環(huán)17由50/50保偏光纖耦合器的尾纖繞制而成，可避免引入外接跳線而引起的插入損耗。光纖固定夾具16可將光纖圓環(huán)17固定于可動(dòng)滑塊11與與第二固定塊12之間，當(dāng)可動(dòng)滑塊滑動(dòng)時(shí)，通過(guò)改變光纖的彎曲度來(lái)改變光纖中光場(chǎng)強(qiáng)度的衰減。小體積直線步進(jìn)電機(jī)9(20CmX20CmX28Cm)安裝于第一固定塊10之上，電機(jī)采用兩相四線接法，上電后可帶動(dòng)螺桿15轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)可動(dòng)滑塊11沿滑桿14滑動(dòng)，步進(jìn)精度3微米。為了確保光纖衰減器具有良好的穩(wěn)定性，可動(dòng)滑塊11與滑桿14需嚴(yán)密結(jié)合，光纖圓環(huán)通過(guò)光纖固定夾具16牢固地固定在可動(dòng)滑塊11與第二固定塊12之間。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)直線步進(jìn)電機(jī)工作，大大簡(jiǎn)化了電機(jī)的控制方式。為了避免直線步進(jìn)電機(jī)過(guò)熱而導(dǎo)致機(jī)械裝置發(fā)生明顯的熱脹冷縮現(xiàn)象，直線步進(jìn)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有較低的功耗。
[0025]電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使用大大簡(jiǎn)化了直線步進(jìn)電機(jī)的控制方式，實(shí)驗(yàn)中所選的驅(qū)動(dòng)器需具有低振動(dòng)，小噪聲，高速度的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，可接12-32V直流電壓。驅(qū)動(dòng)器具有內(nèi)置的六個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)和四個(gè)接線端。通過(guò)三位撥碼開(kāi)關(guān)SW1，Sff2, SW3選擇23= 8檔細(xì)分控制（I、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128)。實(shí)驗(yàn)中為了獲得足夠的單步步進(jìn)精度，選取最小步長(zhǎng)1/128。通過(guò)三位撥碼開(kāi)關(guān)SW4，Sff5, SW6可選擇23= 8檔電流控制（O. 2A、
O.4A、0. 6A、0. 8A、I. 05A、I. 3A、I. 55A、I. 8A)。因?yàn)閺澢饫w所用力度較小，實(shí)驗(yàn)中選取最低驅(qū)動(dòng)電流O. 2A，同樣為了降低電機(jī)的功耗，接入了 12V直流電源。在該驅(qū)動(dòng)功率和室溫25°C的環(huán)境下，直線步進(jìn)電機(jī)的工作溫度低于35度。驅(qū)動(dòng)器的四個(gè)接線端分別是單步脈沖輸入端PUL(脈沖上升沿有效)，步進(jìn)方向輸入端DIR(高低電平代表不同的步進(jìn)方向)，驅(qū)動(dòng)器使能端ENA和邏輯電平的公共接線端COM。上述四個(gè)控制接口與數(shù)據(jù)采集卡的I/O接口相連，通過(guò)采用安裝在計(jì)算機(jī)中的LabView軟件進(jìn)行控制。
[0026]在調(diào)節(jié)探測(cè)器兩臂的平衡度時(shí)，為避免信號(hào)態(tài)光場(chǎng)對(duì)探測(cè)器當(dāng)前的平衡度產(chǎn)生影響，應(yīng)當(dāng)使信號(hào)輸入端的光場(chǎng)為真空態(tài)。實(shí)驗(yàn)中為了獲取探測(cè)器輸出電脈沖的峰值，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了脈沖采集電路與時(shí)鐘恢復(fù)電路4，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，空心箭頭表示使用90/10保偏光纖耦合器提取的小部分本地光場(chǎng)，經(jīng)寬帶探測(cè)器18后，可輸出與光脈沖形狀一致的高斯電脈沖，該電脈沖經(jīng)高速比較器19后可輸出矩形脈沖，然后再經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制芯片20與時(shí)鐘延時(shí)芯片21后輸出可精確延時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)。22為穩(wěn)壓源，與電位器23組合后可向高速比較器提供可調(diào)比較電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路24的具體實(shí)現(xiàn)形式為數(shù)據(jù)采集卡。
