作者：Zhihao Lin,1,2 Yuanfei Gao,1,∗ Lai Zhou,1 Huihong Yuan,1 Yuntao Zhu,3 ZhongjinLin,3 Wei Zhang,2 Yidong Huang,2 Xin-Lun Cai,3 AND Zhiliang Yuan1

单位：1Beijing Academy of Quantum Information Sciences, Beijing 100193, China

2Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

3State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, School of Electronics and Information Technology, Sun Yat-SenUniversity, Guangzhou 510275, China

量子通信中的光子集成在微型化和商业应用方面具有巨大的潜力。在众多平台中，薄膜铌酸锂 (TFLN) 因其高电光效率、低传播损耗和紧凑尺寸的卓越组合而脱颖而出。本文，我们展示了一个基于 TFLN 平台的 2.5 GHz 芯片间全集成量子密钥分发 (QKD) 系统，该系统集成了高速双偏振时间箱相位编码和解码功能。我们实现了 0.53% 的极低量子比特误码率，并在 25 公里光纤线上实现了超过 10 Mbps 的密钥速率。

级联马赫-曾德尔调制器的设计有效地抑制了高速 QKD 中的图案化效应。

值得注意的是，发射器和接收器中使用的 TFLN 芯片具有相似的架构，凸显了创建同质收发器的潜力。这项工作为基于铌酸锂集成平台的高速、小型化 QKD 系统铺平了道路。

划重点：

#6寸DUVKRF流片--SIN/铌酸锂晶圆级流片

#利用现有掩膜版提供流片好的SIN晶圆做键合工艺调试

SLT和SLN与其对应的同成分相比电光系数和非线性系数都有比较大的提高，有利于电光器件的制作。对于制作周期极化结构，其畴结构的变化和矫顽场的降低，制作的周期结构更加容易和质量更好。由于SLT折射率差值变得更小，Ppslt更容易在量子光学上得到应用。

*PPSLN/PPSLT

ALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺

TAOOI晶圆--氧化钽薄膜晶圆，镀膜工艺

SINOI晶圆；--超低损耗氮化硅薄膜晶圆，

SICOI晶圆；新型量子光学平台

6寸LTOI晶圆批量供应；铌酸锂的有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶圆

8寸LNOI晶圆;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产

LN/LT-SOI/Si/SIN  W2W&D2W异质集成

流片： 6寸 氮化硅 铌酸锂 硅光 超高性价比流片， 1个BLOCK的价格买一整片晶圆

划重点--全国产-超高性价比-6 寸硅光-氮化硅-铌酸锂流片白皮书

1. 引言

量子密钥分发 (QKD) 允许远距离的双方生成具有信息论安全性的密钥 [1]。

在过去的四十年中，QKD 协议的开发 [2–5]、传输距离的延长 [6–8]、密钥速率的提高 [9,10] 以及现场试验 [11] 等方面都取得了显著进展。尽管取得了这些进展，但 QKD 的实际应用和大规模部署仍受到所需硬件的复杂性、庞大体积和高成本的阻碍。集成光子器件 [12,13] 提供了一种有前景的解决方案，它提供了增强的功能和大规模可制造性，同时还与现有的传统电信基础设施兼容。

量子密钥分发 (QKD) 芯片的集成已在各种光子平台上成功演示，包括二氧化硅 (SiO2)、硅 (Si)、氮化硅 (Si3N4) 和磷化铟 (InP) [14–20]。其中，硅光子平台因其与互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术的兼容性而尤为引人注目 [16]。然而，其高速调制依赖于载波色散效应，这会引入相位相关损耗 [21]，并存在潜在的侧信道漏洞。相比之下，InP 平台在集成激光源和高速电光相位调制器 (EOPM) 方面表现出色 [14,17,19]，但其波导传播损耗相对较高，可达约 4 dB/cm，可能限制其在接收电路中的适用性。另一方面，Si3N4 和 SiO2 平台表现出极低的传播损耗（0.1 dB/cm），使其成为接收芯片中无源元件的理想选择 [16,18]。最近的进展已证明，InP 和 Si3N4 可以在单个收发器芯片内进行异质集成 [14]，从而有效地结合了两个平台的优势，从而优化了性能。

