單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置，包括溫控電路模塊、PIN光電二極管、偏置電壓設(shè)定模塊和脈沖整形和報警信號產(chǎn)生模塊；PIN光電二極管用于將攻擊者發(fā)送的強光窄脈沖信號轉(zhuǎn)換成窄脈沖電流，并輸出和窄脈沖電流成正比例的窄脈沖電壓；脈沖整形和報警信號電路用于將PIN光電二極管輸出的窄脈沖電壓轉(zhuǎn)換成可被后續(xù)主控芯片識別的標準電平；偏置電壓設(shè)定模塊用于設(shè)置加在PIN光電二極管上的反向偏置電壓。本實用新型電路簡單、成本低，當量子信道中出現(xiàn)強光攻擊信號時，能立即監(jiān)測到并向上位機發(fā)出報警信號，保證了量子密鑰通信系統(tǒng)的絕對安全性。
【專利說明】單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]實用新型涉及量子密鑰分配系統(tǒng)中針對“強光致盲”攻擊的監(jiān)測裝置及方法，尤其涉及一種單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]量子密鑰分配系統(tǒng)(QKD)利用量子力學基本原理來產(chǎn)生和發(fā)布密鑰，保證分配的絕對安全。量子分配之所以能做到通信雙方絕對安全的分配，原因之一是采用單光子攜帶信息，竊聽者如果想得到信息，必須要截取這個攜帶信息的單光子，那么由丁 Bob沒有接收到這個光子，所以會通知Alice將該光子的信息拋棄。根據(jù)物理學波粒二象性的原理，單光子被測量時只能塌縮到一點，不可能被再分，所以竊聽者不能通過分流的方法獲取信息而不被通信雙方所察覺。另外單光子攜帶的信息不能夠被復制，對于竊聽者而言，信道中傳輸?shù)膯喂庾拥臓顟B(tài)信息是不確定的，并且為了保證安全性，這個狀態(tài)信息被Alice采用真隨機的方法進行選擇編碼，所以當我們采用多個狀態(tài)進行隨機編碼時，竊聽者對于單光子的狀態(tài)信息是未知的，量子力學的線性特性禁止未知量子態(tài)的精確克隆，那么，竊聽者試圖在不干擾信息的前提下進行復制或克隆單光子的狀態(tài)信息是不可能做到。然而隨著量子密鑰通信的不斷進步，攻擊方案也越來越多，攻擊者的眼光已不再集中于對光子信號的分流或者復制，而是試圖直接攻擊并控制攜帶信息的單光子的探測設(shè)備，即單光子探測器。該攻擊方案就是“強光致盲”單光子探測器，其原理是，首先，在量子通信信道中加入很強的直流光信號來攻擊單光子探測器，使單光子探測器不能工作在雪崩狀態(tài)，從而無法響應(yīng)單光子信號，然后通過疊加在直流強光信號上的強光脈沖信號來控制單光子探測器電路的輸出。強光致盲的結(jié)果就是攻擊者可以完全控制單光子探測器的輸出。這樣攻擊者就可以充當Alice隨機地“發(fā)數(shù)據(jù)”給Bob。而Alice和Bob并不能發(fā)現(xiàn)收到的數(shù)據(jù)有何種異常，照樣通過經(jīng)典信道進行握手和對基等操作，攻擊者只需再竊取經(jīng)典信道的通信數(shù)據(jù)便能獲得幾乎所有的量子密鑰信號。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置。當攻擊者利用強光攻擊單光子探測器時，本實用新型能立即監(jiān)測到攻擊信號，并立即通知系統(tǒng)停止數(shù)據(jù)的采集。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采取的技術(shù)方案為:單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置，包括溫控電路模塊、PIN光電二極管、偏置電壓設(shè)定模塊和脈沖整形和報警信號產(chǎn)生模塊；所述偏置電壓設(shè)定模塊與PIN光電二極管電連接,PIN光電二極管與脈沖整形和報警信號產(chǎn)生模塊電連接；所述溫控電路模塊用于加熱或者制冷PIN光電二極管，所述PIN光電二極管用于將攻擊者發(fā)送的強光窄脈沖信號轉(zhuǎn)換成窄脈沖電流，并輸出和窄脈沖電流成正比例的窄脈沖電壓；所述脈沖整形和報警信號電路用于將PIN光電二極管輸出的窄脈沖電壓轉(zhuǎn)換成可被后續(xù)主控芯片識別的標準電平；偏置電壓設(shè)定模塊用于設(shè)置加在PIN光電二極管上的反向偏置電壓。
