一種用于量子通信編碼的單光子源驅(qū)動(dòng)

李曉東 席 鵬

（1.浙江高速信息工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014；2.浙江九州量子信息技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 311215）

0 引言

隨著數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩砸苍絹?lái)越重視。量子信息科學(xué)是量子物理學(xué)和信息科學(xué)交叉發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興科學(xué)，開(kāi)拓了與經(jīng)典方式具有本質(zhì)區(qū)別的全新通信方式，具有經(jīng)典信息學(xué)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)和前景，是近年來(lái)物理學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究之一。

1 總體方案

該電路的硬件總體分為3 個(gè)部分：窄脈沖產(chǎn)生模塊、激光器驅(qū)動(dòng)模塊、溫度控制模塊。其中窄脈沖產(chǎn)生模塊用于接收隨機(jī)數(shù)，并將隨機(jī)數(shù)生成相應(yīng)的窄脈沖輸出。激光器驅(qū)動(dòng)模塊用于接收窄脈沖輸出，并將其轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)激光器的窄脈沖電流信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生窄脈沖光。溫度控制模塊用于保證全溫范圍內(nèi)的激光器仍能工作在目標(biāo)溫度下，使激光器輸出的光脈沖中心波長(zhǎng)穩(wěn)定。具體方案框圖如圖1 所示。

圖1 硬件總體框圖

2 各模塊功能及實(shí)現(xiàn)

2.1 窄脈沖產(chǎn)生模塊

產(chǎn)生窄脈沖的方法有3 種。1）利用D 觸發(fā)器的復(fù)位傳輸延時(shí)來(lái)產(chǎn)生，該方案的缺點(diǎn)是脈寬很大程度上取決于傳輸延時(shí)，所以需要選擇一個(gè)傳輸延時(shí)合適的觸發(fā)器，且器件選定后輸出脈寬就固定了，靈活性很差。2）用PCB 走線(xiàn)延時(shí)或同軸線(xiàn)纜產(chǎn)生兩路不等長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)，然后經(jīng)過(guò)與門(mén)邏輯產(chǎn)生窄脈沖，該方案的缺點(diǎn)是需要較大PCB 面積來(lái)走延時(shí)線(xiàn)，同時(shí)脈寬也是固定的，靈活性差。3）采用邏輯器件和可編程延時(shí)器件產(chǎn)生，該方案的優(yōu)點(diǎn)是窄脈沖寬度可通過(guò)CPLD 或MCU 對(duì)延時(shí)芯片進(jìn)行數(shù)控調(diào)節(jié)設(shè)定，使兩路延時(shí)存在的差異脈寬可通過(guò)程控調(diào)節(jié)，當(dāng)兩路不同延時(shí)到達(dá)與門(mén)芯片時(shí)，就可產(chǎn)生和該延時(shí)差異量相關(guān)的脈寬信號(hào)，且可調(diào)節(jié)脈寬精度高。

該設(shè)計(jì)選用第3 種方案實(shí)現(xiàn)，用高速扇出緩沖芯片將隨機(jī)數(shù)分成兩路，分別經(jīng)過(guò)高精度可編程延時(shí)芯片，兩路延時(shí)芯片輸出信號(hào)輸入高帶寬與門(mén)芯片產(chǎn)生上升沿、下降沿極快的窄脈沖信號(hào)，因?yàn)楣饷}沖的脈寬要求能夠達(dá)到200 ps 量級(jí)，所以就對(duì)與門(mén)芯片的帶寬提出了非常高的要求，該設(shè)計(jì)選用的帶寬高達(dá)8 GHz，上升、下降沿低至50 ps 的與門(mén)邏輯芯片。此外，該設(shè)計(jì)的脈寬信號(hào)范圍在0～5 ns，脈寬可調(diào)精度10 ps，該性能足以產(chǎn)生百皮秒量級(jí)的窄脈沖信號(hào)。

