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量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)作为量子力学原理在通信领域的应用，可以实现在原理上无条件安全性的保密通信。世界首条量子保密通信干线“京沪干线”的建成、世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”的成功发射和“天地一体化”量子实验室的加速建设等等，标志着我国在QKD实用化研究方面走在世界前列。目前QKD朝着标准化、网络化方向发展，通过卫星与地面基站结合建成全球量子通信网络成为QKD发展的重要目标。QKD日趋成熟，小型化是QKD设备的一个重要发展趋势，减小设备体积、设计便携式设备将对QKD的普及发展起到非常大的作用。
本论文针对QKD设备的电子学系统集成化方向进行研究。使用专门为QKD定制的专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)可以减小电子学系统的体积，降低功耗和成本，并实现自主可控。将ASIC应用于QKD系统将为QKD设备的小型化提供巨大助力。本论文为QKD发送端量子光源驱动电路，设计了两款光源驱动器ASIC——激光驱动器（命名为QLSD）和激光调制驱动器（命名为QLMD）。本论文从QKD的原理和量子光源的需求角度分析，根据目前广泛使用的增益开关激光器产生激光脉冲和电光调制器调制光信号强度态和偏振态的QKD发送端量子光源方案，得出QLSD和QLMD的具体设计指标，并依此进行两款芯片的设计。两款芯片均采用130nm互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS）工艺。
QLSD作为激光驱动器，其设计目标是针对1550nm波段的分布式反馈激光器，产生电流脉冲信号直接驱动激光器，并通过读出激光器的功率信息进行激光器输出功率实时反馈调节。其主要包括宽度与幅度可调电流脉冲的产生和功率反馈调节两个功能。电流脉冲用于以增益开关的方式驱动激光器产生激光脉冲信号。功率反馈调节可以提高激光长时间工作的稳定性。为了平衡速度与驱动电流的需求，在设计中采用有源电感峰化技术扩展带宽。QLSD通过激光器的监视光电二极管读出激光器的工作情况，并实时反馈调节输出的电流脉冲，实现功率反馈调节。最终测试结果表明，QLSD数据率可以达到625Mbit/s，输出的电流脉冲宽度调节范围为300～3800ps，幅度调节范围为0～70mA，由QLSD驱动激光器产生的激光脉冲信号消光比可以达到26dB，达到了设计的预期。
QLMD的设计目标是产生多幅度的电流脉冲信号驱动电光调制器。由于电光调制器要求的电压幅度较高，所以采用两级放大的结构:先由QLMD在低电压下产生多幅度的信号，然后由分布式功率放大器对QLMD输出的信号进行放大，得到满足电光调制器需求的电压信号。QLMD主要包括随机数的产生和多幅度可调电流脉冲的产生两个功能。根据QKD对偏振态编码和强度态编码中信号的各个状态权重占比的不同要求，通过内部或外部的随机数的产生和编码得到QLMD的编码信号。偏振态QLMD为内部随机数产生并编码得到的权重占比为1∶1∶1∶1的4个状态编码;强度态QLMD为外部随机数产生并编码得到的不同权重占比的3个状态编码。再据此产生不同幅度的电流脉冲信号，通过功率放大器驱动电光调制器。为了平衡速度与驱动电流的需求，在设计中采用有源反馈技术扩展带宽。最终测试结果表明，QLMD的数据率可以达到625Mbit/s，输出电流脉冲宽度调节范围为300～3800ps，幅度调节范围为0～14mA，电流脉冲的延时可以连续调节，达到了设计的预期。
两款芯片均用于QKD的光源驱动中，测试结果满足了设计要求。论文工作的创新点主要有以下几个方面:
(1)制定了QKD发送端电子学的集成化方案。通过将ASIC技术应用于QKD中，为QKD光源设计两款光源驱动ASIC，提高了QKD设备的自主化程度，是国内最早开展的QKD电子学集成化相关研究的工作之一。