[0005]進一步的，所述溫控電路模塊使用TEC來加熱或者制冷PIN光電二極管。
[0006]進一步的，所述溫控電路模塊包括熱敏電阻、TEC和平衡電橋；將所述熱敏電阻貼在PIN光電二極管上，用于來采集PIN光電二極管的實時溫度；所述平衡電橋用于采集PIN光電二極管的溫度變化并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓變化信號，所述電壓變化信號用于控制TEC制冷或制熱PIN光電二極管，形成一個閉環(huán)控溫結(jié)構(gòu)。而監(jiān)測不到。
[0007]進一步的，所述脈沖整形和報警信號模塊包括電平轉(zhuǎn)換芯片、D觸發(fā)器RC脈沖整形模塊、電阻R1、電阻R2、電阻R3和電阻R4 ;電阻Rl連接在電平轉(zhuǎn)換芯片和PIN光電二極管之間，電阻R3也連接在電平轉(zhuǎn)換芯片和PIN光電二極管之間；電平轉(zhuǎn)換芯片與D觸發(fā)器RC脈沖整形模塊電連接；所述電阻Rl、電阻R2、電阻R3和電阻R4均是端接電阻，用于對PIN光電二極管差分輸出管腳的靜態(tài)工作點進行平移，使PIN光電二極管直流工作點落入電平轉(zhuǎn)換芯片輸入端的工作電壓區(qū)間內(nèi)；所述D觸發(fā)器RC脈沖整形模塊通過D觸發(fā)器利用RC延時對輸入的窄脈沖進行整形，使得輸出的報警信號寬度足夠?qū)捯灾轮骺匦酒O(jiān)測的時候不會因為脈沖過窄。
[0008]本實用新型在量子密鑰設(shè)備的量子信道中引入光分流器，一路送入單光子探測器，另一路送入單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置。在量子密鑰通信設(shè)備中加入一個強光致盲監(jiān)測設(shè)備，一旦量子信道中出現(xiàn)強光攻擊信號，能立即監(jiān)測到，并向上位機發(fā)出報警信號。單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置采用普通的PIN光電二極管搭建強光監(jiān)測電路，該強光監(jiān)測電路是無法響應(yīng)單光子這樣弱的光信號的，因此不會影響正常通信時的單光子探測。但是一旦系統(tǒng)中出現(xiàn)強光攻擊信號時該強光監(jiān)測電路會立即響應(yīng)并產(chǎn)生脈沖信號，上位機能立即監(jiān)測到本單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置輸出信號的變化，并及時停止量子密鑰的分發(fā)。圖1是本實用新型的強光致盲監(jiān)測方法的方框圖，本單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置是在量子密鑰通信系統(tǒng)的接收端引入光分流器將量子信號進行分支，使其中一支信道用于強光致盲監(jiān)測。圖2是本單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)方框圖，使用普通PIN光電二極管作為攻擊信號探測器件，其靈敏度可在一定范圍內(nèi)通過偏壓設(shè)定電路來調(diào)節(jié)，以適應(yīng)一定范圍的強光攻擊信號，其最小響應(yīng)光強度為0.3nw左右，必要的時候可以引入溫控裝置給PIN光電二極管制冷以提高PIN光電二極管的靈敏度。
[0009]本單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置采用普通的PIN光電二極管，電路簡單、成本低，當量子信道中出現(xiàn)強光攻擊信號時，能立即監(jiān)測到并向上位機發(fā)出報警信號。本單光子探測器強光致盲監(jiān)測方法在量子密鑰通信系統(tǒng)中引入光分流器并且首次提出了在量子密鑰通信系統(tǒng)中加入單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置，用來預(yù)防外部強光攻擊單光子探測器，保證了量子密鑰通信系統(tǒng)的絕對安全性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本實用新型的強光致盲監(jiān)測方法的方框圖。
[0011]圖2是本單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)方框圖。