2.2 激光器驅(qū)動(dòng)模塊

激光器驅(qū)動(dòng)目前主流的2 種方案。1） 通過(guò)高速晶體管加激光器偏置電流電路實(shí)現(xiàn)，該方案主要有以下2 個(gè)缺點(diǎn)，首先很難找到合適的超高速晶體管，其次增加了電路的復(fù)雜度。2）通過(guò)專(zhuān)用高帶寬激光器驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)，該種芯片包含激光器驅(qū)動(dòng)和偏置電路，設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，同時(shí)設(shè)計(jì)成本低。

該設(shè)計(jì)采用第2 種方案，選用MAXIM 公司生產(chǎn)的MAX3949，很容易實(shí)現(xiàn)窄脈沖電壓到電流的轉(zhuǎn)換，可產(chǎn)生足夠大的電流脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生光脈沖。該芯片只需單3.3 V 的供電，其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)速率高達(dá)11.3 Gbps。該芯片采用片上端接，可接收差分交流耦合信號(hào)，能夠以20 ps （20%～80%）的邊沿速率為外部差分負(fù)載提供高達(dá)85 mA的激光器調(diào)制電流，同時(shí)內(nèi)部集成偏置電流DAC 寄存器偏置電路，提供高達(dá)105 mA 的可編程激光器偏置電流，分辨率為200 μA。器件采用寬帶差分信號(hào)通路設(shè)計(jì)，輸出端集成背向端接電阻，無(wú)須外部元件即可調(diào)整輸入均衡、輸出去加重和極性，用于補(bǔ)償數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中引起的高頻損耗，極大地保證了脈沖信號(hào)的質(zhì)量。此外，器件封裝小，對(duì)電路板面積要求極低，非常適合于集成度高的設(shè)計(jì)中[1]。

2.3 激光器溫度控制模塊

在光纖通信中，對(duì)激光器溫度穩(wěn)定性的要求很高。因?yàn)楣獾闹行牟ㄩL(zhǎng)和功率會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變，其變化系數(shù)在0.1 nm/℃左右，而且溫度升高，輸出光功率會(huì)下降，噪聲會(huì)變大，這在系統(tǒng)工作中極其不利。對(duì)于通過(guò)相應(yīng)通道的光通信設(shè)備來(lái)說(shuō)，其對(duì)光波長(zhǎng)穩(wěn)定性的要求更高，一般中心波長(zhǎng)變化小于0.2 nm，所以需要對(duì)激光器的工作溫度進(jìn)行精確控制。

該設(shè)計(jì)選用的蝶形封裝激光器集成了NTC 熱敏電阻和半導(dǎo)體制冷片，熱敏電阻進(jìn)行溫度精確測(cè)量，半導(dǎo)體制冷片對(duì)其進(jìn)行加熱和制冷，使目標(biāo)穩(wěn)定在設(shè)定溫度。半導(dǎo)體制冷片是一個(gè)利用珀?duì)柼?yīng)來(lái)加熱和制冷的半導(dǎo)體P-N結(jié)器件，當(dāng)P-N 結(jié)兩端的電流朝一個(gè)方向流時(shí)，一面發(fā)熱另一面制冷，當(dāng)P-N 結(jié)兩端的電流流向反過(guò)來(lái)時(shí)，加熱面變制冷，制冷面變加熱。電流越大轉(zhuǎn)移的熱量就越大，所以可以通過(guò)控制電流的大小及方向，來(lái)把激光器的溫度精確調(diào)節(jié)到目標(biāo)溫度。

溫度控制芯片選用MAXIM 公司的MAX1978，該芯片集成了場(chǎng)效應(yīng)管和溫度管理閉環(huán)控制電路，獨(dú)立的加熱、制冷限流和限壓可以保護(hù)激光器的安全，且在低負(fù)載電流時(shí)不存在控制死區(qū)，不會(huì)產(chǎn)生振蕩。所須的外圍器件極少，是非常高效的單芯片溫控解決方案。用該芯片設(shè)計(jì)的高性能溫度控制系統(tǒng)，溫度控制精度可以達(dá)到±0.001 ℃。

3 重點(diǎn)設(shè)計(jì)

