一种多波长可调谐超稳激光系统及其频率操控方法技术方案

本发明专利技术提出了一种多波长可调谐超稳激光系统及其频率操控方法，涉及激光稳频及双场量子密钥分发技术领域,将四个种子激光器的频率利用PDH技术，两两锁定在两边的超稳腔上，输出四路波长可调谐的超稳激光，且两边的两束超稳激光由于锁定在同一台超稳腔上，输出的频率差保持固定，利用激光相位伺服系统实现两地四台激光的频率精准控制。解决了TF

【技术实现步骤摘要】
一种多波长可调谐超稳激光系统及其频率操控方法


[0001]本申请涉及激光稳频及双场量子密钥分发
，尤其涉及一种多波长可调谐超稳激光系统及其频率操控方法。

技术介绍

[0002]双场量子密钥分发(TF
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QKD)协议能够将传统量子密钥分发(QKD)成码率与信道透过率的线性关系提升至平方根相关，从而能极大提升QKD的传输距离以及在远距离下的成码率，然而TF
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QKD的实施需要远距离的单光子相位级干涉，因此两边发送方光源的微小频率偏差、光纤链路的任何相位抖动以及系统的探测噪声都会降低单光子的干涉质量。目前TF
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QKD通常都采用光学锁相的方式精确控制两边光源的相对频率/相位，以及强相位参考脉冲与量子光时分复用的方式计算链路的相位抖动，然而随着传输距离的增长，强相位参考脉冲在光纤中引起的二次瑞利散射噪声会降低远距离下单光子的干涉性能，限制了TF
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QKD的安全成码距离及成码率。为了实现更远，甚至极限距离的TF
‑
QKD，就需要利用新的链路相位抖动计算方式来避免二次瑞利散射噪声的影响，即采用强相位参考脉冲与量子光波分复用的方式来计算链路相位抖动。如此，两个发送方则各需要使用两个不同波长的激光源，其中一个用于量子光脉冲光源，一个用于参考脉冲光源，且两边的量子光光源及参考光光源的频率分别需要被控制为相同，即需要实现远距离两地四台光源的频率精确控制。
[0003]时分复用方式编码的TF
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QKD中，参考光和量子光使用同一个光源，为了消除光源相对频率快速漂移引入的相位抖动，通常两边发送方各采用PDH技术将商用种子激光器锁定在光学F
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P腔上，使两边光源的相对频率快速漂移降低两到三个数量级，再利用激光相位伺服系统将两边的超稳光频率控制为相同。若按照传统的方法，则利用波分复用的TF
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QKD需要采用4个由超稳腔组成的超稳激光系统，且用于参考光和量子光的激光源需要两两相互锁定，以保证相位补偿的精度。如此，整个系统十分庞杂，需要4套PDH锁定的超稳激光系统和2套激光相位伺服系统，来实现两地4台激光的频率精准控制。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种多波长可调谐超稳激光器方法，只需要两地各放置一个超稳腔，将四个种子激光器的频率利用PDH技术，即以外部谐振腔的频率为标准，利用相位调制技术对入射激光位相进行调制，在激光中心频率两侧各产生一个边频带，经参考谐振腔反射后的光信号与调制信号相比较并滤波放大后，得到激光频率偏离参考腔共振频率的误差信号，利用误差信号驱动反馈控制系统调节激光器的频率使激光频率稳定在激光器的共振频率上，两两锁定在两边的超稳腔上，如此两边即可输出四路波长可调谐的超稳激光，且两边的两束超稳激光由于锁定在同一台超稳腔上，输出的频率差保持固定，再利用一套激光相位伺服系统即可实现两地四台激光的频率精准控制。
[0005]为了提升TF
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QKD的传输距离，甚至探索TF
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QKD的传输距离极限，本专利技术采用多波长可调谐超稳激光器作为光源，使TF
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QKD的强相位参考脉冲与量子脉冲采用不同波长的超
稳激光，如此，强相位参考脉冲在光纤中产生的二次瑞利散射噪声由于波长与量子光脉冲的波长不同，再通过滤波的方式即可消除强相位参考脉冲的二次瑞利散射噪声的影响，从而提高远距离下单光子的干涉质量，提升TF
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QKD的传输距离。
[0006]本方案通过在TF
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QKD系统的两个发送方采用两个超稳腔锁定四台商用种子激光器，同时输出四路波长可调谐的超稳激光，外加一个激光相位伺服系统，实现了四路激光的频率精准控制。传统方法若要实现四个独立种子激光器的远距离频率精准控制，则需要将四个种子光各自锁在相应的四个超稳腔上，然后再通过三套频率/相位伺服控制系统将两边的四台独立运行的超稳激光相互锁定，如此，要实现四路独立激光的频率精准控制，系统会十分庞杂。本方案采用四个种子光两两锁定在两个超稳腔上，锁定的两个激光分别对应每个超稳腔的不同谐振频率(不同的纵模)，每个超稳腔输出两路波长，由于腔的变化引起不同纵模频率一致，则两路锁定后的激光波长变化一致，此外仅使用一套频率/激光相位伺服系统即可使两个超稳腔的纵模相互锁定，以实现四路激光的频率精准控制。
