產(chǎn)生高速皮秒窄脈沖激光的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種產(chǎn)生高速皮秒窄脈沖激光的裝置，控制模塊分別與信號驅(qū)動模塊、恒流補償模塊、溫度控制模塊電連接；信號驅(qū)動模塊、恒流補償模塊、溫度控制模塊又分別與激光管電連接；控制模塊通過信號驅(qū)動模塊將輸入的觸發(fā)信號轉(zhuǎn)化成射頻驅(qū)動信號并將射頻驅(qū)動信號輸出給激光管，以驅(qū)動激光器在恒定的溫度下工作輸出激光；控制模塊通過溫度控制模塊控制激光管的工作溫度，使激光器在恒定的溫度下工作；控制模塊通過恒流補償模塊控制補償電流的大小，使激光器為恒流輸出。本發(fā)明還公開了一種產(chǎn)生高速皮秒窄脈沖激光的方法。本發(fā)明輸出穩(wěn)定，能夠適用于量子光和同步光復用一根光纖的量子密鑰分配系統(tǒng)，并且具有簡潔、方便、低成本的特點。
【專利說明】產(chǎn)生高速皮秒窄脈沖激光的裝置及方法
[0001]

【技術(shù)領域】
[0002]本發(fā)明涉及一種量子加密通信領域的量子光和同步光生成過程的脈沖產(chǎn)生裝置及方法，尤其涉及一種產(chǎn)生高速皮秒窄脈沖激光的裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0003]目前，IGHz以下的皮秒激光器已較為成熟，國際上已有商業(yè)化的產(chǎn)品。德國Advanced Laser D1de的1ps數(shù)量級脈沖激光器工作頻率為1MHz ；日本HAMAMATSU的20ps激光器工作頻率為10MHz ;瑞士 IDQ的脈沖激光器工作頻率為500MHz。本裝置的工作頻率可達到IGHz，脈沖寬度最小可達50ps數(shù)量級，性能遠遠優(yōu)于現(xiàn)有的產(chǎn)品。
[0004]量子密鑰分配系統(tǒng)是基于量子的不可克隆性和不確定性，這使得量子密鑰分配系統(tǒng)具有物理上的安全特性，從而可以做到經(jīng)典通信系統(tǒng)無法做到的信息的安全傳輸。在量子密鑰分配系統(tǒng)中，需要量子光和同步光來實現(xiàn)量子通信。通常使用單光子源作為量子光，但真正的單光子源實現(xiàn)技術(shù)非常困難，目前只能使用弱相干光來代替單光子源。弱相干光缺點實現(xiàn)較為復雜，而高速皮秒級窄脈沖激光經(jīng)衰減后達到單光子水平，即可進行量子操作實現(xiàn)量子通信。對于量子光和同步光復用一根光纖的量子密鑰分配系統(tǒng)，同步光極易對量子光產(chǎn)生干擾，這就要求同步光的脈寬和時間抖動越小越好，通常要求脈寬在10ps數(shù)量級，時間抖動jitter小于10ps,而高速皮秒級窄脈沖激光的脈寬最小可達50ps,時間抖動小于30ps，極大程度上保證了通信的可靠性，因而在量子密鑰分配系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種輸出穩(wěn)定的量子加密通信領域的量子光和同步光生成過程的脈沖產(chǎn)生裝置及方法，本量子加密通信領域的量子光和同步光生成過程的脈沖產(chǎn)生裝置及方法能夠適用于量子光和同步光復用一根光纖的量子密鑰分配系統(tǒng)，以及激光測距、熒光測量、過程分析等領域，并且本量子加密通信領域的量子光和同步光生成過程的脈沖產(chǎn)生裝置及方法的具有簡潔、方便、低成本的特點，尤其是在使用時便于整個系統(tǒng)量子密鑰分配系統(tǒng)的管理。