0 引言

量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）系统能够提供一种物理上安全的密钥分发方式，在国家政府、军队、金融、科研等信息安全领域有着重要的应用价值，因而成为量子保密通信领域的研究热点^[1]。

由于传输路径的差异、各路激光器响应时间的不严格一致性，使得QKD系统发送方同一时刻发出的八路光信号在设备出口处会有明显的时间间隔，这会给窃听者提供一定的分析价值，系统存在安全隐患。为了保证QKD系统的安全性，必须对QKD系统发送方的八路光源信号进行时序校准处理，达到任意两路光源信号在时间上不可分辨性，从而使窃听者无法辨别发送方发送的状态信息。传统的QKD光源时序校准方法操作复杂、精度不高，且需要借助于专用的校准设备。因此，开发一套高精度、高效率的QKD光源时序自动校准系统迫在眉睫，并且对加快量子通信产业化进程也有重要意义。

本文使用高精度时间间隔测量芯片TDC-GPX与现场可编程门阵列FPGA，设计了一套能够满足量子密钥分发光源时序校准要求的高精度、高效率时序校准系统。

1 总体设计

量子密钥分发光源时序校准系统以TDC-GPX为核心器件，以FPGA为主控制单元，配以其他外围辅助单元完成整个校准功能，系统总体实现框图如图1所示。系统主要由光电转换单元、信号调理单元、TDC-GPX时间测量单元、FPGA主控制单元、板级通信单元组成。光电转换单元采用PIN光电管分别将同步光、信号光（信号态和诱骗态下各四路）脉冲转换成脉冲电信号；信号调理单元由交流耦合电路、高速比较器ADCMP572、电平转换芯片MC100EPT21组成，最终调理成TDC-GPX能够识别的LVTTL信号；时间测量单元采用德国ACAM公司的高精度时间间隔测量芯片TDC-GPX，将各路信号光相对于同步光的时间准确测量出来；主控制单元选用Altera公司的型号为EP4CE10E22C8N的FPGA，主要完成对TDC-GPX的工作模式配置、数据读写操作及后期的数据处理等；板级通信单元主要通过FPGA实现本校准系统与QKD发送方设备的FPGA、ARM通信。

在主控制单元完成对时间测量单元的初始参数及模式配置后，时间测量单元测出八路信号光相对于同步光之间的时间间隔；主控制单元分别读取时间测量单元中八路信号光与同步光的时间间隔值并进行特定的数据处理，然后将处理后的结果命令帧通过串口下发给QKD发送方FPGA。此FPGA按照接收到的命令帧产生各路延时电驱动信号延迟各路信号对应的激光器发光，经过一次延时调整后，系统自动进行第二次信号光与同步光的时间间隔测量，由主控制单元读取第二次测量结果并进行数据处理后通过串口再次下发延时命令。如此反复，经多次测量、偏差比较、反馈控制后，八路信号之间的偏差值会越来越小，直至八路信号之间时间间隔小于给定技术指标后校准完成，校准完成后主控制单元将最终的校准参数一方面写到Flash存储器中用于保存校准参数，另一方面将校准参数通过串口写入QKD发送方ARM中。

2 关键技术及实现

2.1 前端信号调理

信号调理单元主要由交流耦合电路、高速比较器、电平转换芯片构成，其结构框图如图2所示。

在量子密钥分发系统中，同步光经过光电转换单元输出的信号为差分小信号，共模幅值为1 V，差分幅值为400 mV左右。为了甄别出此小幅值信号，需要通过交流耦合的方式接入高速比较器^[2]。为了消除噪声，比较器需要设置一定的滞回比较阈值，设定其值为±20 mV^[3]，比较器输出的是CML差分信号，通过电平转换芯片将其转换成LVTTL单端信号作为TDC-GPX的输入信号。同步光信号调理电路原理图如图3所示。

