本文内容于2019年12月转载，版权归《激光技术》编辑部所有。
刘云、吴敏、朱向冰、王宝慧、李风雨、马伟、徐焕银
安徽问天量子科技有限公司安徽师范大学物理与电子信息学院
皮秒脉冲光源是量子密钥分配系统的核心设备。为了实现皮秒脉冲光源的定位，基于国内芯片开发了千兆皮秒脉冲激光模块。该模块采用比例-积分-微分算法控制温度，使光波长漂移0.01nm以内，使用外部光电二极管探测光功率，反馈调整激光管驱动电流，进行了实验验证。结果表明，恒流源和窄脉冲电路由国产单片机精确控制，驱动激光管发光，输出光脉冲频率达到1.25GHz，脉冲宽度约为50ps，-3dB谱宽小于0.2nm，输出光波长和功率稳定。国产化皮秒脉冲激光模块可满足量子密钥分配系统对光源稳定性的要求。
激光技术；皮秒脉冲激光器；调制；窄脉冲；本地化；
量子通信技术技术具有较高的安全性，在涉及国家安全的领域具有广阔的应用前景(quantum key distribution，QKD)它是量子通信技术的重要组成部分。量子密钥分配系统通常使用调制分布反馈(distributed feedback，DFB)激光产生相位随机的弱相干光脉冲DFB皮秒脉冲激光模块是量子通信系统中的是量子通信系统的重要组成部分。
目前最成熟的量子密钥分配方案是基于BB84协议的单光子方案需要产生单光子作为密钥分配的信息载体。由于单光子源不成熟，激光产生的光脉冲通常会衰减到单光子量级。本文开发的皮秒脉冲激光模块产生弱相干光脉冲。在量子密钥分配系统中，光强调制器、可调光衰减器等光学模块需要衰减到单光子量级。
由于国内皮秒脉冲激光模块不能完全本地化，仍需依靠国外进口芯片，实现皮秒脉冲激光模块的完全本地化对国防、政府事务和金融通信安全具有重要意义。
本文设计了基于国产芯片的千兆皮秒脉冲激光模块，以满足国产芯片的要求。
整个激光器模块硬件方案围绕系统的功能需求以及激光器的驱动需求，以国产单片机作为主控芯片。图1是本文设计的整体硬件方案，在接收到触发信号以后，激光器模块会发出皮秒脉冲光，脉冲光由光纤进行传输，用串口控制皮秒脉冲激光器模块的工作状态。
半导体激光器在皮秒脉冲激光模块中(laser diode，LD)在半导体激光器上，当接收到触发信号时，电压脉冲电路产生200ps施加电压脉冲LD调制驱动电路产生2000ps在恒定电流上叠加电流脉冲，使半导体激光器的工作电流大于阈值电流，产生约为50ps脉冲光。
当半导体激光器温度升高时，阈值电流会增加，发光波长也会发生红移。半导体激光器需要在恒温下工作，以确保皮秒脉冲激光模块输出光波长稳定。半导体激光器内部集成负温度系数的热敏电阻(thermistor，TH)和半导体制冷器(thermo electric cooler，TEC)，单片机通过模数转换器(analog to digital conversion，ADC)和TH采集温度，单片机发出脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)信号驱动H桥电路TEC工作时，控制激光管的工作温度波动.1℃相应的发光波长漂移在0以内.01nm之内。
采用外部光电二极管(positive intrinsic negative tube，PIN tube)监测输出光功率，通过模数转换器发送到单片机，反馈调整激光管驱动电流，确保皮秒脉冲激光模块输出光功率稳定。
单片机还需要与上位机完成(PC)系统还需要为各部分提供不同电压的电源。
图1 硬件方案整体结构框图
国产高性能低功耗单片机GD32F103RET6.芯片是基于的ARM?Cortex?-M32位通用微控制器处理器。本文采用串行外设界面集成多种功能(serial peripheral interface，SPI)、通用同步异步收发器(universal synchronous asynchronous transceiver，USART)、调试接口、定时器、数模转换器(digital to analog conversion，DAC)、Flash存储器、看门狗、复位和时钟单元。本文使用芯片 3.3V工作频率为108MHz，工作温度范围满足激光模块的要求。
本文中恒流源电路采用压控电流源，图2为压控电流源电路原理图，选用国产操作放大器芯片和电路 5V和-5V供电。晶体管选用国产3DG9013型硅NPN集电极最大输出电流为500mA，能够满足本电路的60mA电流输出和100倍放大倍数要求。
单片机通过内部数模转换器输出精确模拟电压到压控电流源，从而向半导体激光输出恒定电流。单片机控制Vin范围在0-3V间变，输出电流Iout范围为0-60mA。