(2)在激光驱动器中，提出将激光驱动与功率反馈功能集成的方案，解决当前激光驱动电路结构复杂体积大的问题。采用这种方案，可以实现单芯片控制激光器稳定发射激光脉冲。
(3)在激光调制驱动器中，提出交错嵌套有源反馈结构，解决高速与大电流引起的带宽不足问题。此结构避免使用面积较大的金属电感，有效地扩展了激光调制驱动器的带宽。
本论文针对QKD设备的电子学系统集成化方向进行研究。使用专门为QKD定制的专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)可以减小电子学系统的体积，降低功耗和成本，并实现自主可控。将ASIC应用于QKD系统将为QKD设备的小型化提供巨大助力。本论文为QKD发送端量子光源驱动电路，设计了两款光源驱动器ASIC——激光驱动器（命名为QLSD）和激光调制驱动器（命名为QLMD）。本论文从QKD的原理和量子光源的需求角度分析，根据目前广泛使用的增益开关激光器产生激光脉冲和电光调制器调制光信号强度态和偏振态的QKD发送端量子光源方案，得出QLSD和QLMD的具体设计指标，并依此进行两款芯片的设计。两款芯片均采用130nm互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS）工艺。
QLSD作为激光驱动器，其设计目标是针对1550nm波段的分布式反馈激光器，产生电流脉冲信号直接驱动激光器，并通过读出激光器的功率信息进行激光器输出功率实时反馈调节。其主要包括宽度与幅度可调电流脉冲的产生和功率反馈调节两个功能。电流脉冲用于以增益开关的方式驱动激光器产生激光脉冲信号。功率反馈调节可以提高激光长时间工作的稳定性。为了平衡速度与驱动电流的需求，在设计中采用有源电感峰化技术扩展带宽。QLSD通过激光器的监视光电二极管读出激光器的工作情况，并实时反馈调节输出的电流脉冲，实现功率反馈调节。最终测试结果表明，QLSD数据率可以达到625Mbit/s，输出的电流脉冲宽度调节范围为300～3800ps，幅度调节范围为0～70mA，由QLSD驱动激光器产生的激光脉冲信号消光比可以达到26dB，达到了设计的预期。
QLMD的设计目标是产生多幅度的电流脉冲信号驱动电光调制器。由于电光调制器要求的电压幅度较高，所以采用两级放大的结构:先由QLMD在低电压下产生多幅度的信号，然后由分布式功率放大器对QLMD输出的信号进行放大，得到满足电光调制器需求的电压信号。QLMD主要包括随机数的产生和多幅度可调电流脉冲的产生两个功能。根据QKD对偏振态编码和强度态编码中信号的各个状态权重占比的不同要求，通过内部或外部的随机数的产生和编码得到QLMD的编码信号。偏振态QLMD为内部随机数产生并编码得到的权重占比为1∶1∶1∶1的4个状态编码;强度态QLMD为外部随机数产生并编码得到的不同权重占比的3个状态编码。再据此产生不同幅度的电流脉冲信号，通过功率放大器驱动电光调制器。为了平衡速度与驱动电流的需求，在设计中采用有源反馈技术扩展带宽。最终测试结果表明，QLMD的数据率可以达到625Mbit/s，输出电流脉冲宽度调节范围为300～3800ps，幅度调节范围为0～14mA，电流脉冲的延时可以连续调节，达到了设计的预期。
两款芯片均用于QKD的光源驱动中，测试结果满足了设计要求。论文工作的创新点主要有以下几个方面:
(1)制定了QKD发送端电子学的集成化方案。通过将ASIC技术应用于QKD中，为QKD光源设计两款光源驱动ASIC，提高了QKD设备的自主化程度，是国内最早开展的QKD电子学集成化相关研究的工作之一。
(2)在激光驱动器中，提出将激光驱动与功率反馈功能集成的方案，解决当前激光驱动电路结构复杂体积大的问题。采用这种方案，可以实现单芯片控制激光器稳定发射激光脉冲。
(3)在激光调制驱动器中，提出交错嵌套有源反馈结构，解决高速与大电流引起的带宽不足问题。此结构避免使用面积较大的金属电感，有效地扩展了激光调制驱动器的带宽。