在激光器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，有2 個(gè)重要的光學(xué)參數(shù)必須重點(diǎn)考慮，即：中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性和光脈沖峰值功率一致性。這些光學(xué)參數(shù)由激光器的P-I 曲線(xiàn)和門(mén)限電流所決定，而激光器的這些參數(shù)隨溫度的變化而變化，同時(shí)受到老化的影響。所以在整個(gè)工作溫度范圍和壽命時(shí)間內(nèi)，要想保證激光器的正常穩(wěn)定工作，就要設(shè)法抵消或減弱溫度變化和老化對(duì)激光器參數(shù)的影響，保持其中心波長(zhǎng)穩(wěn)定和光脈沖功率的一致性。為了保持激光器中心波長(zhǎng)的穩(wěn)定，采用閉環(huán)溫度調(diào)節(jié)（PID）法，來(lái)精確控制激光器的腔體溫度。

3.1 激光器驅(qū)動(dòng)部分優(yōu)化

當(dāng)要求的輸出光脈沖很窄時(shí)，此時(shí)MAX3949 的輸出級(jí)也需要百皮秒量級(jí)甚至更窄的隨機(jī)脈沖，該脈沖將會(huì)是一個(gè)頻帶分布很寬的信號(hào)，輸出部分電路不足以讓寬帶信號(hào)完好通過(guò)，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)失真，導(dǎo)致激光器的各脈沖輸出功率差異很大，不能滿(mǎn)足系統(tǒng)的性能要求。此外，交流耦合會(huì)引入低頻截止點(diǎn)，導(dǎo)致抖動(dòng)和基線(xiàn)漂移，當(dāng)所用的隨機(jī)數(shù)包含低頻成分時(shí)，將影響正常工作。

為了保持激光器光脈沖功率的一致性，彌補(bǔ)輸出帶寬不足的缺點(diǎn)，將磁珠改成錐型電感、磁珠、功率電感串聯(lián)的方式，設(shè)計(jì)出一個(gè)通頻帶性能極好的Bias Tee 電路[4]，使得信號(hào)在DC-10 Gbps 帶寬內(nèi)的插入損耗極小，從而保證激光器在各種隨機(jī)脈沖情況下輸出功率的一致性。

3.2 工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)

該設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中增加溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度情況，尤其是發(fā)熱量較大的區(qū)域。增加溫度控制模塊的電壓、電流監(jiān)測(cè)，以便實(shí)時(shí)反饋半導(dǎo)體制冷片的工作情況。

3.3 關(guān)鍵信號(hào)布局布線(xiàn)

窄脈沖產(chǎn)生部分和激光器驅(qū)動(dòng)部分的信號(hào)是高速信號(hào)，需要通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)保證信號(hào)的完整性。應(yīng)通過(guò)仔細(xì)布局來(lái)最大程度地減少這些傳輸線(xiàn)的阻抗不連續(xù)性。以下是獲得最佳性能的6 種方法。1）采用良好的高頻布線(xiàn)工藝以及具有連續(xù)地平面的多層電路板，使EMI 和串?dāng)_降至最小[3]。2）數(shù)據(jù)輸入應(yīng)直接連接在IC 之間，避免分叉。3）在速率較高的通信系統(tǒng)中，信號(hào)傳輸線(xiàn)的阻抗匹配非常重要。確保IC 傳輸線(xiàn)具有100 Ω 差分阻抗。4）為盡可能降低損耗和串?dāng)_，應(yīng)保持MAX3949 輸出與激光二極管之間的數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)應(yīng)盡可能短，并必須具有 50 Ω（差分）或25 Ω （單端）特征阻抗。5）采用專(zhuān)用的地線(xiàn)和電源層，因?yàn)閷?zhuān)用的地層和電源層可減小線(xiàn)路電感，為高速電流提供一個(gè)更好的返回通路。高速I(mǎi)/O 下方應(yīng)布設(shè)連續(xù)的地平面[2]。6）地回路過(guò)孔應(yīng)盡量靠近IC 和輸入/輸出口放置，以實(shí)現(xiàn)返回至IC 和激光器的電流通路，要設(shè)置濾波電路。

4 結(jié)語(yǔ)

在合理的方案和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)支撐的基礎(chǔ)上，激光器可以在-40 ℃～50 ℃的寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，完全達(dá)到設(shè)計(jì)性能要求，并實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)的最優(yōu)化。