基于國產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，李風雨，馬 偉，徐煥銀

(1.安徽師范大學 物理與電子信息學院，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研究中心，蕪湖 241000)

引 言

量子通信技術具有較高的安全性[1-3]，在涉及到國家安全的領域有廣泛的應用前景。量子密鑰分配(quantum key distribution，QKD)是量子通信技術中的重要內容[4-5]。量子密鑰分配系統通常使用調制分布反饋式(distributed feedback，DFB)激光器產生相位隨機的弱相干光脈沖[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協議的單光子方案[7]，需要產生單光子作為信息載體進行密鑰分配。由于單光子源不成熟，一般將激光器產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生弱相干光脈沖，在量子密鑰分配系統中需要通過光強調制器和可調光衰減器等光學模塊衰減到單光子量級。

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

為了滿足國產化需求，本文中設計了一種基于國產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的功能需求和激光器的驅動需求，以國產單片機作為主控芯片。如圖1所示，本文中設計的整體硬件方案在接收到觸發信號以后，激光器模塊會發出皮秒脈沖光，脈沖光由光纖進行傳輸，用串口控制皮秒脈沖激光器模塊的工作狀態。

Fig.1 Structure diagram of the whole hardware solution

皮秒脈沖激光器模塊中的半導體二極管(laser diode，LD)采用電流驅動[9]，始終有一個低于閾值電流的恒定電流信號施加在半導體激光器上，當接收到觸發信號時，電壓脈沖電路產生200ps電壓脈沖，施加在LD調制驅動電路上產生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，產生約為50ps脈沖光。

隨著LD的溫度升高，閾值電流會增大，發光波長也會發生紅移[10]。為了保證皮秒脈沖激光器模塊輸出光波長穩定，LD需要在恒定溫度下工作，所以需要溫度控制電路[11]。LD內部集成負溫度系數的熱敏電阻(thermistor，TH)和半導體熱電制冷器(thermoelectric cooler，TEC)，單片機通過模數轉換器(analog-to-digital conversion，ADC)和TH采集溫度，單片機發出脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)信號給H橋電路，驅動TEC工作，控制激光管工作溫度波動在0.1℃以內，對應的發光波長漂移在0.01nm之內。

采用外部光電二極管(positive intrinsic negative，PIN)對輸出光功率進行監測，通過模數轉換器發送給單片機，反饋調整激光管驅動電流，確保皮秒脈沖激光器模塊輸出光功率穩定[12]。

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

1.2 單片機

單片機選用國產的高性能低功耗的GD32F103RET6，該芯片是基于ARM?CortexTM-M3處理器的32位通用微控制器。內部集成多種功能，本文中采用了串行外設接口( serial peripheral interface，SPI)、通用同步異步收發器(universal synchronous asynchronous transceiver，USART)、調試接口、定時器、數模轉換器(digital-to-analog conversion，DAC)、Flash存儲器、看門狗、復位和時鐘單元。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。電路中選用國產的運算放大器芯片，采用+5V和-5V供電。晶體管選用國產的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倍的放大倍數要求。

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

單片機通過內部數模轉換器輸出精準模擬電壓至壓控電流源，從而輸出恒定的電流給半導體激光器。單片機控制輸入電壓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

采用光電二極管監測半導體激光器輸出的光功率，本文中選用國產的極低暗電流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管的輸出信號進行放大，經過國產的AD7699芯片進行模數轉換。該芯片是一款多通道、16位模數轉換器，吞吐速率為每秒5×105采樣次數,內置低功耗數據采集系統，含有內部4.096V低漂移基準電壓源，使用SPI與單片機通信。

1.5 窄脈沖電路

窄脈沖電路由電壓脈沖電路和LD調制驅動電路構成，電壓脈沖電路包括扇出芯片、線延時和邏輯芯片等；LD驅動芯片將電壓脈沖轉化為電流脈沖，是LD調制驅動電路的核心元件。

圖3為窄脈沖電路結構框圖[13]。觸發信號通過時鐘芯片扇出為兩路，對其中一路進行線延時，經過邏輯運算得到窄脈沖電壓信號。時鐘扇出芯片選用國產的時鐘驅動器，LD驅動芯片是由國內工廠仿制的進口芯片。

Fig.3 Structure diagram of the short pulse circuit

1.6 半導體激光器和溫度控制電路

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

在溫控電路中，熱敏電阻的電壓通過模數轉換器采集，輸出給單片機，TEC驅動芯片選用國產的L298N型H橋集成電路，直接接收單片機的PWM信號，驅動TEC。

1.7 電源電路

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

2 軟件設計

軟件需要實現與上位機串口通信、控制半導體激光器內部溫度、采集激光器輸出功率和調節工作電流等功能。需要對時鐘、ADC,DAC、串口、定時器等進行初始化，通過ADC和PWM波函數控制溫度，通過ADC采集光功率、DAC控制工作電流，上位機通過串口讀取和修改電路的設置。

基于單片機廠家提供的庫函數開發程序，通過串行調試(serial wire debug，SWD)接口下載和調試程序。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節工作電流放在主循環中反復執行。用TH_AD()函數采集溫度，TEC_ctrl()控制半導體制冷器，用PIN_AD()采集光功率，cur_ctrl()控制半導體激光器工作電流。在溫度采集和光功率采集中都調用了AD_converter()函數將模擬量轉換為數字量。在TEC_ctrl()中調用單片機廠家提供的PWM波函數控制TEC制冷或制熱，在cur_ctrl()中調用廠家提供的數模轉換函數控制工作電流。下位機采用單片機廠家提供的串口通信函數與上位機進行通信。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的數據并保存在Flash存儲器中，下位機將激光器內部溫度和輸出功率等參量發送給上位機，并在上位機上顯示。由于上位機可隨時發送數據，所以下位機采用中斷方式接收數據。

3 實驗結果

本實驗中使用DSA8300示波器結合光采樣模塊(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端口。圖4是輸入觸發頻率為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。連續測試12h，光脈沖的峰值波長始終穩定在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定性，使用PM200光功率計統計了24小時內輸出功率變化情況，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，皮秒脈沖激光器模塊的輸出功率波動可以滿足系統需求。

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

Fig.7 Curve for laser output power versus time

4 結 論

本文中選用國產芯片，研制出千兆皮秒脈沖激光器模塊，能夠穩定輸出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定，符合量子密鑰分配系統對皮秒脈沖光源的要求，還需要通過長期使用來驗證產品的穩定性。本文中研制的激光器模塊對實現量子密鑰分配系統完全國產化具有很好的實際意義。