近日，北京林業大學工學院游金講師以第一作者兼通訊作者身份，在國際光學領域知名期刊《Optics and Laser Technology》（影響因子：5.3，中科院2區TOP，JCR Q1區）上發表了題為“Piezoelectric actuated planar lightwave circuits for quantum key distribution”的最新研究論文。該研究提出了一種基于壓電驅動的平面光波導回路（PLC）芯片，為實現低功耗、高集成度的量子密鑰分發（QKD）系統提供了全新的解決方案。
隨著量子計算的飛速發展，傳統密碼體系面臨巨大挑戰。QKD作為一種基于量子力學原理的通信方式，能夠提供理論上的絕對安全性。然而，現有的QKD系統大多依賴龐大的光纖器件或功耗較高的熱光、電光調制芯片，難以滿足未來量子網絡對設備微型化、模塊化以及多協議兼容的需求。
針對上述難題，游金團隊研發了一款新型壓電驅動PLC芯片。該芯片巧妙地結合了具有高光彈性系數的聚合物波導與高性能壓電薄膜，通過應力驅動機制實現相位調制，其結構示意圖及實物圖如圖1所示。
圖1 壓電驅動PLC芯片的結構示意圖及實物微縮圖：(a)結構示意圖，(b)光學顯微鏡圖像，(c)壓電層涂覆后的俯視圖
首先對芯片的壓電性能進行了測試，采用激光多普勒測振儀測量小信號驅動下的壓電振幅響應，并提取壓電系數e31,f，結果如圖2所示，表現出芯片良好的壓電驅動性能。
圖2 壓電驅動PLC芯片的壓電性能測試
芯片的光學性能分別通過經典光測試和單光子測試進行評估，如圖3、圖4所示，經典光測試結果表明，該芯片展現出卓越的性能指標：其響應時間僅為12納秒，顯著優于傳統的熱光調制器；在單光子實驗中，該芯片實現了超過92%的干涉可見度，量子比特誤碼率（QBER）低至4%，且在6小時的連續測試中性能漂移僅為1%左右，表現出極高的穩定性。
圖3 經典光測試結果：(a)偏置電壓對光強度的調節，(b)響應時間測試
圖4 單光子測試結果：(a)壓電驅動下的均勻雙脈沖產生，(b)壓電驅動下的干涉態產生，(c)穩定性測試
該研究成果不僅降低了QKD系統的集成難度和功耗，還為大規模、低成本的量子通信硬件部署開辟了新徑。北京林業大學工學院的游金老師為論文第一作者和通信作者，其他作者包括北京林業大學工學院的程朋樂老師，北京大學集成電路學院的尹平老師、盧奕鵬老師和盛博文老師，中國科學院半導體研究所的劉清海老師。北京林業大學為論文第一完成單位。
該研究得到了國家自然科學基金(32171797)等項目的資助。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030399226002185
