基于时间相位编码的QKD系统中发射端芯片的研究

作     者：李小珂 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陶继方

授予年度：2023年

学科分类：11[军事学] 1105[军事学-军队指挥学] 07[理学] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 070201[理学-理论物理] 110505[军事学-密码学] 110503[军事学-军事通信学] 0702[理学-物理学] 

主      题：量子通信 量子密钥分发 硅基光电子 BB84协议 时间相位编码 

摘      要：量子通信由于其自身的无条件安全特性,在国家安全、金融信息、军事国防等需要高保密性的领域具有重要的价值和应用前景。量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)作为其中核心内容,在量子通信领域中具有非常重要的作用,QKD系统发射端模块是QKD系统的关键部件之一,对QKD系统的量子误码率、安全密钥速率等性能具有重要的影响。目前,现有的QKD系统采用分立式光学器件,存在体积较大、成本较高、制作困难等问题,导致难以大规模部署,限制了其在商业场景中的应用。针对这一问题,采用片上集成光路的方式研制QKD系统发射端芯片是一种理想的解决方式。随着硅基光电子技术的发展,硅基光电子芯片以低成本、低功耗、小尺寸的优势得到了广泛应用。本文设计并制备了一种基于时间相位编码的QKD系统发射端芯片,并对芯片的性能进行了测试和分析。主要内容如下:本文以使用BB84协议的量子密钥分发系统为研究对象,首先,研究分析总结了量子密钥分发的理论知识,并分析了不同协议与不同编码方式的量子密钥分发系统的差异,明确了基于BB84协议时间相位编码的QKD系统发射端的优势,并完成了对发射端芯片的材料选择和结构设计。然后通过时域有限差分软件对芯片光学器件部分进行了光学仿真,明确了耦合长度和耦合间距对芯片光学器件性能的影响,确定了芯片光学器件的仿真优化参数。最后根据仿真结果制定了时间相位编码QKD系统发射端芯片的加工流程,确定了芯片的加工工艺,并根据加工工艺绘制了芯片的版图,制备得到的芯片面积仅为5.15 mm×5.15 mm,并且完成了对芯片的封装。本文最后基于所设计的芯片搭建了实验平台并对芯片的性能进行了测试。首先使用1550 nm光源、半导体制冷器(Thermo-Electric Cooler,TEC)与光功率器等设备完成了对实验平台的搭建,通过对芯片的调制以及温控系统的应用,抑制了芯片中非对称马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)的累积相移,保证了芯片的稳定性,经过测试,芯片可以正常输出携带不同量子态的光信号,且光信号强度保持基本一致。