OFC2025 | 世界首个单片集成硅锗量子密钥分发发射器芯片
引言量子密钥分发（QKD）已经成为量子时代通信安全的关键技术。传统的加密方法，特别是基于非对称算法的加密方法，面临着量子计算攻击的日益增长的威胁。这促使了基于物理基本规律的QKD技术开发，这些技术提供了基于信息理论的安全性。然而，QKD技术的广泛应用面临着巨大挑战，主要是由于与消费电子产品的技术不兼容性以及传统实现方案的高成本。
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QKD集成的挑战
目前的QKD系统通常依赖III-V族半导体材料进行光生成，这需要昂贵的共同组装、密封封装和复杂的集成程序。这些要求与单片硅微电子的简洁性和成本效益形成鲜明对比。以前的芯片级QKD演示已在各种平台上展示，包括单片InP、混合InP/硅和InP/聚合物平台，但这些方案都需要III-V材料才能获得完整功能，特别是光生成功能。
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基于硅的解决方案
奥地利技术研究所和维也纳大学的研究人员开发了一个突破性的解决方案：世界上第一个基于单片硅的QKD发射器芯片。这种单芯片光电子集成芯片是在硅平台上制造的，无需任何III-V材料即可产生光。该芯片利用硅锗(SiGe)技术创建了一个全硅量子发射器引擎，可以与标准硅微电子无缝集成。
图1：评估全硅QKD发射器的实验设置示意图，显示了集成的SiGe光源和用于偏振编码的光学组件。
该QKD发射器光电子集成芯片是在IMEC的iSiPP50G硅绝缘体平台上制造的。其核心是一个90微米长的正向偏置侧向SiGe PIN结，作为光发射器。芯片的设计包括1D和2D光栅耦合器，用于光源后表面和QKD发射器输出处的面外耦合。状态准备线路根据4状态偏振编码BB84协议（QKD的行业标准）对光进行编码。
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技术性能和能力
SiGe光源在25至80°C的工作温度范围内表现出令人印象深刻的特性。在后表面，光输出在25 mA前向电流和2.2 V电压下达到-66.9 dBm。尽管由于光电子集成芯片的电光调制阶段和2D-GC导致约19.5 dB的光损耗，加上额外的光谱过滤损耗，该芯片在100 MHz的符号速率下仍能实现平均光子数μ = 0.015光子/符号。
图2：SiGe光源的综合特性图，显示(a)不同温度下的VLI特性，(b)TOPS校准，(c)源调制能力，(d)发射光谱，以及(e)外部和内部光源操作之间的光学预算比较。
该设计的一个显著优势是SiGe光源的发射光谱覆盖了ITU-T G.694.1规定的DWDM网格的整个C波段。这种广泛的光谱覆盖实现了无色WDM操作，量子信道可以通过外部WDM多路复用器或带通滤波器进行选择。
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QKD性能评估
研究人员进行了广泛的测试，以评估单片硅发射器的QKD性能。他们实现了基于偏振的BB84 DV-QKD协议，以100 MHz的符号速率生成四个偏振状态（H、V、R和L）。QKD信号通过各种测试配置传输，包括可变光衰减器以测试光学预算容差、用于距离测试的标准单模光纤线圈，甚至还有维也纳的现场安装光纤链路。
图3：QKD性能指标图，显示(a)通过SMF的安全密钥生成，(b)不同波长信道的性能，(c)维也纳部署的光纤链路，以及(d)长期运行稳定性。
结果显示了显著的性能。团队在实验室条件下实现了通过长达31公里光纤的安全密钥生成。在测试信道相关性能时，他们发现SiGe光源的宽带发射使得在200-GHz WDM网格上实现了32个ITU-T信道的光谱灵活性。BB84协议的安全密钥估计对于这些信道中的十一个，产生的速率超过1 kb/s，每一个都提供足够的密钥材料来保障高达2 Tb/s的经典信道容量。
在最令人印象深刻的演示中，研究人员评估了QKD发射器在维也纳现场部署的光纤链路上的性能，该链路的长度为45.9公里，损耗为16.5 dB。通过在接收端使用超导纳米线单光子探测器，他们实现了1.55 kb/s的原始密钥速率，量子比特错误率(QBER)为5.05%，产生了655 b/s的安全密钥速率。这一速率足以保障1.31 Tb/s的经典信道容量。一个小时的长期运行证实了SiGe光源QKD发射器的稳定性。
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未来影响和集成可能性
这一突破的意义超出了即时性能指标。在硅平台上的单片设计完全消除了对III-V材料的需求，为QKD发射器与商品和SiGe射频电子产品的无缝集成提供了可能，例如用于下一代通信网络（如6G）的手持设备。
通过进一步提高SiGe光生成效率和减少BB84状态准备的损耗，这种技术有潜力媲美甚至超过传统的III-V光源QKD系统的性能。其简单性、成本效益和与现有制造工艺的兼容性使这一创新成为量子安全通信广泛应用的潜在转折点。
随着量子计算的不断发展，对现有加密方法构成威胁，这种基于硅的QKD发射器代表了向日常应用提供实用量子安全通信的显著进步，从安全金融交易到保护医疗、政府和关键基础设施中的敏感通信。
参考文献
F. Honz, W. Boxleitner, M. Ferreira-Ramos, M. Hentschel, P. Walther, H. Hübel, and B. Schrenk, "World's First Monolithic SiGe QKD Transmitter Chip," in OFC 2025, Th4D.7, 2025.
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