0 引言

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

    由于傳輸路徑的差異、各路激光器響應時間的不嚴格一致性，使得QKD系統發送方同一時刻發出的八路光信號在設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，系統存在安全隱患。為了保證QKD系統的安全性，必須對QKD系統發送方的八路光源信號進行時序校準處理，達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送方發送的狀態信息。傳統的QKD光源時序校準方法操作復雜、精度不高，且需要借助于專用的校準設備。因此，開發一套高精度、高效率的QKD光源時序自動校準系統迫在眉睫，并且對加快量子通信產業化進程也有重要意義。

    本文使用高精度時間間隔測量芯片TDC-GPX與現場可編程門陣列FPGA，設計了一套能夠滿足量子密鑰分發光源時序校準要求的高精度、高效率時序校準系統。

1 總體設計

    量子密鑰分發光源時序校準系統以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功能，系統總體實現框圖如圖1所示。系統主要由光電轉換單元、信號調理單元、TDC-GPX時間測量單元、FPGA主控制單元、板級通信單元組成。光電轉換單元采用PIN光電管分別將同步光、信號光（信號態和誘騙態下各四路）脈沖轉換成脈沖電信號；信號調理單元由交流耦合電路、高速比較器ADCMP572、電平轉換芯片MC100EPT21組成，最終調理成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、數據讀寫操作及后期的數據處理等；板級通信單元主要通過FPGA實現本校準系統與QKD發送方設備的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行特定的數據處理，然后將處理后的結果命令幀通過串口下發給QKD發送方FPGA。此FPGA按照接收到的命令幀產生各路延時電驅動信號延遲各路信號對應的激光器發光，經過一次延時調整后，系統自動進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果并進行數據處理后通過串口再次下發延時命令。如此反復，經多次測量、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指標后校準完成，校準完成后主控制單元將最終的校準參數一方面寫到Flash存儲器中用于保存校準參數，另一方面將校準參數通過串口寫入QKD發送方ARM中。

2 關鍵技術及實現

2.1 前端信號調理

    信號調理單元主要由交流耦合電路、高速比較器、電平轉換芯片構成，其結構框圖如圖2所示。

    在量子密鑰分發系統中，同步光經過光電轉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，比較器需要設置一定的滯回比較閾值，設定其值為±20 mV^[3]，比較器輸出的是CML差分信號，通過電平轉換芯片將其轉換成LVTTL單端信號作為TDC-GPX的輸入信號。同步光信號調理電路原理圖如圖3所示。

    圖4為經信號調理單元調理前后的波形圖，示波器Ch2、Ch3為信號調理前的差分小信號，Ch1為調理后的單端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，在本量子密鑰分發光源時序校準系統中設置同步光、信號光頻率都為100 kHz；選用TDC-GPX的I模式進行測量，設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；設置StartRetrig=1，開啟內部再觸發，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部PLL有關^[4]，設置與PLL相關的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，實現對整個量子密鑰分發光源時序校準系統的自動控制，相應的程序流程圖如圖5所示。系統上電后，FPGA對TDC-GPX的寄存器進行配置，完成TDC-GPX的初始化；然后FPGA發出指令給QKD發送方設備，使其發出同步光和第1種類型光，當TDC-GPX的FIFO不為空時，FPGA將FIFO中的時間間隔數據讀取出來并進行特定的數據格式轉換、數據處理；將第1種類型光延時一個固定的時間，關閉第1種類型光、發出第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δ，不滿足時進行延時調整，直至所有類型光全部滿足要求為止；最后將8種類型光對應的延時時間寫入Flash，固化到QKD發送方設備的ARM中。

3 TDC-GPX性能測試

    TDC-GPX作為整個校準系統的核心器件，其性能的好壞直接決定了校準系統的校準結果，為此進行了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的條件下，對相同的時間間隔重復測量所得標準差的分布，通常取最壞情況的值為測量精度^[5，6]。本測試系統通過信號發生器產生兩路窄脈沖信號，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。

    在本測試實驗中設置STOP信號與START信號間的標準時間間隔分別為10 ns、20 ns、50 ns、100 ns，對每組標準時間間隔分別進行測量10 000次，測試結果如表1所示，圖6給出了標準時間間隔為20 ns時的測試結果數據分布。分析測試結果知，TDC的測量精度小于80 ps，可以滿足量子密鑰分發光源時序校準的要求。

3.2 線性度測試

    在5 ns~9 μs的測試時間區間內，抽取12個標準時間間隔進行測試，測試結果如表2所示。采用最小二乘法得出數據擬合方程如下所示：

    式中，x為標準時間間隔，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生器自身的精度、測試系統板布線不嚴格一致等方面的影響^[7]，測試數據始終存在0.421 848 ns左右的偏差^[5，8-10]。圖7為對應的數據擬合曲線圖，從數據擬合曲線圖及數據擬合曲線方程可以看出TDC-GPX在整個測試區間內具有良好的線性度。

4 系統應用

    將校準系統用于實際量子密鑰分發待校準設備中進行校準測試，圖8為校準前八路光信號之間的時間關系分布圖，圖9為校準后八路光信號之間的時間關系分布圖。圖中幅度較高的為四路信號態信號，幅度較低的為四路誘騙態信號，從圖中可以看出校準前的八路信號之間會有明顯的時間偏差，而校準后的八路信號之間達到了時間上的不可分辨性，可以滿足量子密鑰分發系統對光源時序的要求。

5 結論

    以TDC-GPX為核心研制了一套量子密鑰分發光源時序自動校準系統，對TDC-GPX進行了精度和線性度測試。測試結果表明在整個測試區間內線性度良好，測量精度小于80 ps。將校準系統用于實際量子密鑰分發待校準設備中進行校準測試，最終結果表明校準性能良好，可以滿足量子密鑰分發系統對光源時序的要求。

參考文獻

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