近日，OB体育（中国）官方网站-OBSPORTS工学院游金讲师以第一作者兼通讯作者身份，在国际光学领域知名期刊《Optics and Laser Technology》（影响因子：5.3，中科院2区TOP，JCR Q1区）上发表了题为“Piezoelectric actuated planar lightwave circuits for quantum key distribution”的最新研究论文。该研究提出了一种基于压电驱动的平面光波导回路（PLC）芯片，为实现低功耗、高集成度的量子密钥分发（QKD）系统提供了全新的解决方案。
随着量子计算的飞速发展，传统密码体系面临巨大挑战。QKD作为一种基于量子力学原理的通信方式，能够提供理论上的绝对安全性。然而，现有的QKD系统大多依赖庞大的光纤器件或功耗较高的热光、电光调制芯片，难以满足未来量子网络对设备微型化、模块化以及多协议兼容的需求。
针对上述难题，游金团队研发了一款新型压电驱动PLC芯片。该芯片巧妙地结合了具有高光弹性系数的聚合物波导与高性能压电薄膜，通过应力驱动机制实现相位调制，其结构示意图及实物图如图1所示。
图1 压电驱动PLC芯片的结构示意图及实物微缩图：(a)结构示意图，(b)光学显微镜图像，(c)压电层涂覆后的俯视图
首先对芯片的压电性能进行了测试，采用激光多普勒测振仪测量小信号驱动下的压电振幅响应，并提取压电系数e31,f，结果如图2所示，表现出芯片良好的压电驱动性能。
图2 压电驱动PLC芯片的压电性能测试
芯片的光学性能分别通过经典光测试和单光子测试进行评估，如图3、图4所示，经典光测试结果表明，该芯片展现出卓越的性能指标：其响应时间仅为12纳秒，显著优于传统的热光调制器；在单光子实验中，该芯片实现了超过92%的干涉可见度，量子比特误码率（QBER）低至4%，且在6小时的连续测试中性能漂移仅为1%左右，表现出极高的稳定性。
图3 经典光测试结果：(a)偏置电压对光强度的调节，(b)响应时间测试
图4 单光子测试结果：(a)压电驱动下的均匀双脉冲产生，(b)压电驱动下的干涉态产生，(c)稳定性测试
该研究成果不仅降低了QKD系统的集成难度和功耗，还为大规模、低成本的量子通信硬件部署开辟了新径。OB体育（中国）官方网站-OBSPORTS工学院的游金老师为论文第一作者和通信作者，其他作者包括OB体育（中国）官方网站-OBSPORTS工学院的程朋乐老师，北京大学集成电路学院的尹平老师、卢奕鹏老师和盛博文老师，中国科学院半导体研究所的刘清海老师。OB体育（中国）官方网站-OBSPORTS为论文第一完成单位。
该研究得到了国家自然科学基金(32171797)等项目的资助。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030399226002185