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:產(chǎn)生高速皮秒窄脈沖激光的裝置，其特征在于:包括控制模塊、信號驅(qū)動模塊、恒流補償模塊、溫度控制模塊和激光管；所述激光管自帶TEC ;所述控制模塊分別與信號驅(qū)動模塊、恒流補償模塊、溫度控制模塊電連接；所述信號驅(qū)動模塊、恒流補償模塊、溫度控制模塊又分別與激光管電連接；所述控制模塊通過信號驅(qū)動模塊將輸入的觸發(fā)信號轉(zhuǎn)化成射頻驅(qū)動信號并將射頻驅(qū)動信號輸出給激光管，以驅(qū)動激光器在恒定的溫度下工作輸出激光；所述控制模塊通過溫度控制模塊控制激光管的工作溫度，使激光器在恒定的溫度下工作；所述控制模塊通過恒流補償模塊控制補償電流的大小，使激光器為恒流輸出。進一步的，所述信號驅(qū)動模塊包括依次電連接的扇出芯片、延時芯片、邏輯芯片和驅(qū)動芯片，所述扇出芯片、延時芯片、邏輯芯片和驅(qū)動芯片依次直流耦合；所述扇出芯片用于將輸入的一路觸發(fā)信號分為四路信號，其中一路作為同步信號輸出，兩路輸出給延時芯片；所述延時芯片用于對輸入兩路信號分別設置不同的延時并輸出給邏輯芯片；所述邏輯芯片用于對兩路信號分別設定邏輯運算，然后輸出經(jīng)過邏輯運算后的信號給驅(qū)動芯片；所述驅(qū)動芯片將經(jīng)過邏輯運算后的信號轉(zhuǎn)化為射頻驅(qū)動信號并輸出發(fā)給激光管；所述控制模塊包括MCU和與MCU電連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片；所述MCU分別與延時芯片和驅(qū)動芯片電連接；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片分別與驅(qū)動芯片、恒流補償電路和溫度控制電路電連接；所述控制模塊根據(jù)預先設定的激光管的工作溫度值，并通過控制激光管中自帶的TEC制冷或者制熱使激光器工作在恒定的溫度；所述控制模塊通過恒流補償電路控制補償電流的大小，使激光管輸出為恒流。
[0007]本發(fā)明米取的另一技術(shù)方案為:產(chǎn)生高速皮秒窄脈沖激光的方法，其特征在于包括以下步驟:1)輸出射頻驅(qū)動信號:控制模塊輸出控制信號給信號驅(qū)動模塊，信號驅(qū)動模塊根據(jù)控制信號將輸入的觸發(fā)信號轉(zhuǎn)化成射頻驅(qū)動信號并將射頻驅(qū)動信號輸出給激光管，以驅(qū)動激光器在恒定的溫度下工作輸出激光，所述激光管自帶TEC ;2)溫度控制:在步驟I)的同時，所述控制模塊還通過溫度控制模塊控制激光管的工作溫度，使激光器在恒定的溫度下工作；3)恒流補償:在步驟I)的同時，所述控制模塊通過恒流補償模塊控制補償電流的大小，使激光器為恒流輸出。
[0008]進一步的，所述信號驅(qū)動模塊包括依次電連接的扇出芯片、延時芯片、邏輯芯片和驅(qū)動芯片，所述扇出芯片、延時芯片、邏輯芯片和驅(qū)動芯片依次直流耦合；所述扇出芯片將輸入的一路觸發(fā)信號分為四路信號并輸出給延時芯片；所述延時芯片對輸入兩路信號分別設置不同的延時并輸出給邏輯芯片；所述邏輯芯片對兩路信號分別設定邏輯運算，然后輸出經(jīng)過邏輯運算后的信號給驅(qū)動芯片；所述驅(qū)動芯片將經(jīng)過邏輯運算后的信號轉(zhuǎn)化為射頻驅(qū)動信號并輸出發(fā)給激光管；所述控制模塊包括MCU和與MCU電連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片；所述MCU分別與延時芯片和驅(qū)動芯片電連接；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片分別與驅(qū)動芯片、恒流補償電路和溫度控制電路電連接；所述控制模塊根據(jù)預先設定的激光管的工作溫度值并通過控制激光管中自帶的TEC制冷或者制熱使激光器工作在恒定的溫度；所述控制模塊通過恒流補償電路控制補償電流的大小，使激光管輸出為恒流。
