基于國產(chǎn)芯片的千兆皮秒脈沖激光器模塊研制

劉 云，吳 敏，朱向冰，王寶慧，李風(fēng)雨，馬 偉，徐煥銀

(1.安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，蕪湖 241002；2.安徽問天量子科技股份有限公司，蕪湖 241000；3.安徽省量子安全工程技術(shù)研究中心，蕪湖 241000)

引 言

量子通信技術(shù)具有較高的安全性[1-3]，在涉及到國家安全的領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。量子密鑰分配(quantum key distribution，QKD)是量子通信技術(shù)中的重要內(nèi)容[4-5]。量子密鑰分配系統(tǒng)通常使用調(diào)制分布反饋式(distributed feedback，DFB)激光器產(chǎn)生相位隨機(jī)的弱相干光脈沖[6]，以DFB激光器為核心元件的皮秒脈沖激光器模塊是量子通信系統(tǒng)中的重要元件。

目前，最成熟的量子密鑰分配方案是基于BB84協(xié)議的單光子方案[7]，需要產(chǎn)生單光子作為信息載體進(jìn)行密鑰分配。由于單光子源不成熟，一般將激光器產(chǎn)生的光脈沖衰減到單光子量級再使用[8]。本文中研制的皮秒脈沖激光器模塊產(chǎn)生弱相干光脈沖，在量子密鑰分配系統(tǒng)中需要通過光強調(diào)制器和可調(diào)光衰減器等光學(xué)模塊衰減到單光子量級。

由于國內(nèi)的皮秒脈沖激光器模塊還不能完全國產(chǎn)化，仍需要依賴國外進(jìn)口芯片，所以,實現(xiàn)皮秒脈沖激光器模塊的完全國產(chǎn)化對我國在國防、政務(wù)和金融等方面的通信安全具有重要意義。

為了滿足國產(chǎn)化需求，本文中設(shè)計了一種基于國產(chǎn)芯片的千兆皮秒脈沖激光器模塊。實驗表明,該模塊滿足了量子密鑰分配系統(tǒng)的要求。

1 硬件方案

1.1 整體方案

整個激光器模塊硬件方案主要圍繞系統(tǒng)的功能需求和激光器的驅(qū)動需求，以國產(chǎn)單片機(jī)作為主控芯片。如圖1所示，本文中設(shè)計的整體硬件方案在接收到觸發(fā)信號以后，激光器模塊會發(fā)出皮秒脈沖光，脈沖光由光纖進(jìn)行傳輸，用串口控制皮秒脈沖激光器模塊的工作狀態(tài)。

Fig.1 Structure diagram of the whole hardware solution

皮秒脈沖激光器模塊中的半導(dǎo)體二極管(laser diode，LD)采用電流驅(qū)動[9]，始終有一個低于閾值電流的恒定電流信號施加在半導(dǎo)體激光器上，當(dāng)接收到觸發(fā)信號時，電壓脈沖電路產(chǎn)生200ps電壓脈沖，施加在LD調(diào)制驅(qū)動電路上產(chǎn)生200ps電流脈沖，疊加在恒定電流上，使LD的工作電流大于閾值電流，產(chǎn)生約為50ps脈沖光。

隨著LD的溫度升高，閾值電流會增大，發(fā)光波長也會發(fā)生紅移[10]。為了保證皮秒脈沖激光器模塊輸出光波長穩(wěn)定，LD需要在恒定溫度下工作，所以需要溫度控制電路[11]。LD內(nèi)部集成負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(thermistor，TH)和半導(dǎo)體熱電制冷器(thermoelectric cooler，TEC)，單片機(jī)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital conversion，ADC)和TH采集溫度，單片機(jī)發(fā)出脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)信號給H橋電路，驅(qū)動TEC工作，控制激光管工作溫度波動在0.1℃以內(nèi)，對應(yīng)的發(fā)光波長漂移在0.01nm之內(nèi)。

采用外部光電二極管(positive intrinsic negative，PIN)對輸出光功率進(jìn)行監(jiān)測，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送給單片機(jī)，反饋調(diào)整激光管驅(qū)動電流，確保皮秒脈沖激光器模塊輸出光功率穩(wěn)定[12]。