薄膜铌酸锂 (TFLN) 因其综合性能，包括低传播损耗（<0.1 dB/cm [22]）、低电压长度积（<1.5 V cm [23]）、高 3 dB 带宽（>100 GHz [24,25]）和紧凑的尺寸，正成为下一代电光 (EO) 集成器件的有前途的平台，并日益受到关注。这些特性使 TFLN 特别适合需要在单个平台上实现高性能和小型化的应用。

该平台的高效电光效应可实现低调制电压，从而促进CMOS驱动元件的开发，并降低商用系统的功耗。TFLN的相位调制效率可以进一步提高，以产生宽带电光频率梳，拓展其在先进光子应用方面的潜力[26]。

此外，TFLN易于集成干涉仪、偏振旋转器和延迟线等基本光学元件。

尽管具有这些优势，但基于TFLN的、针对QKD系统的集成光子电路的实现仍未得到探索。

在本研究中，我们介绍了一种基于TFLN芯片的全集成量子密钥分发系统，其工作时钟频率为2.5 GHz。

作为发射机和接收机芯片的核心元件，我们精心设计了一个非对称马赫-曾德尔干涉仪（AMZI）结构，以实现高效的双偏振时间相位编码。发射机芯片进一步集成了两个MZM级联，有效抑制了不利的图案化效应。我们在40 dB的信道衰减下实现了1.3 kbps的SKR。此外，我们在25 km光纤轴上演示了该系统，获得了0.53%的极低量子比特误码率（QBER），并在有限尺寸范围内实现了11.0 Mbps的SKR。我们的实验结果凸显了基于TFLN平台的光子集成在推进量子通信技术方面的潜力。

2. 实验实现

2.1. 协议

图 1. (a) 光脉冲通过两个级联 AMZI 后的检测结果图，这两个 AMZI 采用 (i) 单偏振或 (ii) 双偏振方案。(b) 封装芯片及发射器和接收器电路图。(c) 基于 TFLN 芯片的 QKD 实验装置。Alice 使用增益开关 DFB 激光器以 2.5 GHz 的重复频率产生相位随机化光脉冲。滤波后，这些脉冲被引导至 Alice 的光子芯片，以正交偏振态进行强度和相位编码。随后，间隔 250 ps 的脉冲对使用可变光衰减器 (VOA) 衰减至单光子水平，然后发送到量子信道。在接收端，使用 Bob 的光子芯片和超导纳米线单光子探测器 (SNSPD) 进行干涉测量。 (ii) 为马赫-曾德尔调制器 (MZM) 的光学显微照片，(iii) 为偏振分束器和旋转器 (PSR)、延迟线、热光相位调制器 (TOPM) 和电光相位调制器 (EOPM) 的光学显微照片。

为了实现高SKR，我们在TFLN芯片上实现了具有三强度诱饵态的双极化时间仓相位编码BB84协议[9]。信息通过脉冲对中的相位差进行编码，延时为250 ps。Alice在X基上用{0, π}相移和在Y基上用{π/2, 3π/2}相移对量子比特进行编码，而Bob则使用相应的AMZI和{0, π/2}相移对信息进行解码。在通常的单极化方案中，由于缺乏极化路由，形成非干涉峰的光子中有一半对信息提取没有贡献[14]，参见图1(a i)。双极化时间仓相位编码方案集成了时间和极化自由度，表示为 |t0⟩H + eiθ|t1⟩V。其中 |t0⟩(|t1⟩) 表示早（晚）时间仓，H (V) 表示水平（垂直）极化，θ 表示脉冲对之间的相移。该编码方法有效地将所有光子路由到接收机的干涉带。同时，它消除了相邻脉冲对之间的串扰，从而使系统能够以 2.5 GHz 的速度高速运行。在图 1(a ii) 中，绿色块内的所有时间仓都可以作为相长干涉或相消干涉来生成量子密钥。