[0027]圖4所示是自動(dòng)平衡后探測(cè)器輸出的散粒噪聲圖與精確延時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)圖，將這兩路信號(hào)分別輸入數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端口和外接時(shí)鐘輸入端口，可對(duì)探測(cè)器輸出的電脈沖峰值進(jìn)行精確的采集。這里我們采用了直接脈沖峰值的采集方法，這種峰值采集方法要求時(shí)鐘具有較快的上升沿和精確的延時(shí)精度，探測(cè)器輸出的電脈沖具有較為平坦的峰值，脈沖的上升沿與峰值的時(shí)間坐標(biāo)需精確對(duì)齊或存在一個(gè)固定的時(shí)間差；數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道配置專有的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，避免多路復(fù)用等情況。
[0028]實(shí)施過(guò)程中我們具體采用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器的功能，數(shù)據(jù)采集卡將所采集的電壓值傳輸給計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)反饋算法計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)所需移動(dòng)的方向和步長(zhǎng)，并通過(guò)反饋信號(hào)輸出電路6輸出至步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)直線步進(jìn)電機(jī)工作。反饋信號(hào)電路6采用具有數(shù)字I/O 口的多功能數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)。具體的反饋算法如圖5所示，計(jì)算機(jī)采用數(shù)字濾波的方法濾除探測(cè)結(jié)果中含有的散粒噪聲，并計(jì)算出所測(cè)電信號(hào)的平均值，平均值與平衡度的換算公式見(jiàn)式（I )。計(jì)算機(jī)首先判斷當(dāng)前的平衡度是否超出閾值，如果沒(méi)有超出閾值，輸出的反饋信號(hào)為零移動(dòng)，如果超出閾值則根據(jù)超出的程度，即平衡度的大小選擇相應(yīng)的移動(dòng)步長(zhǎng)，根據(jù)平衡度的正負(fù)選擇移動(dòng)方向；然后計(jì)算機(jī)將步長(zhǎng)值轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)（數(shù)字信號(hào))并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O 口輸出至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)域平衡零拍探測(cè)器兩臂精確快速平衡。
[0029]當(dāng)前探測(cè)器的增益為3. 2 X 10 6V/光子，本地光場(chǎng)的光子數(shù)為107，當(dāng)平衡度為萬(wàn)分之一時(shí)，探測(cè)器輸出散粒噪聲的平均值所允許的誤差為3. 2毫伏，計(jì)算公式如式（I )所示：
[0030]Nlo · B · G = A
[0031]( I )
[0032]IO7XlO 4X3· 2X10 6= 3· 2X10 3(V)
[0033]式中Nu3為本地光場(chǎng)的光子數(shù)，B為平衡度，G為探測(cè)器的增益，A為平均值。圖6給出了在反饋電路運(yùn)轉(zhuǎn)后探測(cè)器從幾種不平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)向平衡狀態(tài)的過(guò)程，所需時(shí)間約為十幾秒。從圖中可以看出，探測(cè)器鎖定后平均值達(dá)到的精度約為幾毫伏，顯然當(dāng)前可變光纖衰減器可使時(shí)域脈沖平衡零拍探測(cè)器的平衡度達(dá)到萬(wàn)分之一左右。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可實(shí)現(xiàn)時(shí)域脈沖平衡零拍探測(cè)器自動(dòng)平衡的控制裝置，其特征在于，包括50/50保偏光纖耦合器(I)，電動(dòng)可變光纖衰減器(2)，時(shí)域脈沖平衡零拍探測(cè)器(3)，脈沖采集電路與時(shí)鐘恢復(fù)電路(4)，控制器(5)，反饋信號(hào)輸出電路(6)，90/10保偏光纖耦合器(7);外部輸入的信號(hào)光場(chǎng)和本地光場(chǎng)經(jīng)50/50保偏光纖親合器(I)親合后輸出至?xí)r域脈沖平衡零拍探測(cè)器(3)，電動(dòng)可變光纖衰減器(2)使時(shí)域脈沖平衡零拍探測(cè)器(3)兩臂達(dá)到平衡；90/10保偏光纖親合器(7)從本地光場(chǎng)中提取小部分光信號(hào)，并將其輸入至脈沖米集電路與時(shí)鐘恢復(fù)電路⑷；脈沖采集電路與時(shí)鐘恢復(fù)電路(4)將采集的電信號(hào)輸出至控制器(5)，并由控制器(5)運(yùn)行反饋算法，計(jì)算出施加于電動(dòng)可變光纖衰減器(2)的反饋信號(hào)；反饋信號(hào)通過(guò)反饋信號(hào)輸出電路(6)施加在電動(dòng)可變光纖衰減器(2)上，實(shí)現(xiàn)時(shí)域脈沖平衡零拍探測(cè)器(3)的自動(dòng)平衡。