單片機(jī)還需要完成與上位機(jī)間的通信，系統(tǒng)中還需要為各個部分提供不同電壓的電源。

1.2 單片機(jī)

單片機(jī)選用國產(chǎn)的高性能低功耗的GD32F103RET6，該芯片是基于ARM?CortexTM-M3處理器的32位通用微控制器。內(nèi)部集成多種功能，本文中采用了串行外設(shè)接口( serial peripheral interface，SPI)、通用同步異步收發(fā)器(universal synchronous asynchronous transceiver，USART)、調(diào)試接口、定時器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital-to-analog conversion，DAC)、Flash存儲器、看門狗、復(fù)位和時鐘單元。芯片使用+3.3V供電，工作頻率為108MHz，工作溫度范圍滿足激光器模塊的要求。

1.3 恒流源

本文中恒流源電路采用壓控電流源，圖2為壓控電流源電路原理圖。電路中選用國產(chǎn)的運算放大器芯片，采用+5V和-5V供電。晶體管選用國產(chǎn)的3DG9013型硅NPN高頻小功率晶體管，集電極最大輸出電流為500mA，能夠滿足本電路的60mA電流輸出和100倍的放大倍數(shù)要求。

Fig.2 Circuit diagram of the voltage-controlled current source

單片機(jī)通過內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出精準(zhǔn)模擬電壓至壓控電流源，從而輸出恒定的電流給半導(dǎo)體激光器。單片機(jī)控制輸入電壓Vin范圍在0V～3V間變化，得到輸出電流Iout范圍為0mA～60mA。

1.4 光功率檢測電路

采用光電二極管監(jiān)測半導(dǎo)體激光器輸出的光功率，本文中選用國產(chǎn)的極低暗電流InGaAs PIN型光電二極管，其最大特點是頻帶寬，-3dB帶寬為3GHz，用運算放大器對PIN管的輸出信號進(jìn)行放大，經(jīng)過國產(chǎn)的AD7699芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。該芯片是一款多通道、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，吞吐速率為每秒5×105采樣次數(shù),內(nèi)置低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，含有內(nèi)部4.096V低漂移基準(zhǔn)電壓源，使用SPI與單片機(jī)通信。

1.5 窄脈沖電路

窄脈沖電路由電壓脈沖電路和LD調(diào)制驅(qū)動電路構(gòu)成，電壓脈沖電路包括扇出芯片、線延時和邏輯芯片等；LD驅(qū)動芯片將電壓脈沖轉(zhuǎn)化為電流脈沖，是LD調(diào)制驅(qū)動電路的核心元件。

圖3為窄脈沖電路結(jié)構(gòu)框圖[13]。觸發(fā)信號通過時鐘芯片扇出為兩路，對其中一路進(jìn)行線延時，經(jīng)過邏輯運算得到窄脈沖電壓信號。時鐘扇出芯片選用國產(chǎn)的時鐘驅(qū)動器，LD驅(qū)動芯片是由國內(nèi)工廠仿制的進(jìn)口芯片。

Fig.3 Structure diagram of the short pulse circuit

1.6 半導(dǎo)體激光器和溫度控制電路

選用波長為1550nm蝶形封裝國產(chǎn)DFB激光器，常溫條件下,波長溫度系數(shù)典型值為0.09nm/℃，光學(xué)性能滿足系統(tǒng)要求。

在溫控電路中，熱敏電阻的電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集，輸出給單片機(jī)，TEC驅(qū)動芯片選用國產(chǎn)的L298N型H橋集成電路，直接接收單片機(jī)的PWM信號，驅(qū)動TEC。

1.7 電源電路

直流穩(wěn)壓電源模塊輸出為+12V，選用國產(chǎn)的直流轉(zhuǎn)直流(direct current to direct current，DC/DC)變換器，通過多個DC/DC變換器轉(zhuǎn)換得到-12V,+5V,-5V或+3.3V。