[0009]本發(fā)明中，控制模塊包括單片機(MCU)及外圍電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC芯片；所述扇出芯片用于將輸入的一路觸發(fā)信號分為四路信號，其中一路作為同步信號輸出，兩路輸出給延時芯片，既保證原始輸入信號不因負載而產(chǎn)生形變，也保證了各路輸出相互獨立，互不影響；恒流補償電路用于輸出恒定電流以驅(qū)動激光器；溫度控制電路可以將激光管自帶的熱敏電阻接入橋式電路，再將其溫度控制端接入功放以控制激光管自帶的TEC進行加熱或者制冷，保證激光器的溫度恒定在所設定溫度值。
[0010]本發(fā)明開始工作時，可以在控制模塊中設定激光管的工作溫度，溫度控制電路通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC控制激光管中的TEC制冷或者制熱以達到并保持在所設定溫度，使激光器在恒定的溫度下工作，從而保證激光管輸出的穩(wěn)定。信號驅(qū)動模塊中，輸入的觸發(fā)信號經(jīng)過扇出芯片、延時芯片、由任意門芯片所組成的邏輯芯片以及驅(qū)動芯片后，產(chǎn)生所需的射頻驅(qū)動信號；扇出芯片、延時芯片、邏輯芯片和驅(qū)動芯片采用全程直流耦合，解決了交流耦合時激光器輸出功率隨頻率變化而變化的問題。使得驅(qū)動信號幅度及脈寬保持不變，保證了輸入到激光管的電學信號的穩(wěn)定性，對輸出激光的穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用。恒流補償電路可以通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC以及反饋電路控制補償電流的大小，使得其輸出為恒流，根本上保證了激光管輸出的穩(wěn)定。本發(fā)明可工作在脈沖模式下或者連續(xù)模式，脈沖模式下可輸出50ps?2ns的窄脈沖激光；連續(xù)模式下可輸出ImW?5mW穩(wěn)定的連續(xù)激光。適用范圍廣、操作簡單、使用方便。本發(fā)明搭建成功后測試結(jié)果為:工作頻率可達1GHz，脈沖模式下輸出激光脈沖寬度低至50ps，連續(xù)模式下的激光輸出功率穩(wěn)定，不會隨溫度變化而變化。與現(xiàn)有激光器相比，此裝置有如下優(yōu)點:體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功能強大、工作頻率高、輸出脈沖窄、輸出功率穩(wěn)定、操作簡單、有USB、USART接口方便與PC等設備進行通信、使用靈活等。
[0011]本發(fā)明采用微程序控制器，或者呈MCU，作為主控單元，通過控制DAC等達到間接控制激光器的目的，采用目前較普遍的DFB激光管，選用高速高性能的驅(qū)動芯片，例如MAX3942,以及產(chǎn)生窄門的高速邏輯芯片，例如圖2中型號是SY55851，外加溫控及微弱電流調(diào)制，達到控制激光管輸出的目的?？傊景l(fā)明輸出穩(wěn)定，輸出對量子光干擾小，甚至沒有干擾，能夠適用于量子光和同步光復用一根光纖的量子密鑰分配系統(tǒng)，并且具有簡潔、方便、低成本的特點，尤其是在使用時便于整個系統(tǒng)量子密鑰分配系統(tǒng)的管理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明實施例1和實施例2的原理示意圖。
[0013]圖2為本發(fā)明實施例1和實施例2的電路連接示意圖。

【具體實施方式】
[0014]實施例1
參見圖1和圖2，本產(chǎn)生高速皮秒窄脈沖激光的裝置，包括控制模塊、信號驅(qū)動模塊、恒流補償模塊、溫度控制模塊和激光管；所述激光管自帶TEC ;所述控制模塊分別與信號驅(qū)動模塊、恒流補償模塊、溫度控制模塊電連接；所述信號驅(qū)動模塊、恒流補償模塊、溫度控制模塊又分別與激光管電連接；所述控制模塊通過信號驅(qū)動模塊將輸入的觸發(fā)信號轉(zhuǎn)化成射頻驅(qū)動信號并將射頻驅(qū)動信號輸出給激光管，以驅(qū)動激光器在恒定的溫度下工作輸出激光；所述控制模塊通過溫度控制模塊控制激光管的工作溫度，使激光器在恒定的溫度下工作；所述控制模塊通過恒流補償模塊控制補償電流的大小，使激光器恒流輸出。