3. 量子通信链路测试环境搭建
量子通信链路测试环境的目标，是在受控条件下复现真实链路的关键损耗、噪声与偏振/相位扰动，从而对光源、调制器、探测器和后处理算法进行可重复的定量评估。本节围绕光纤链路与自由空间链路两类场景，说明关键器件的选型依据、连接拓扑、平台整体架构以及校准方法。
一、两类链路的关键差异与器件选型
光纤链路以单模光纤为传输介质，典型工作波长为 1550 nm（与电信光纤低损耗窗口一致），也可使用 850 nm 或 1310 nm 用于短距实验。自由空间链路则以大气或真空为介质，常用 850 nm 或 1550 nm，需考虑光束发散、大气湍流与背景光抑制。两类链路对器件的要求差异明显：光纤链路强调低损耗连接与偏振控制，自由空间链路强调光束准直、指向稳定与窄带滤波。
光源选型上，弱相干光源（WCS）是 QKD 系统最常用的方案，通过强衰减激光脉冲获得平均光子数 μ≈0.1～0.5 的准单光子态。选型时需关注：中心波长与线宽（典型 0.1～1 nm）、脉冲重复频率（常见 10 MHz～1 GHz）、消光比（>30 dB）以及边模抑制比。若采用诱骗态协议，光源还需支持强度调制，实现信号态与诱骗态的快速切换。
探测器方面，InGaAs 雪崩光电二极管（APD）适用于 1550 nm，工作于门控盖革模式，探测效率典型 10%～25%，暗计数率约 10⁻⁵～10⁻⁶/门，时间抖动约 200～500 ps。若使用超导纳米线单光子探测器（SNSPD），探测效率可超过 80%，暗计数低于 100 cps，但需 2～4 K 低温环境。选型时需在探测效率、暗计数、时间抖动与制冷成本之间权衡。
调制器用于编码信息，常见方案包括铌酸锂电光调制器（相位/强度调制）和偏振调制器。选型关注半波电压 Vπ（典型 3～6 V）、调制带宽（需匹配脉冲重复频率）、插入损耗（<5 dB）和偏振相关损耗（PDL<0.5 dB）。在偏振编码 QKD 中，还需配合偏振控制器与偏振分束器实现 BB84 四态制备。
二、测试平台整体架构
一个完整的量子通信链路测试平台可分为发射端（Alice）、传输信道、接收端（Bob）和同步与控制四个部分。发射端包含激光器、强度调制器、相位/偏振调制器、衰减器和诱骗态控制；信道部分为光纤盘或自由空间光路，可插入可调衰减器模拟不同传输距离；接收端包含偏振/相位解调模块、单光子探测器和时间数字转换器（TDC）；同步与控制部分负责时钟同步、门控信号生成和数据采集。
图中左侧为发射端，中间为传输信道，右侧为接收端，最右侧为校准与监测模块。同步时钟通过虚线连接发射端与接收端，确保门控信号与光子到达时间对齐。功率计监测点用于实时记录入纤光功率，是 μ 值标定的关键参考。
三、连接与校准方法
连接时需注意光纤接口的清洁与匹配。FC/APC 接口回波损耗优于 FC/PC，建议在探测器前端使用 APC 接口以抑制背向反射。自由空间链路中，发射准直器与接收准直器需共轴对准，可使用红外卡或光束分析仪辅助调节，确保耦合效率大于 70%。
校准是保证测试结果可信的核心环节，建议按以下顺序执行：
- 光源功率与 μ 值标定：将衰减器输出接至光功率计，测量平均光功率 P。已知脉冲重复频率 f 和波长对应的光子能量 E=hc/λ，则平均光子数 μ = P/(f·E)。例如 λ=1550 nm 时 E≈1.28×10⁻¹⁹ J，若 f=100 MHz、P=1.28 nW，则 μ≈0.1。此步骤需在衰减器前后各测一次，确认衰减量准确。
- 探测器效率与暗计数标定：在无光输入条件下记录暗计数率 DCR；再输入已知光子数的弱脉冲，统计探测计数率，计算探测效率 η = (计数率 − DCR)/(入射光子率)。同时测量后脉冲概率，通常要求低于 5%。
- 偏振态校准：在偏振编码系统中，发送四种偏振态（H、V、D、A），在接收端用偏振分析仪测量实际偏振态，计算与理想态的保真度。若保真度低于 98%，需调整偏振控制器或检查调制器偏置电压。
- 时间同步校准：利用 TDC 记录同步光脉冲与信号光脉冲的到达时间差，调整门控延迟使探测门与光子到达时刻对齐。时间抖动应控制在探测器抖动与脉冲宽度之和的 1.5 倍以内。
- QBER 基线测量：在短距离（如 1 m 光纤直连）下运行完整协议，测量量子误码率。理想情况下 QBER 应低于 3%，若偏高需排查偏振漂移、探测器暗计数或同步偏移。
四、典型参数配置示例
下表给出一个 1550 nm 光纤链路测试平台的参考配置，用于 50 km 等效损耗场景。表中数值为教学示例，实际搭建时需根据器件手册与实测结果调整。
| 器件/参数 | 选型或设定值 | 说明 |
|---|---|---|
| 激光器 | 1550 nm DFB，线宽 0.1 nm，重复频率 100 MHz | 消光比 >30 dB |
| 强度调制器 | LiNbO₃，Vπ≈4 V，带宽 10 GHz | 用于诱骗态切换 |
| 衰减器 | 可调 0～60 dB，分辨率 0.1 dB | 模拟 50 km 光纤损耗（约 10 dB） |
| 探测器 | InGaAs APD，效率 20%，DCR 5×10⁻⁶/门 | 门控频率 100 MHz |
| 平均光子数 μ | 0.2（信号态），0.05（诱骗态） | 需实测标定 |
| QBER 目标 | <3%（短距基线） | 50 km 下典型 1%～5% |
搭建完成后，建议先以短距直连验证各模块工作正常，再逐步增加衰减量模拟长距链路，观察 QBER 与计数率的变化趋势。若 QBER 随距离增加而急剧上升，应优先检查偏振漂移补偿是否生效以及探测器暗计数是否随门控频率升高而增大。