2 軟件設(shè)計

軟件需要實現(xiàn)與上位機(jī)串口通信、控制半導(dǎo)體激光器內(nèi)部溫度、采集激光器輸出功率和調(diào)節(jié)工作電流等功能。需要對時鐘、ADC,DAC、串口、定時器等進(jìn)行初始化，通過ADC和PWM波函數(shù)控制溫度，通過ADC采集光功率、DAC控制工作電流，上位機(jī)通過串口讀取和修改電路的設(shè)置。

基于單片機(jī)廠家提供的庫函數(shù)開發(fā)程序，通過串行調(diào)試(serial wire debug，SWD)接口下載和調(diào)試程序。串口通信采用中斷模式，控制溫度、檢測激光器輸出功率和調(diào)節(jié)工作電流放在主循環(huán)中反復(fù)執(zhí)行。用TH_AD()函數(shù)采集溫度，TEC_ctrl()控制半導(dǎo)體制冷器，用PIN_AD()采集光功率，cur_ctrl()控制半導(dǎo)體激光器工作電流。在溫度采集和光功率采集中都調(diào)用了AD_converter()函數(shù)將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。在TEC_ctrl()中調(diào)用單片機(jī)廠家提供的PWM波函數(shù)控制TEC制冷或制熱，在cur_ctrl()中調(diào)用廠家提供的數(shù)模轉(zhuǎn)換函數(shù)控制工作電流。下位機(jī)采用單片機(jī)廠家提供的串口通信函數(shù)與上位機(jī)進(jìn)行通信。溫度控制和光功率控制都采用了比例-積分-微分(proportion-integration-division，PID)算法[14-15]。

串口通信模塊接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)并保存在Flash存儲器中，下位機(jī)將激光器內(nèi)部溫度和輸出功率等參量發(fā)送給上位機(jī)，并在上位機(jī)上顯示。由于上位機(jī)可隨時發(fā)送數(shù)據(jù)，所以下位機(jī)采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果

本實驗中使用DSA8300示波器結(jié)合光采樣模塊(80C15-CRTP)測量激光器輸出的光波形。激光器模塊輸出的光信號通過5dB衰減器接入光輸入端口，激光器模塊輸出的同步信號接入示波器的觸發(fā)端口。圖4是輸入觸發(fā)頻率為1.25GHz時激光器模塊的光脈沖波形。圖5是單個光脈沖的波形圖。從圖中可以看出，激光脈沖的脈沖寬度約50ps，輸出頻率為1.25GHz，沒有電脈沖調(diào)制時基本沒有光輸出，因此消光比很高。圖6是使用AQ6370D光譜儀測到的激光脈沖譜線圖。連續(xù)測試12h，光脈沖的峰值波長始終穩(wěn)定在1550.12m，波動范圍小于±0.01nm，譜線寬度很窄，-3dB即峰值波長光功率1/2位置對應(yīng)的譜線寬度只有約0.1075nm，小于0.2nm，邊模抑制比大于30dB，可以滿足系統(tǒng)要求。

Fig.4 Oscillogram of a laser pulse with 1.25GHz frequency and 50ps width

Fig.5 Oscillogram of a laser pulse with 50ps width

為了測試激光器模塊輸出功率的穩(wěn)定性，使用PM200光功率計統(tǒng)計了24小時內(nèi)輸出功率變化情況，得到如圖7所示的測試曲線。從圖中可以看出，激光器模塊的平均輸出功率在-1.33dBm左右，波動小于±0.01dB。針對量子密鑰分配系統(tǒng)，皮秒脈沖激光器模塊的輸出功率波動可以滿足系統(tǒng)需求。

Fig.6 Spectrogram of a laser pulse with 50ps width

Fig.7 Curve for laser output power versus time

4 結(jié) 論

本文中選用國產(chǎn)芯片，研制出千兆皮秒脈沖激光器模塊，能夠穩(wěn)定輸出1.25GHz頻率、50ps脈沖寬度的1550nm激光脈沖。其特點是消光比高、譜線寬度窄，輸出光波長與功率穩(wěn)定，符合量子密鑰分配系統(tǒng)對皮秒脈沖光源的要求，還需要通過長期使用來驗證產(chǎn)品的穩(wěn)定性。本文中研制的激光器模塊對實現(xiàn)量子密鑰分配系統(tǒng)完全國產(chǎn)化具有很好的實際意義。