2.2.发射机和接收机芯片

图 1(c) 展示了 Alice 和 Bob 光子集成电路 (PIC) 的原理图和光学显微照片。

组装好的 TFLN PIC 采用补充材料 1 中描述的方法在 360 nm 厚的 X 形切割单晶铌酸锂薄膜上制作而成，Alice 的编码芯片面积为 20 × 7 mm²，Bob 的解码芯片面积为 20 × 3 mm²。Alice 从外部产生重复频率为 2.5 GHz、中心波长为 1550.42 nm 的光脉冲。分布式反馈 (DFB) 激光器的增益开关确保了诱饵态分析所需的全局相位随机化。半峰全宽 (FWHM) 为 0.08 nm 的窄带滤波器用于限制光谱带宽，从而消除噪声。

发射电路包含两个级联的MZM，用于产生三种强度状态。每个MZM包含两个关键组件：一个用于直流调节的TOPM和一个用于高速强度编码的EOPM。EOPM采用地-信号-地(GSG)结构，并具有一个电容加载的行波电极[25]。这种设计使EOPM能够实现低于2.5 V的低半波电压和超过50 GHz的高带宽，如图S1（见补充材料1）中的电光响应曲线所示。第一个MZM的耦合器的分光比设计为75:25，以便在最小化图案化效应的情况下产生诱饵态。

发射机的AMZI将每个强度调制脉冲分成早时间和晚时间仓对，间隔为250 ps，这通过螺旋波导延迟线实现。离开AMZI后，早时间和晚时间仓的信号具有正交的极化，因为片上偏振旋转器和组合器（PRC）将脉冲对中输入的TE0偏振模式组合并转换为两个相互正交的偏振模式（TE0/TM0）。AMZI的每个臂都配备一个独立的EOPM，用于二进制相位调制（0和π/2，或0和π），足以满足BB84相位编码的要求。接收机电路的结构与发射机的AMZI镜像，并包含一个用于双偏振相位解码的PSR。如图 1(b) 所示，每个发射器或接收器光子芯片封装在其电路板中，总面积为 7.0 × 6.1 cm²。该区域包括光纤阵列、加热端口和用于电气控制的射频端口。接收器的损耗会显著影响系统的性能。为了最大限度地降低损耗，边缘耦合器采用了带有平板锥度的三叉戟光斑尺寸转换器 [27]，以确保 TFLN 波导和光纤之间的有效模式重叠。这种配置实现了约每个面 2 dB。此外，EOPM 通常会产生约 1.5 dB 的损耗。接收电路的总损耗经测量为 9.5 dB，与具有有源解码功能的混合集成电路的损耗相当 [14]。检测由两个外部 SNSPD 执行，其效率为 80%，暗计数率约为 100 Hz。此外，外部偏振控制器 (PC) 在光注入芯片之前对准偏振态。芯片温度对封装芯片的端面耦合损耗有显著影响。为了降低耦合损耗并保持系统的稳定性，发射器和接收器 PIC 采用热电控制器进行温度调节，精度为 0.02 ◦C。

2.3.系统特性

图 2. 集成式 QKD 系统特性。(a) 两个正交偏振态的单光子脉冲直方图，标记为“H”（黑色）和“V”（红色）。为了清晰起见，激光器的脉冲重复率为 1.25 GHz，而不是后续 QKD 演示中使用的 2.5 GHz。(b) 随接收器中 TOPM 上施加电压变化而产生的漂移干涉条纹。(c) 中 50:50 MZM 和 (d) 中 75:25 MZM 的归一化传输，使用 1 kHz 斜坡信号，随施加电压的变化而变化。