图2 压控电流源电路图
本文采用光电二极管监测半导体激光器输出的光功率，选用国产极低暗电流InGaAs PIN型光电二极管最大的特点是频带宽-3dB带宽为3GHz，用操作放大器对PIN放大管道的输出信号，通过国内生产AD模数转换为7699芯片。该芯片是一种多通道、16位模数转换器，吞吐率为500kSPS，内置低功耗数据采集系统，内置4.096V使用低漂移基准电压源SPI与单片机通信。
由电压脉冲电路和LD电压脉冲电路由风扇芯片、线延迟和逻辑芯片组成；LD驱动芯片将电压脉冲转化为电流脉冲LD调制驱动电路的核心元件。
图3 窄脉冲电路结构框图
图3显示了窄脉冲电路的结构框图，触发信号通过时钟芯片进行线延迟，通过逻辑操作获得窄脉冲电压信号。时钟扇芯片选择国内时钟驱动器，LD驱动芯片是国内工厂仿制的进口芯片。
国产波长为1550nm蝶形封装DFB常温下波长温度系数的典型值为0.09nm/℃，光学性能满足系统要求。
在温度控制电路中，热敏电阻的电压通过模数转换器收集并输出给单片机，TEC国产驱动芯片L298NH桥集成电路直接接收单片机PWM信号，驱动TEC。
直流稳压电源模块输出 12V，选内直流转直流选择(direct current to direct current，DC/DC)通过多个变换器DC/DC转换器转换-12V、 5V、-5V或 3.3V。
该软件需要与上位机串口通信，控制半导体激光器的内部温度，收集激光器的输出功率，调节工作电流。ADC、DAC、串口、定时器等。ADC和PWM通过波函数控制温度ADC采集光功率，DAC控制工作电流，上位机通过串口读取和修改电路设置。
通过串行调试，基于单片机制造商提供的库函数开发程序(serial wire debug，SWD)接口下载和调试程序。串口通信采用中断模式，在主循环中重复控制温度，检测激光输出功率，调节工作电流。用TH_AD()函数采集温度，TEC_Ctrl()控制半导体制冷器，使用PIN_AD()采集光功率，Cur_Ctrl()控制半导体激光器的工作电流。调用温度采集和光功率采集AD_Converter()函数将模拟量转换为数字量。在TEC_Ctrl()调用单片机制造商提供的PWM波函数控制TEC制冷或加热，在Cur_Ctrl()调用厂家提供的数模转换函数控制工作电流。下位机采用单片机制造商提供的串口通信函数与上位机通信。温度控制和光功率控制均采用比例-积分-微分(proportion integrationdivision，PID)算法。
接收上位机数据并保存串口通信模块Flash在存储器中，下位机将激光器的内部温度和输出功率发送给上位机，并显示在上位机上。由于上位机可以随时发送数据，下位机中断接收数据。
本实验使用DSA8300示波器结合光采样模块C15-CRTP)测量激光输出的光波形。通过5dB激光模块输出的同步信号连接到光输入端口和示波器触发端口。图4输入触发频率为1.25GHz激光模块的光脉冲波形；图5是单个光脉冲的波形图。从图中可以看出，激光脉冲的脉冲宽度约为50ps，输出频率为1.25GHz，没有电脉冲调制，基本没有光输出，所以消光比很高。图6是使用AQ6370D激光脉由光谱仪测量谱线图。连续测试12小时，光脉冲的峰值波长始终稳定在1550.12m，波动范围小于±0.01nm，谱线宽度很窄，-3dB时只有约0.1075nm，小于0.2nm，边模抑制比大于30dB，可以满足系统要求。
图4 1.25GHz，50ps激光脉冲波形图
图5 50ps激光脉冲波形图
图6 50ps激光脉冲谱线图
为了测试激光器模块输出功率的稳定性，使用PM200光功率计统计了24小时内输出功率变化情况，得到如图7所示的测试曲线。从图中可以看出，激光器模块的平均输出功率在-1.33dBm左右，波动小于±0.01dB。针对量子密钥分配系统，皮秒脉冲激光器模块的输出功率波动可以满足系统需求。
图7 激光器输出功率随时间变化曲线图
本文选用国产芯片，研制出千兆皮秒脉冲激光器模块，能够稳定输出1.25GHz频率、50ps脉冲宽度的1550nm激光脉冲。其特点是消光比高、谱线宽度窄，输出光波长与功率稳定，符合量子密钥分配系统对皮秒脉冲光源的要求，我们还需要通过长期使用来验证产品的稳定性。本文研制的激光器模块对实现量子密钥分配系统完全国产化具有很好的实际意义。
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