0 引言

    量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution，QKD）系統(tǒng)能夠提供一種物理上安全的密鑰分發(fā)方式，在國家政府、軍隊(duì)、金融、科研等信息安全領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值，因而成為量子保密通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)^[1]。

    由于傳輸路徑的差異、各路激光器響應(yīng)時間的不嚴(yán)格一致性，使得QKD系統(tǒng)發(fā)送方同一時刻發(fā)出的八路光信號在設(shè)備出口處會有明顯的時間間隔，這會給竊聽者提供一定的分析價值，系統(tǒng)存在安全隱患。為了保證QKD系統(tǒng)的安全性，必須對QKD系統(tǒng)發(fā)送方的八路光源信號進(jìn)行時序校準(zhǔn)處理，達(dá)到任意兩路光源信號在時間上不可分辨性，從而使竊聽者無法辨別發(fā)送方發(fā)送的狀態(tài)信息。傳統(tǒng)的QKD光源時序校準(zhǔn)方法操作復(fù)雜、精度不高，且需要借助于專用的校準(zhǔn)設(shè)備。因此，開發(fā)一套高精度、高效率的QKD光源時序自動校準(zhǔn)系統(tǒng)迫在眉睫，并且對加快量子通信產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也有重要意義。

    本文使用高精度時間間隔測量芯片TDC-GPX與現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，設(shè)計(jì)了一套能夠滿足量子密鑰分發(fā)光源時序校準(zhǔn)要求的高精度、高效率時序校準(zhǔn)系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)

    量子密鑰分發(fā)光源時序校準(zhǔn)系統(tǒng)以TDC-GPX為核心器件，以FPGA為主控制單元，配以其他外圍輔助單元完成整個校準(zhǔn)功能，系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由光電轉(zhuǎn)換單元、信號調(diào)理單元、TDC-GPX時間測量單元、FPGA主控制單元、板級通信單元組成。光電轉(zhuǎn)換單元采用PIN光電管分別將同步光、信號光（信號態(tài)和誘騙態(tài)下各四路）脈沖轉(zhuǎn)換成脈沖電信號；信號調(diào)理單元由交流耦合電路、高速比較器ADCMP572、電平轉(zhuǎn)換芯片MC100EPT21組成，最終調(diào)理成TDC-GPX能夠識別的LVTTL信號；時間測量單元采用德國ACAM公司的高精度時間間隔測量芯片TDC-GPX，將各路信號光相對于同步光的時間準(zhǔn)確測量出來；主控制單元選用Altera公司的型號為EP4CE10E22C8N的FPGA，主要完成對TDC-GPX的工作模式配置、數(shù)據(jù)讀寫操作及后期的數(shù)據(jù)處理等；板級通信單元主要通過FPGA實(shí)現(xiàn)本校準(zhǔn)系統(tǒng)與QKD發(fā)送方設(shè)備的FPGA、ARM通信。

    在主控制單元完成對時間測量單元的初始參數(shù)及模式配置后，時間測量單元測出八路信號光相對于同步光之間的時間間隔；主控制單元分別讀取時間測量單元中八路信號光與同步光的時間間隔值并進(jìn)行特定的數(shù)據(jù)處理，然后將處理后的結(jié)果命令幀通過串口下發(fā)給QKD發(fā)送方FPGA。此FPGA按照接收到的命令幀產(chǎn)生各路延時電驅(qū)動信號延遲各路信號對應(yīng)的激光器發(fā)光，經(jīng)過一次延時調(diào)整后，系統(tǒng)自動進(jìn)行第二次信號光與同步光的時間間隔測量，由主控制單元讀取第二次測量結(jié)果并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過串口再次下發(fā)延時命令。如此反復(fù)，經(jīng)多次測量、偏差比較、反饋控制后，八路信號之間的偏差值會越來越小，直至八路信號之間時間間隔小于給定技術(shù)指標(biāo)后校準(zhǔn)完成，校準(zhǔn)完成后主控制單元將最終的校準(zhǔn)參數(shù)一方面寫到Flash存儲器中用于保存校準(zhǔn)參數(shù)，另一方面將校準(zhǔn)參數(shù)通過串口寫入QKD發(fā)送方ARM中。

2 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

2.1 前端信號調(diào)理

    信號調(diào)理單元主要由交流耦合電路、高速比較器、電平轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，同步光經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換單元輸出的信號為差分小信號，共模幅值為1 V，差分幅值為400 mV左右。為了甄別出此小幅值信號，需要通過交流耦合的方式接入高速比較器^[2]。為了消除噪聲，比較器需要設(shè)置一定的滯回比較閾值，設(shè)定其值為±20 mV^[3]，比較器輸出的是CML差分信號，通過電平轉(zhuǎn)換芯片將其轉(zhuǎn)換成LVTTL單端信號作為TDC-GPX的輸入信號。同步光信號調(diào)理電路原理圖如圖3所示。

    圖4為經(jīng)信號調(diào)理單元調(diào)理前后的波形圖，示波器Ch2、Ch3為信號調(diào)理前的差分小信號，Ch1為調(diào)理后的單端LVTTL信號。