为了最大限度地减少两个时间仓之间的串扰，脉冲对的偏振态理想情况下应完全垂直。图 2(a) 显示了发射电路输出的两个正交偏振态的直方图，

该直方图显示，在准备好的 H (V) 态下，偏振消光比为 28.4 dB (23.0 dB)。图 2(b) 显示了 H 和 V 信号通过接收芯片后产生的干涉条纹。图中，干涉仪相位由接收机 AMZI 一侧的 TOPM 调整。需要注意的是，由于 TOPM 对相移的影响，驱动功率与电压的平方成正比。得益于高效的偏振路由，该芯片系统表现出 99.52% 的优异干涉可见度。

诱饵态BB84协议通常采用三种强度状态：信号态“S”、诱饵态“D”和真空态“V”。这三种强度状态可以通过利用MZM（50:50）来产生，MZM分别工作在点A、B和C，如图2(c)中的标记点所示。其中，点“A”和点“C”位于电压响应函数的两个极值点，斜率为零，被定义为静态调制点。相反，工作点B的斜率不为零。因此，驱动电压的任何变化都将按比例转化为强度波动。在高速QKD系统中，强度调制器的有限带宽会导致依赖于调制模式的波形失真[28]。因此，这种图案化效应使量子密钥分发（QKD）的安全性面临风险，因为目前的诱饵态安全分析假设信号独立且同分布。

如果调制器允许所有三个强度状态在静态调制点工作，则可以显著抑制图案化效应[29–31]。因此，我们在发射芯片中设计了一种级联的具有不同分束比的MZM。基于补充材料1中对传递函数的分析，每个MZM具有两个静态调制点，其分束比决定了输出强度消光比。实验需要生成三个强度状态。其中，信号态“S”与诱饵态“D”的强度比为4:1，真空态“V”的输出强度为0。因此，通过两个级联的MZM，分束比分别为75:25和50:50，可以实现三个稳定的强度态。具体而言，分束比为75:25（50:50）的MZM可以制备两个强度比为4:1（1:0）的稳定态，分别对应点“M”（“A”）和“N”（“C”），如图2(c)和图2(d)所示。因此，级联调制器可以实现强度比为4:1:0的三个稳定调制态。必要时，可以通过改变MZM的分束比来设计任意强度比。如图2(c)和2(d)所示，使用采样率为500 kHz的功率计测试了MZM的归一化强度输出特性。我们测量了分束比为50:50和75:25的MZM，其半波电压分别为2.15 V和2.13 V，消光比分别为32.5 dB和6.0 dB。MZM的性能与设计一致。我们比较了单个调制器和级联调制器的强度编码性能。考虑三种类型的前置脉冲：S、D 和 V，分析了 S 和 D 脉冲的平均强度。使用带宽为 10 GHz 的光电探测器探测光脉冲，并使用带宽为 16.8 GHz 的示波器记录。对于单个调制器，我们观察到 D 脉冲存在显著的偏差，超过 25%。相比之下，级联 MZM 有效地缓解了随机强度波动，将偏差抑制到 5% 左右。然而，S 脉冲的偏差略有增加 2%，这归因于两个 MZM 上静态点的贡献。更多详细信息，请参阅附录 1。

3. 密钥速率

我们使用 BB84 诱饵态协议，在三种强度状态下进行了一系列 QKD 实验。实验开始前，我们首先表征了发射机和接收机设备的性能，并使用安全验证模型 [32] 估算了 SKR。通过扫描 X 基比、诱饵态强度和密钥长度等参数，我们确定了最佳实验参数。S、D 和 V 态的概率比分别为 0.7236、0.2028 和 0.0736。Alice 和 Bob 各自有 93% 的概率选择 X 基来提取安全密钥并评估系统的 QBER。

