高稳定性集成延迟线非对称马赫-曾德尔干涉仪:基于高效3 dB耦合器的芯片级QKD实现
精确的时间延迟生成是用于高速量子密钥分发(QKD)接收器的非对称马赫-曾德尔干涉仪(aMZI)的关键要求。该工作提出了一种基于二氧化硅上氮化硅(Si₃N₄/SiO₂)光子平台的紧凑型集成aMZI架构。设计并优化了一个3-dB定向耦合器,使其能够在1550 nm通信波长实现精确的50:50功率分束。耦合长度首先根据奇偶超模之间的有效折射率差进行估算,随后通过三维本征模展开(EME)仿真进行细化。优化后的结构采用截面为1 μm × 0.4 μm的单模Si₃N₄波导,群折射率接近2,从而能够实现精确的延迟工程。光谱分析表明,该器件在C波段内具有稳定的3-dB功率分束,插入损耗低于0.5 dB且功率不平衡可忽略不计,体现出高传输效率和结构对称性。该研究进一步展示了一条集成式Si₃N₄ aMZI延迟线,可提供500 ps的光学延迟,对应2 GHz的自由光谱范围(FSR)。仿真结果显示,在190-200 THz频率范围内群延迟几乎保持恒定,变化小于10 ps,并具有平滑、近线性的相位响应。这些特性使得干涉可见度高于0.99,对于吉赫兹级时间片QKD系统,对应的估计量子误码率(QBER)低于0.5%。宽带线性相位行为也表明该器件与波分复用(WDM)QKD架构兼容。这些结果证实,所提出的Si₃N₄集成aMZI提供了一种低损耗、色散可控且光谱稳定的延迟解决方案,适用于可扩展的芯片级量子光子接收器。