[0012]圖3是脈沖整形和報警信號模塊及其與PIN光電二極管的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖4是偏置電壓設(shè)定模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]下面結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】做進一步說明。

【具體實施方式】
[0015]實施例1
[0016]參見圖1和圖2，本單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置，包括溫控電路模塊、PIN光電二極管、偏置電壓設(shè)定模塊和脈沖整形和報警信號產(chǎn)生模塊；所述偏置電壓設(shè)定模塊與PIN光電二極管電連接，PIN光電二極管與脈沖整形和報警信號產(chǎn)生模塊電連接；所述溫控電路模塊用于加熱或者制冷PIN光電二極管，所述PIN光電二極管用于將攻擊者發(fā)送的強光窄脈沖信號轉(zhuǎn)換成窄脈沖電流，并輸出和窄脈沖電流成正比例的窄脈沖電壓；所述脈沖整形和報警信號電路用于將PIN光電二極管輸出的窄脈沖電壓轉(zhuǎn)換成可被后續(xù)主控芯片識別的標準電平；偏置電壓設(shè)定模塊用于設(shè)置加在PIN光電二極管上的反向偏置電壓。
[0017]作為優(yōu)選方案，所述溫控電路模塊使用TEC來加熱或者制冷PIN光電二極管。所述溫控電路模塊包括熱敏電阻、TEC和平衡電橋；將所述熱敏電阻貼在PIN光電二極管上，用于來采集PIN光電二極管的實時溫度；所述平衡電橋用于采集PIN光電二極管的溫度變化并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓變化信號，所述電壓變化信號用于控制TEC制冷或制熱PIN光電二極管，形成一個閉環(huán)控溫結(jié)構(gòu)。而監(jiān)測不到。
[0018]所述脈沖整形和報警信號模塊包括電平轉(zhuǎn)換芯片、D觸發(fā)器RC脈沖整形模塊、電阻R1、電阻R2、電阻R3和電阻R4 ;電阻Rl連接在電平轉(zhuǎn)換芯片和PIN光電二極管之間，電阻R3也連接在電平轉(zhuǎn)換芯片和PIN光電二極管之間；電平轉(zhuǎn)換芯片與D觸發(fā)器RC脈沖整形模塊電連接；所述電阻R1、電阻R2、電阻R3和電阻R4均是端接電阻，用于對PIN光電二極管差分輸出管腳的靜態(tài)工作點進行平移，使PIN光電二極管直流工作點落入電平轉(zhuǎn)換芯片輸入端的工作電壓區(qū)間內(nèi)；所述D觸發(fā)器RC脈沖整形模塊通過D觸發(fā)器利用RC延時對輸入的窄脈沖進行整形，使得輸出的報警信號寬度足夠?qū)捯灾轮骺匦酒O(jiān)測的時候不會因為脈沖過窄。
[0019]參見圖3，本單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置將PIN輸出的非標準的、幅度較小的脈沖電壓轉(zhuǎn)換成可被后續(xù)主控芯片識別的標準電平。其中Rl，R2，R3，R4是端接電阻，其作用是對PIN光電二極管差分輸出管腳的靜態(tài)工作點進行平移，使其直流工作點落入電平轉(zhuǎn)換芯片輸入端的工作電壓區(qū)間內(nèi)。D觸發(fā)器利用RC延時對輸入的窄脈沖進行整形，使得輸出的報警信號寬度足夠?qū)捯灾轮骺匦酒O(jiān)測的時候不會因為脈沖過窄而監(jiān)測不到。
[0020]參見圖4，其中U6是升壓型開關(guān)芯片，由于PIN光電二極管消耗的電流非常小，為納安級。因此這里選用電容倍壓電路。VDD是開關(guān)電源的供電電壓，D1、D2、D3、C3、C4、C5組成電容二極管倍壓結(jié)構(gòu)。VPIN是開關(guān)電源的輸出電壓，該電壓加在PIN的反向輸入端，作為其偏置電壓。光強監(jiān)測裝置在出廠時針對不同的PIN會單獨設(shè)置加在PIN光電二極管上的反向偏置電壓，使得每個PIN光電二極管的響應(yīng)靈敏度達到一致。這里設(shè)定反向偏置電壓時，只需改變R2或者R3的電阻值大小就可以了。