为了考虑有限尺寸对 SKR 的影响，我们在分析中采用了 200 Mbits 的块大小。

图 3. 基于 TFLN 芯片的 QKD 系统性能。

在 2 至 40 dB 的传输损耗范围内，SKR、原始密钥速率 (RKR) 和 QBER 的实验结果分别用红色方块、蓝色圆圈和绿色三角形表示。等效距离可通过线性转换获得。星号表示使用 25 km 超低损耗光纤线轴获得的数值结果。实线表示基于系统参数的仿真结果。为了进行比较，还包含基于芯片的 QKD 实验中采用有源调制接收电路 [14] 的渐近 SKR 值。

我们使用光衰减器收集数据，以模拟 1550 nm 波长下不同长度的超低损耗光纤损耗（0.16 dB/km）。图 3 展示了我们的实验结果，包括 SKR、RKR 和 QBER 与信道衰减的关系，以及模拟结果。这里，密钥速率是根据原始数据计算的，假设信息协调效率为 1.05（详见附录 1 的 S4 节）。在安全参数 εsec = 10−9 和 εcor = 2 −64 下，计算了 SKR 抵御一般攻击的下限。在有限大小范围内，当信道衰减在 2 到 40 dB 之间时，我们实现了 15.8 Mbps 到 1.3 kbps 的 SKR。值得注意的是，仍然允许正 SKR 的最大损耗超过 48 dB，相当于 300 公里低损耗光纤。在 20 dB 的衰减下，我们记录到的最小 QBER 为 0.38%。

在低信道损耗条件下，具体在 2 到 10 dB 之间，我们观察到相对较高的 QBER，这归因于高光子通量下探测器抖动的增加 [10,14]。当信道衰减超过 30 dB 时，暗计数成为影响 QBER 的主要因素。由于通过调整 TOPM 自动对准了 Alice 和 Bob 之间的相位参考，我们使系统连续运行了 9.2 小时，实现了 0.90% 的 QBER，总损耗为 40 dB。

接下来，我们展示了基于芯片的系统在 25 km 光纤轴上（损耗为 4.1 dB）的性能。我们获得了 0.53% 的 QBER、28.7 Mbps 的 RKR 和 11.0 Mbps 的有限大小 SKR。我们进一步估计，将接收电路损耗降低到 6 dB 可能会将 SKR 提高到 25 Mbps 以上。

与最先进的基于芯片的混合InP/SiN有源调制电路系统[14]相比，尽管我们的TFLN接收器的损耗高出1.5 dB，但我们的有限尺寸SKR显著优于其渐近SKR（图3）。然而，允许双偏振相位编码的结构设计使我们的系统能够以更高的时钟频率工作，从而实现更高的SKR。我们相信，随着TFLN平台处理技术的优化，我们的SKR未来可以进一步提升。

4. 结论

我们演示了基于TFLN芯片的全集成量子密钥分发（QKD）系统。我们在25公里光纤上实现了超过10 Mbps的高SKR（单光子发射）。这一成功归功于超低的QBER和双偏振时间箱相位编码方案。级联MZM的设计有效地抑制了高速QKD中的图案化效应。我们的发射机和接收机中的TFLN芯片具有构建同构收发器的潜力。通过进一步降低接收机芯片损耗和相位调制中的半波电压，我们的目标是使用定制设计的现场可编程门阵列（FPGA）板开发商用系统。展望未来，我们预计将激光源和紧凑型单光子探测器[33,34]与TFLN芯片集成。III-V族半导体激光器与TFLN芯片的混合集成已成为在TFLN平台上开发集成光源的主流方法。尽管仍然存在输出功率低、耦合损耗大等挑战，

混合铌酸锂外腔半导体激光器

已展现出令人印象深刻的线宽、电光调谐功能和频率噪声[35–37]。通过集成激光器和探测器的组合，我们有望在铌酸锂光子晶体上实现完整的量子密钥分发(QKD)收发器。这项工作为基于铌酸锂集成平台实现高速、大规模量子安全网络奠定了基础。