2.如權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于，所述的電動(dòng)可變光纖衰減器(2)，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(8)，直線步進(jìn)電機(jī)(9)，第一固定塊(10)，可動(dòng)滑塊(11)，第二固定塊(12)，底座(13)，滑桿(14)，螺桿(15)，一對(duì)光纖固定夾具(16)和光纖圓環(huán)(17);直線步進(jìn)電機(jī)(9)可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(8)驅(qū)動(dòng)直線步進(jìn)電機(jī)(9)、螺桿(15)轉(zhuǎn)動(dòng)，使可動(dòng)滑塊(11)進(jìn)退，改變光纖圓環(huán)(17)的曲率半徑。3.如權(quán)利要求2所述的控制裝置，其特征在于，所述的光纖圓環(huán)(17)由50/50保偏光纖耦合器(I)的尾纖繞制而成。4.如權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于，所述的脈沖采集電路與時(shí)鐘恢復(fù)電路(4)，包括寬帶探測(cè)器(18)，高速比較器(19)，脈寬調(diào)制芯片(20)，時(shí)鐘延時(shí)芯片(21)，穩(wěn)壓源(22)，電位器(23)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(24);寬帶探測(cè)器(18)使光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖，該電脈沖經(jīng)高速比較器(19)后輸出矩形脈沖，然后再經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制芯片(20)與時(shí)鐘延時(shí)芯片(21)后輸出可調(diào)脈寬、可精確延時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)，該時(shí)鐘信號(hào)作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(24)的觸發(fā)信號(hào)，使其能夠精確采集光場(chǎng)的正交分量值；穩(wěn)壓源(22)與電位器(23)組合后向高速比較器(19)提供可調(diào)比較電壓。5.如權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于，所述的反饋算法，采用數(shù)字濾波的方法濾除探測(cè)結(jié)果中含有的散粒噪聲，并計(jì)算出時(shí)域脈沖平衡零拍探測(cè)器(3)的平衡度，根據(jù)平衡度采用可變步長(zhǎng)，然后將步長(zhǎng)值轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(8)可識(shí)別的反饋信號(hào)。6.如權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于，所述的90/10保偏光纖耦合器(7)，可用其它耦合比例的保偏光纖耦合器替代。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種可實(shí)現(xiàn)時(shí)域脈沖平衡零拍探測(cè)器自動(dòng)平衡的控制裝置，包括50/50保偏光纖耦合器(1)，電動(dòng)可變光纖衰減器(2)，時(shí)域脈沖平衡零拍探測(cè)器(3)，脈沖采集電路與時(shí)鐘恢復(fù)電路(4)，控制器(5)，反饋信號(hào)輸出電路(6)，90/10保偏光纖耦合器(7)。該控制裝置采用精密直線步進(jìn)電機(jī)控制可變光纖衰減器，結(jié)合反饋控制電路和算法，能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)域脈沖平衡零拍探測(cè)器兩臂自動(dòng)精確快速平衡，無(wú)需人工干擾，可避免由于兩臂不平衡而導(dǎo)致的散粒噪聲基準(zhǔn)失真以及額外噪聲的增加，可以很好的集成在連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，確保系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。
【IPC分類】H04B10/70, H04L9/08
【公開(kāi)號(hào)】CN105071867
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510411759
【發(fā)明人】王旭陽(yáng), 李永民, 劉建強(qiáng)
【申請(qǐng)人】山西大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月18日
【申請(qǐng)日】2015年7月14日