2.2 TDC-GPX模式配置

    TDC-GPX采用起停型的測量方式，共有4種測量模式，在本量子密鑰分發(fā)光源時序校準(zhǔn)系統(tǒng)中設(shè)置同步光、信號光頻率都為100 kHz；選用TDC-GPX的I模式進(jìn)行測量，設(shè)置信號的輸入類型為LVTTL單端輸入，TDC-GPX的起始、停止輸入信號全部為上升沿觸發(fā)；設(shè)置StartRetrig=1，開啟內(nèi)部再觸發(fā)，此時測量的是每個停止信號相對于前面最近的起始信號之間的時間間隔；考慮到TDCGPX的測量精度與芯片內(nèi)部PLL有關(guān)^[4]，設(shè)置與PLL相關(guān)的HSDiv=205、RefClkDiv=128、MTimer=40。

2.3 FPGA流程控制

    基于Quartus II平臺，通過編寫Verilog HDL邏輯代碼，實(shí)現(xiàn)對整個量子密鑰分發(fā)光源時序校準(zhǔn)系統(tǒng)的自動控制，相應(yīng)的程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA對TDC-GPX的寄存器進(jìn)行配置，完成TDC-GPX的初始化；然后FPGA發(fā)出指令給QKD發(fā)送方設(shè)備，使其發(fā)出同步光和第1種類型光，當(dāng)TDC-GPX的FIFO不為空時，F(xiàn)PGA將FIFO中的時間間隔數(shù)據(jù)讀取出來并進(jìn)行特定的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理；將第1種類型光延時一個固定的時間，關(guān)閉第1種類型光、發(fā)出第X種類型光（X的初始值為2）；逐一判斷第X種類型光與第1種類型光的時間偏差Δt_x是否小于給定的指標(biāo)δ，不滿足時進(jìn)行延時調(diào)整，直至所有類型光全部滿足要求為止；最后將8種類型光對應(yīng)的延時時間寫入Flash，固化到QKD發(fā)送方設(shè)備的ARM中。

3 TDC-GPX性能測試

    TDC-GPX作為整個校準(zhǔn)系統(tǒng)的核心器件，其性能的好壞直接決定了校準(zhǔn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)結(jié)果，為此進(jìn)行了TDC-GPX的測量精度及線性度的測試。

3.1 精度測試

    時間測量的精度是指在可重復(fù)的條件下，對相同的時間間隔重復(fù)測量所得標(biāo)準(zhǔn)差的分布，通常取最壞情況的值為測量精度^[5，6]。本測試系統(tǒng)通過信號發(fā)生器產(chǎn)生兩路窄脈沖信號，一路作為TDC-GPX的START信號，另一路作為TDC-GPX的STOP信號，STOP信號相對于START信號的時間間隔可調(diào)。

    在本測試實(shí)驗(yàn)中設(shè)置STOP信號與START信號間的標(biāo)準(zhǔn)時間間隔分別為10 ns、20 ns、50 ns、100 ns，對每組標(biāo)準(zhǔn)時間間隔分別進(jìn)行測量10 000次，測試結(jié)果如表1所示，圖6給出了標(biāo)準(zhǔn)時間間隔為20 ns時的測試結(jié)果數(shù)據(jù)分布。分析測試結(jié)果知，TDC的測量精度小于80 ps，可以滿足量子密鑰分發(fā)光源時序校準(zhǔn)的要求。

3.2 線性度測試

    在5 ns~9 μs的測試時間區(qū)間內(nèi)，抽取12個標(biāo)準(zhǔn)時間間隔進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2所示。采用最小二乘法得出數(shù)據(jù)擬合方程如下所示：

    式中，x為標(biāo)準(zhǔn)時間間隔，單位為ns；y為TDC測量值，單位為ns；曲線斜率為0.999 994，由于所使用的信號發(fā)生器自身的精度、測試系統(tǒng)板布線不嚴(yán)格一致等方面的影響^[7]，測試數(shù)據(jù)始終存在0.421 848 ns左右的偏差^[5，8-10]。圖7為對應(yīng)的數(shù)據(jù)擬合曲線圖，從數(shù)據(jù)擬合曲線圖及數(shù)據(jù)擬合曲線方程可以看出TDC-GPX在整個測試區(qū)間內(nèi)具有良好的線性度。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

    將校準(zhǔn)系統(tǒng)用于實(shí)際量子密鑰分發(fā)待校準(zhǔn)設(shè)備中進(jìn)行校準(zhǔn)測試，圖8為校準(zhǔn)前八路光信號之間的時間關(guān)系分布圖，圖9為校準(zhǔn)后八路光信號之間的時間關(guān)系分布圖。圖中幅度較高的為四路信號態(tài)信號，幅度較低的為四路誘騙態(tài)信號，從圖中可以看出校準(zhǔn)前的八路信號之間會有明顯的時間偏差，而校準(zhǔn)后的八路信號之間達(dá)到了時間上的不可分辨性，可以滿足量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)對光源時序的要求。

5 結(jié)論

    以TDC-GPX為核心研制了一套量子密鑰分發(fā)光源時序自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，對TDC-GPX進(jìn)行了精度和線性度測試。測試結(jié)果表明在整個測試區(qū)間內(nèi)線性度良好，測量精度小于80 ps。將校準(zhǔn)系統(tǒng)用于實(shí)際量子密鑰分發(fā)待校準(zhǔn)設(shè)備中進(jìn)行校準(zhǔn)測試，最終結(jié)果表明校準(zhǔn)性能良好，可以滿足量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)對光源時序的要求。

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