[論文レビュー] Integrated Silicon Photonic Transmitter for Polarization-Encoded Quantum Key Distribution

Chaoxuan Ma, Wesley D. Sacher+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 30被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、標準的なCMOS準拠のシリコンフォトニクスファブリケーションプロセスを用いて作製された、偏光符号化量子鍵配送（QKD）用の最初のシリコンフォトニック集積回路（PIC）送信機を提示する。チップは1.3 mm × 3 mmのフォトニクス・フィートプリントに、パルス発生器、強度変調器、可変光衰減器（VOA）、偏光変調器を統合し、5 kmのファイバーを介した概念実証BB84 QKDで、0.952 kbpsの秘密鍵レートと5.4%の量子ビット誤り率（QBER）を達成した。

ABSTRACT

We present a silicon optical transmitter for polarization-encoded quantum key distribution (QKD). The chip was fabricated in a standard silicon photonic foundry process and integrated a pulse generator, intensity modulator, variable optical attenuator, and polarization modulator in a 1.3 mm $ imes$ 3 mm die area. The devices in the photonic circuit meet the requirements for QKD. The transmitter was used in a proof-of-concept demonstration of the BB84 QKD protocol over a 5 km long fiber link.

研究の動機と目的

• 偏光符号化量子鍵配送（QKD）用に、コンactでスケーラブルかつ低コストなシリコンフォトニック集積回路（PIC）送信機を開発すること。
• 標準的なシリコンフォトニクスファブリケーションプロセス（例：8–12インチウェーパー）を活用し、QKD部品の大量生産と低コスト化を実現すること。
• パルス生成、強度変調、可変光衰減、偏光状態準備といったQKDの基本的機能を1チップに統合すること。
• ファブリケーションベースのシリコンフォトニクスが、実用的でウェーパースケールの量子通信システムを実現可能であることを実証すること。

提案手法

• 送信PICは、A*STAR IMEのベースラインシリコンフォトニクスプロセスを用いて作製され、2つのマイクロリングレゾネータ、可変光衰減器（VOA）、偏光変調器を1.3 mm × 3 mmのダイに統合した。
• 1番目のマイクロリングはナノ秒パルス列を生成し、2番目のマイクロリングはパルス強度を変調して信号状態とデコイ状態を生成する。
• VOAは光パルスを1光子レベルにまで減衰させ、27 dBの減衰深度を達成し、弱いコherentパルス動作を可能にした。
• 偏光変調器は、マハーズ・ツェンダ干渉計にオンチップのPINダイオードを用いて位相制御を行い、4つの直交する偏光状態（|H⟩, |V⟩, |D⟩, |A⟩）を生成した。
• オンチップの断面急変変換波ガイドカップラーと、2.5 µmスポットサイズのレンズ付きファイバーにより、効率的なファイバー・チップ結合が実現され、偏光依存損失（PDL）が低減された。
• システムでは、消光比（30 dB）と熱安定性を向上させるために、外部のLiNbO₃強度変調器を採用し、QKD実証ではオンチップのマイクロリング変調器を代替した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なCMOS準拠のファブリケーションプロセスを用いて、偏光符号化QKD用の完全に統合されたシリコンフォトニック送信機を実現できるか？
• RQ2 実際のファイバー回線を想定した場合、このようなPICの性能（鍵レートと量子ビット誤り率：QBER）はどの程度か？
• RQ3 オンチップ部品（VOA、偏光変調器）は、QKD用途において偏光忠実度と強度安定性をどの程度維持できるか？
• RQ4 複数のQKD機能（パルス生成、変調、減衰、偏光制御）を1チップに統合することで、スケーラブルかつ低コストなQKDシステムを実現できるか？
• RQ5 QKDシステムにおいて、オンチップマイクロリング変調器と外部の高消光比変調器とを比較した場合、その限界は何か？

主な発見

• シリコンフォトニック集積送信機は、5 kmの通常モードファイバーを介した概念実証BB84 QKDで、0.952 kbpsの秘密鍵レートと5.4%の量子ビット誤り率（QBER）を達成した。
• 1パルスあたりの平均光子数は0.024と推定され、原始的鍵レートは13.2 kbpsであった。これは、効果的な1光子レベル動作を示している。
• 偏光変調器は30 dBを超える偏光消光比（PER）を達成し、4つの偏光状態間でのパワー変動は0.9 dB未満であった。
• オンチップ可変光衰減器（VOA）は27 dBの減衰を提供し、パルス強度を1光子領域に効果的に低下させた。
• システムは5.4%のQBERを示し、ショア・プレスキルの証明で必要な11%のしきい値を下回っており、本アプローチの実現可能性を確認した。
• 結果から、ファブリケーションベースのシリコンフォトニクスが、実用的でスケーラブルかつ低コストなQKD送信機を実現可能であり、実世界への展開に適した性能を有することが確認された。