[0007]本专利技术提出了一种多波长可调谐超稳激光系统，包括：第一超稳激光系统、第二超稳激光系统、第一射频系统、第二射频系统、第二密集波分复用器、第四密集波分复用器和激光相位伺服系统；
[0008]所述第一超稳激光系统包括第一种子光系统和第二种子光系统，所述第一超稳激光系统用于将第一种子光系统和第二种子光系统的输出光的频率分别锁定在第一超稳频率后，并分别输出至所述第二密集波分复用器，用于第一双场量子密钥分发系统；
[0009]所述第二超稳激光系统包括第三种子光系统和第四种子光系统，所述第二超稳激光系统用于将第三种子光系统和第四种子光系统的输出光的频率分别锁定在第二超稳频率后，并分别输出至所述第四密集波分复用器，用于第二双场量子密钥分发系统；
[0010]所述第一射频系统用于调谐所述第一种子光系统和第二种子光系统的光源波长，使两个种子光系统的光源波长差值固定；所述第二射频系统用于调谐所述第三种子光系统和第四种子光系统的光源波长，使两个种子光系统的光源波长差值固定；
[0011]所述第二种子光系统的频率锁定后的输出光与所述第四种子光系统的频率锁定后的输出光分别输入至所述激光相位伺服系统，所述激光相位伺服系统用于控制第二种子光系统的频率锁定后的输出光与所述第四种子光系统的频率锁定后的输出光的波长相等，实现第一超稳激光系统和第二超稳激光系统的频率锁定。
[0012]进一步地，所述第一种子光系统包括第一种子激光器、声光调制器一、电光调制器一；所述第二种子光系统包括第二种子激光器、声光调制器二、电光调制器二；所述第一种子激光器输出的种子光一依次经过所述声光调制器一和电光调制器一用于误差检测，所述第二种子激光器输出的种子光二依次经过所述声光调制器二和电光调制器二用于误差检测；
[0013]所述第三种子光系统包括第三种子激光器、声光调制器三、电光调制器三；所述第四种子光系统包括第四种子激光器、声光调制器四、电光调制器四；所述第三种子激光器输出的种子光三依次经过所述声光调制器三和电光调制器三用于误差检测，所述第四种子激光器输出的种子光四依次经过所述声光调制器四和电光调制器四用于误差检测。
[0014]进一步地，所述第一射频系统包括射频信号源RF1A、射频信号源RF1B、射频信号源RF2A、射频信号源RF2B；所述射频信号源RF1B和射频信号源RF2B分别输出射频信号，以调相
的方式分别调制射频信号源RF1A和射频信号源RF2A产生的信号，射频信号源RF1A和射频信号源RF2A输出的经调制的频率信号分别进入所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多波长可调谐超稳激光系统，其特征在于，包括：第一超稳激光系统、第二超稳激光系统、第一射频系统、第二射频系统、第二密集波分复用器、第四密集波分复用器和激光相位伺服系统；所述第一超稳激光系统包括第一种子光系统和第二种子光系统，所述第一超稳激光系统用于将第一种子光系统和第二种子光系统的输出光的频率分别锁定在第一超稳频率后，并分别输出至所述第二密集波分复用器，用于第一双场量子密钥分发系统；所述第二超稳激光系统包括第三种子光系统和第四种子光系统，所述第二超稳激光系统用于将第三种子光系统和第四种子光系统的输出光的频率分别锁定在第二超稳频率后，并分别输出至所述第四密集波分复用器，用于第二双场量子密钥分发系统；所述第一射频系统用于调谐所述第一种子光系统和第二种子光系统的光源波长，使两个种子光系统的光源波长差值固定；所述第二射频系统用于调谐所述第三种子光系统和第四种子光系统的光源波长，使两个种子光系统的光源波长差值固定；所述第二种子光系统的频率锁定后的输出光与所述第四种子光系统的频率锁定后的输出光分别输入至所述激光相位伺服系统，所述激光相位伺服系统用于控制第二种子光系统的频率锁定后的输出光与所述第四种子光系统的频率锁定后的输出光的波长相等，实现第一超稳激光系统和第二超稳激光系统的频率锁定。2.根据权利要求1所述的多波长可调谐超稳激光系统，其特征在于，所述第一种子光系统包括第一种子激光器、声光调制器一、电光调制器一；所述第二种子光系统包括第二种子激光器、声光调制器二、电光调制器二；所述第一种子激光器输出的种子光一依次经过所述声光调制器一和电光调制器一用于误差检测，所述第二种子激光器输出的种子光二依次经过所述声光调制器二和电光调制器二用于误差检测；所述第三种子光系统包括第三种子激光器、声光调制器三、电光调制器三；所述第四种子光系统包括第四种子激光器、声光调制器四、电光调制器四；所述第三种子激光器输出的种子光三依次经过所述声光调制器三和电光调制器三用于误差检测，所述第四种子激光器输出的种子光四依次经过所述声光调制器四和电光调制器四用于误差检测。3.根据权利要求2所述的多波长可调谐超稳激光系统，其特征在于，所述第一射频系统包括射频信号源RF1A、射频信号源RF1B、射频信号源RF2A、射频信号源RF2B；所述射频信号源RF1B和射频信号源RF2B分别输出射频信号，以调相的方式分别调制射频信号源RF1A和射频信号源RF2A产生的信号，射频信号源RF1A和射频信号源RF2A输出的经调制的频率信号分别进入所述电光调制器一和电光调制器二中；所述第二射频系统包括射频信号源RF3A、射频信号源RF3B、射频信号源RF4A、射频信号源RF4B；所述射频信号源RF3B和射频信号源RF4B分别输出射频信号，以调相的方式分别调制射频信号源RF3A和射频信号源RF4A产生的信号，射频信号源RF3A和射频信号源RF4A输出的经调制的频率信号分别进入所述电光调制器三和电光调制器四中。4.根据权利要求2所述的多波长可调谐超稳激光系统，其特征在于，所述第一超稳激光系统还包括第一偏振分束器，第一超稳腔，第一密集波分复用器，第一、第二光电探测器，混频器一...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈玖朋，陈法喜，李立波，孙佳，
申请(专利权)人：济南量子技术研究院，
类型：发明
国别省市：