图4为经信号调理单元调理前后的波形图，示波器Ch2、Ch3为信号调理前的差分小信号，Ch1为调理后的单端LVTTL信号。

2.2 TDC-GPX模式配置

TDC-GPX采用起停型的测量方式，共有4种测量模式，在本量子密钥分发光源时序校准系统中设置同步光、信号光频率都为100 kHz；选用TDC-GPX的I模式进行测量，设置信号的输入类型为LVTTL单端输入，TDC-GPX的起始、停止输入信号全部为上升沿触发；设置StartRetrig=1，开启内部再触发，此时测量的是每个停止信号相对于前面最近的起始信号之间的时间间隔；考虑到TDCGPX的测量精度与芯片内部PLL有关^[4]，设置与PLL相关的HSDiv=205、RefClkDiv=128、MTimer=40。

2.3 FPGA流程控制

基于Quartus II平台，通过编写Verilog HDL逻辑代码，实现对整个量子密钥分发光源时序校准系统的自动控制，相应的程序流程图如图5所示。系统上电后，FPGA对TDC-GPX的寄存器进行配置，完成TDC-GPX的初始化；然后FPGA发出指令给QKD发送方设备，使其发出同步光和第1种类型光，当TDC-GPX的FIFO不为空时，FPGA将FIFO中的时间间隔数据读取出来并进行特定的数据格式转换、数据处理；将第1种类型光延时一个固定的时间，关闭第1种类型光、发出第X种类型光（X的初始值为2）；逐一判断第X种类型光与第1种类型光的时间偏差Δt_x是否小于给定的指标δ，不满足时进行延时调整，直至所有类型光全部满足要求为止；最后将8种类型光对应的延时时间写入Flash，固化到QKD发送方设备的ARM中。

3 TDC-GPX性能测试

TDC-GPX作为整个校准系统的核心器件，其性能的好坏直接决定了校准系统的校准结果，为此进行了TDC-GPX的测量精度及线性度的测试。

3.1 精度测试

时间测量的精度是指在可重复的条件下，对相同的时间间隔重复测量所得标准差的分布，通常取最坏情况的值为测量精度^[5，6]。本测试系统通过信号发生器产生两路窄脉冲信号，一路作为TDC-GPX的START信号，另一路作为TDC-GPX的STOP信号，STOP信号相对于START信号的时间间隔可调。

在本测试实验中设置STOP信号与START信号间的标准时间间隔分别为10 ns、20 ns、50 ns、100 ns，对每组标准时间间隔分别进行测量10 000次，测试结果如表1所示，图6给出了标准时间间隔为20 ns时的测试结果数据分布。分析测试结果知，TDC的测量精度小于80 ps，可以满足量子密钥分发光源时序校准的要求。

3.2 线性度测试

在5 ns~9 μs的测试时间区间内，抽取12个标准时间间隔进行测试，测试结果如表2所示。采用最小二乘法得出数据拟合方程如下所示：

式中，x为标准时间间隔，单位为ns；y为TDC测量值，单位为ns；曲线斜率为0.999 994，由于所使用的信号发生器自身的精度、测试系统板布线不严格一致等方面的影响^[7]，测试数据始终存在0.421 848 ns左右的偏差^[5，8-10]。图7为对应的数据拟合曲线图，从数据拟合曲线图及数据拟合曲线方程可以看出TDC-GPX在整个测试区间内具有良好的线性度。

4 系统应用

将校准系统用于实际量子密钥分发待校准设备中进行校准测试，图8为校准前八路光信号之间的时间关系分布图，图9为校准后八路光信号之间的时间关系分布图。图中幅度较高的为四路信号态信号，幅度较低的为四路诱骗态信号，从图中可以看出校准前的八路信号之间会有明显的时间偏差，而校准后的八路信号之间达到了时间上的不可分辨性，可以满足量子密钥分发系统对光源时序的要求。

5 结论

以TDC-GPX为核心研制了一套量子密钥分发光源时序自动校准系统，对TDC-GPX进行了精度和线性度测试。测试结果表明在整个测试区间内线性度良好，测量精度小于80 ps。将校准系统用于实际量子密钥分发待校准设备中进行校准测试，最终结果表明校准性能良好，可以满足量子密钥分发系统对光源时序的要求。

参考文献

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