[0021]溫控電路模塊使用現(xiàn)有的比較通用的溫控電路，使用TEC來加熱或者制冷PIN光電二極管?？刂芇IN光電二極管溫度的整體結(jié)構(gòu)是:首先將熱敏電阻貼在PIN光電二極管上來采集PIN光電二極管的實時溫度，然后通過平衡電橋采集PIN光電二極管的溫度變化并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓變化信號，通過該電壓信號來控制TEC制冷或制熱PIN光電二極管，整體形成一個閉環(huán)控溫結(jié)構(gòu)。
[0022]實施例2
[0023]參見圖1，本單光子探測器強光致盲監(jiān)測方法，包括以下步驟:
[0024]光分流:在量子密鑰通信系統(tǒng)的接收端引入光分流器將量子信號進行分支為兩個支路，其中一個支路送入單光子探測器，另一個支路送入單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置；所述單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置與實施例1相同，不再詳述。
[0025]強光檢測:通過單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置進行強光致盲監(jiān)測；
[0026]報警:所述單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置如果檢測到強光攻擊信號，則發(fā)出報警信號給系統(tǒng)控制中心。
【權(quán)利要求】
1.一種單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置，其特征在于:包括溫控電路模塊、PIN光電二極管、偏置電壓設(shè)定模塊和脈沖整形和報警信號產(chǎn)生模塊；所述偏置電壓設(shè)定模塊與PIN光電二極管電連接，PIN光電二極管與脈沖整形和報警信號產(chǎn)生模塊電連接；所述溫控電路模塊用于加熱或者制冷PIN光電二極管，所述PIN光電二極管用于將攻擊者發(fā)送的強光窄脈沖信號轉(zhuǎn)換成窄脈沖電流，并輸出和窄脈沖電流成正比例的窄脈沖電壓；所述脈沖整形和報警信號電路用于將PIN光電二極管輸出的窄脈沖電壓轉(zhuǎn)換成可被后續(xù)主控芯片識別的標準電平；偏置電壓設(shè)定模塊用于設(shè)置加在PIN光電二極管上的反向偏置電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置，其特征在于:所述溫控電路模塊使用TEC來加熱或者制冷PIN光電二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置，其特征在于:所述溫控電路模塊包括熱敏電阻、TEC和平衡電橋；將所述熱敏電阻貼在PIN光電二極管上，用于來采集PIN光電二極管的實時溫度；所述平衡電橋用于采集PIN光電二極管的溫度變化并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓變化信號，所述電壓變化信號用于控制TEC制冷或制熱PIN光電二極管，形成一個閉環(huán)控溫結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單光子探測器強光致盲監(jiān)測裝置，其特征在于:所述脈沖整形和報警信號模塊包括電平轉(zhuǎn)換芯片、D觸發(fā)器RC脈沖整形模塊、電阻R1、電阻R2、電阻R3和電阻R4 ;電阻Rl連接在電平轉(zhuǎn)換芯片和PIN光電二極管之間，電阻R3也連接在電平轉(zhuǎn)換芯片和PIN光電二極管之間；電平轉(zhuǎn)換芯片與D觸發(fā)器RC脈沖整形模塊電連接； 所述電阻R1、電阻R2、電阻R3和電阻R4均是端接電阻，用于對PIN光電二極管差分輸出管腳的靜態(tài)工作點進行平移，使PIN光電二極管直流工作點落入電平轉(zhuǎn)換芯片輸入端的工作電壓區(qū)間內(nèi)；所述D觸發(fā)器RC脈沖整形模塊通過D觸發(fā)器利用RC延時對輸入的窄脈沖進行整形，使得輸出的報警信號寬度足夠?qū)捯灾轮骺匦酒O(jiān)測的時候不會因為脈沖過窄。
【文檔編號】G01J1/42GK204128683SQ201420410889
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】蔣金鳳, 苗春華, 劉云, 趙義博, 韓正甫 申請人:安徽問天量子科技股份有限公司