复获取脉冲值，取值次数在10k以上。数据分析模块将采集的数值通过数据分析模块绘出干涉强度概率密度曲线，同时将数值进行随机性测试。

在现有技术中多采用等间隔脉冲采样，在每间隔一个时间周期采集一次干涉脉冲峰值，而每个脉冲之间本身存在时间抖动，脉冲周期有一定的变化区间，在等间隔采样时采集的并非是实际的干涉峰值点，如图4的(a)所示，I₁可能实际在前后两边虚线的位置，而采样时采集的是实线脉冲的峰值，造成采样误差，最终导致测试误差。对于脉冲重复频率越高的激光器，时间抖动对测试带来的误差越大。

本发明采用的是单脉冲采样，脉冲周期内查找脉冲强度峰值及其距周期起始时刻的时间间隔t₁，在距每个周期起始时刻的时段t₁时采集各脉冲周期的脉冲强度，如图4的(b)所示，排除了相邻脉冲时间抖动对采样准确性的影响，提高了测试的准确性。在干涉峰值点数据采集后，将采集结果绘制干涉光强概率密度曲线，如图5所示，同时进行随机数检测，由此定量测试激光器脉冲随机性。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高速脉冲激光器相位随机化测试装置，其特征在于，所述装置包括：

激光源，激光源通过光纤跳线与分束器的输入端连接，分束器的输出端分别与sagnac干涉环长臂、FM反射短臂连接，FM反射短臂与sagnac干涉环长臂的前后脉冲反射光在分束器处产生干涉；

探测模块，将干涉产生的光信号转换为电信号，同时测试干涉光功率；

数据分析模块，基于干涉光功率及干涉光的电信号进行激光器脉冲随机性的检测；

所述sagnac干涉环长臂还包括：

偏振分束器，偏振分束器的端口1与相位调制模块的端口2连接，偏振分束器的端口3与相位调制模块的端口4连接，端口1到端口2的距离与端口路口3到端口4的距离相等，

偏振分束器将分束器输出的脉冲激光束分成水平偏振和竖直偏振的两束脉冲激光，两束脉冲激光沿相反方向传播，相位调制模块同步调节两束脉冲激光的相位，两束脉冲激光在偏振分束器处耦合成一束激光，返回至分束器；

FM反射短臂由90°偏振旋转的法拉第旋转反射镜构成，分束器输出的脉冲激光经90°偏振旋转的法拉第旋转反射镜反射返回至分束器；

其中，sagnac干涉环长臂相比于FM反射短臂的反射光延时nT，T为激光源脉冲的发射周期。

2.如权利要求1所述高速脉冲激光器相位随机化测试装置，其特征在于，所述装置还包括：

光强调节单元，调节FM反射短臂的光脉冲幅度，与sagnac干涉环长臂的脉冲幅度一致。

3.一种基于权利要求1至2任一权利要求高速脉冲激光器相位随机化测试装置的相位随机化测试方法，其特征在，所述方法包括如下步骤：

S1、采集干涉光光强值计算脉冲光干涉条纹的可见度θ₁；

S2、计采集干涉光光强值计算连续光的干涉条纹可见度θ₂；

S3、计算干涉条纹可见度θ₁与干涉条纹可见度θ₂的比值，若比值接近于0，则初步判定激光器满足相位随机化，执行步骤S4；

S4、基于干涉光的电脉冲信号，在脉冲周期内查找脉冲强度峰值及其距周期起始时刻的时间间隔t₁，在距每个周期起始时刻的时段t₁时采集各脉冲周期的脉冲强度，对上述采集的脉冲强度值进行随机性检测，若随机性检测通过，则认定激光器满足相位随机化。

4.如权利要求3所述速脉冲激光器相位随机化测试方法，其特征在于，通过光强调节单元调节FM反射短臂的光脉冲幅度，使之与sagnac干涉环长臂的脉冲幅度一致。