作為優(yōu)選方案，所述信號驅(qū)動模塊包括依次電連接的扇出芯片、延時芯片、邏輯芯片和驅(qū)動芯片，所述扇出芯片、延時芯片、邏輯芯片和驅(qū)動芯片依次直流耦合；所述扇出芯片用于將輸入的一路觸發(fā)信號分為四路信號，其中一路作為同步信號輸出，兩路輸出給延時芯片；所述延時芯片用于對輸入兩路信號分別設置不同的延時并輸出給邏輯芯片；所述邏輯芯片用于對兩路信號分別設定邏輯運算，然后輸出經(jīng)過邏輯運算后的信號給驅(qū)動芯片；所述驅(qū)動芯片將經(jīng)過邏輯運算后的信號轉(zhuǎn)化為射頻驅(qū)動信號并輸出發(fā)給激光管；所述控制模塊包括MCU和與MCU電連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片；所述MCU分別與延時芯片和驅(qū)動芯片電連接；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片分別與驅(qū)動芯片、恒流補償電路和溫度控制電路電連接；所述控制模塊根據(jù)預先設定的激光管的工作溫度值，并通過控制激光管中自帶的TEC制冷或者制熱使激光器工作在恒定的溫度；所述控制模塊通過恒流補償電路控制補償電流的大小，使激光管輸出為恒流。
[0015] 實施例2
參見圖1和圖2，本產(chǎn)生高速皮秒窄脈沖激光的方法，包括以下步驟:1)輸出射頻驅(qū)動信號:控制模塊輸出控制信號給信號驅(qū)動模塊，信號驅(qū)動模塊根據(jù)控制信號將輸入的觸發(fā)信號轉(zhuǎn)化成射頻驅(qū)動信號并將射頻驅(qū)動信號輸出給激光管，以驅(qū)動激光器在恒定的溫度下工作輸出激光，所述激光管自帶Tec ;2)溫度控制:在步驟I)的同時，所述控制模塊還通過溫度控制模塊控制激光管的工作溫度，使激光器在恒定的溫度下工作；3)恒流補償:在步驟I)的同時，所述控制模塊通過恒流補償模塊控制補償電流的大小，使激光器為恒流輸出。作為優(yōu)選方案，所述信號驅(qū)動模塊包括依次電連接的扇出芯片、延時芯片、邏輯芯片和驅(qū)動芯片，所述扇出芯片、延時芯片、邏輯芯片和驅(qū)動芯片依次直流耦合；所述扇出芯片將輸入的一路觸發(fā)信號分為四路信號，其中一路作為同步信號輸出，兩路輸出給延時芯片；所述延時芯片對輸入兩路信號分別設置不同的延時值輸出給邏輯芯片；所述邏輯芯片對兩路信號分別設定邏輯運算，然后輸出經(jīng)過邏輯運算后的信號給驅(qū)動芯片；所述驅(qū)動芯片將經(jīng)過邏輯運算后的信號轉(zhuǎn)化為射頻驅(qū)動信號并輸出發(fā)給激光管；
所述控制模塊包括MCU和與MCU電連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片；所述MCU分別與延時芯片和驅(qū)動芯片電連接；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片分別與驅(qū)動芯片、恒流補償電路和溫度控制電路電連接；所述控制模塊根據(jù)預先設定的激光管的工作溫度值并通過控制激光管中自帶的TEC制冷或者制熱使激光器工作在恒定的溫度；所述控制模塊通過恒流補償電路控制補償電流的大小，使激光管輸出為恒流。
【權(quán)利要求】
1.一種產(chǎn)生高速皮秒窄脈沖激光的裝置，其特征在于:包括控制模塊、信號驅(qū)動模塊、恒流補償模塊、溫度控制模塊和激光管；所述激光管自帶TEC ;所述控制模塊分別與信號驅(qū)動模塊、恒流補償模塊、溫度控制模塊電連接；所述信號驅(qū)動模塊、恒流補償模塊、溫度控制模塊又分別與激光管電連接；所述控制模塊通過信號驅(qū)動模塊將輸入的觸發(fā)信號轉(zhuǎn)化成射頻驅(qū)動信號并將射頻驅(qū)動信號輸出給激光管，以驅(qū)動激光器在恒定的溫度下工作輸出激光；所述控制模塊通過溫度控制模塊控制激光管的工作溫度，使激光器在恒定的溫度下工作；所述控制模塊通過恒流補償模塊控制補償電流的大小，使激光器為恒流輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生高速皮秒窄脈沖激光的裝置，其特征在于:所述信號驅(qū)動模塊包括依次電連接的扇出芯片、延時芯片、邏輯芯片和驅(qū)動芯片，所述扇出芯片、延時芯片、邏輯芯片和驅(qū)動芯片依次直流耦合；所述扇出芯片用于將輸入的一路觸發(fā)信號分為四路信號，其中一路作為同步信號輸出，兩路輸出給延時芯片；所述延時芯片用于對輸入兩路信號分別設置不同的延時值并輸出給邏輯芯片；所述邏輯芯片用于對兩路信號分別設定邏輯運算，然后輸出經(jīng)過邏輯運算后的信號給驅(qū)動芯片；所述驅(qū)動芯片將經(jīng)過邏輯運算后的信號轉(zhuǎn)化為射頻驅(qū)動信號并輸出發(fā)給激光管；所述控制模塊包括MCU和與MCU電連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片；所述MCU分別與延時芯片和驅(qū)動芯片電連接；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片分別與驅(qū)動芯片、恒流補償電路和溫度控制電路電連接；所述控制模塊根據(jù)預先設定的激光管的工作溫度值，并通過控制激光管中自帶的TEC制冷或者制熱使激光器工作在恒定的溫度；所述控制模塊通過恒流補償電路控制補償電流的大小，使激光管輸出為恒流。
3.—種產(chǎn)生高速皮秒窄脈沖激光的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)輸出射頻驅(qū)動信號:控制模塊輸出控制信號給信號驅(qū)動模塊，信號驅(qū)動模塊根據(jù)控制信號將輸入的觸發(fā)信號轉(zhuǎn)化成射頻驅(qū)動信號并將射頻驅(qū)動信號輸出給激光管，以驅(qū)動激光器在恒定的溫度下工作輸出激光，所述自帶TEC ； 2)溫度控制:在步驟I)的同時，所述控制模塊還通過溫度控制模塊控制激光管的工作溫度，使激光器在恒定的溫度下工作； 3)恒流補償:在步驟I)的同時，所述控制模塊通過恒流補償模塊控制補償電流的大小，使激光器為恒流輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的產(chǎn)生高速皮秒窄脈沖激光的方法，其特征在于:所述信號驅(qū)動模塊包括依次電連接的扇出芯片、延時芯片、邏輯芯片和驅(qū)動芯片，所述扇出芯片、延時芯片、邏輯芯片和驅(qū)動芯片依次直流耦合；所述扇出芯片將輸入的一路觸發(fā)信號分為四路信號，其中一路作為同步信號輸出，兩路輸出給延時芯片；所述延時芯片對輸入兩路信號分別設置不同的延時并輸出給邏輯芯片；所述邏輯芯片對兩路信號分別設定邏輯運算，然后輸出經(jīng)過邏輯運算后的信號給驅(qū)動芯片；所述驅(qū)動芯片將經(jīng)過邏輯運算后的信號轉(zhuǎn)化為射頻驅(qū)動信號并輸出發(fā)給激光管；所述控制模塊包括MCU和與MCU電連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片；所述MCU分別與延時芯片和驅(qū)動芯片電連接；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片分別與驅(qū)動芯片、恒流補償電路和溫度控制電路電連接；所述控制模塊根據(jù)預先設定的激光管的工作溫度值并通過控制激光管中自帶的TEC制冷或者制熱使激光器工作在恒定的溫度；所述控制模塊通過恒流補償電路控制補償電流的大小，使激光管輸出為恒流。
【文檔編號】H01S3/11GK104134923SQ201410355365
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】呂利影, 苗春華, 劉云, 宋晨, 趙義博, 韓正甫 申請人:安徽問天量子科技股份有限公司