論文の概要: Phase Stable Integrated Delay Line Asymmetric Mach Zehnder Interferometers Enabled by High Efficiency 3 dB Couplers for Chip Scale QKD
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2606.21542v1
- Date: Fri, 19 Jun 2026 15:41:20 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-06-25 12:50:41.303003
- Title: Phase Stable Integrated Delay Line Asymmetric Mach Zehnder Interferometers Enabled by High Efficiency 3 dB Couplers for Chip Scale QKD
- Title（参考訳）: チップスケールQKD用高効率3dBカプラによる位相安定遅延線非対称マッハツェンダー干渉計
- Authors: Mahsa. Ghezelbash, Abdollah Eslami Majd,
- Abstract要約: 時間遅延生成は、高速量子鍵分布(QKD)受信機にとって重要な要件である。
二酸化ケイ素(Si3N4/SiO2)フォトニックプラットフォーム上の窒化ケイ素をベースとした小型集積型aMZIアーキテクチャを提案する。
Si3N4 aMZIは、スケーラブルなチップスケールの量子フォトニック受信機に適した低損失、分散制御、スペクトル安定遅延ソリューションを提供する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
- Abstract: Precise temporal delay generation is a key requirement for asymmetric Mach-Zehnder interferometers (aMZIs) used in high-speed quantum key distribution (QKD) receivers. In this work, a compact integrated aMZI architecture based on a silicon nitride on silicon dioxide (Si3N4/SiO2) photonic platform is presented. A 3-dB directional coupler enabling accurate 50:50 power splitting at the 1550 nm telecommunication wavelength is designed and optimized. The coupling length is initially estimated from the effective index difference between the even and odd supermodes and subsequently refined using three-dimensional eigenmode expansion (EME) simulations. The optimized structure employs single-mode Si3N4 waveguides with a cross section of 1 um x 0.4 um, providing a group index close to 2 and enabling accurate delay engineering. Spectral analysis demonstrates stable 3-dB power splitting across the C-band with insertion loss below 0.5 dB and negligible power imbalance, indicating high transmission efficiency and structural symmetry. An integrated Si3N4 aMZI delay line providing a 500 ps optical delay, corresponding to a 2 GHz free spectral range (FSR), is further demonstrated. Simulations show nearly constant group delay across the 190-200 THz frequency range with sub-10 ps variation and a smooth, near-linear phase response. These characteristics enable interference visibility above 0.99, corresponding to an estimated quantum bit error rate (QBER) below 0.5 percent for gigahertz-rate time-bin QKD systems. The wideband linear phase behavior also indicates compatibility with wavelength division multiplexed (WDM) QKD architectures. The results confirm that the proposed Si3N4 integrated aMZI provides a low-loss, dispersion-controlled, and spectrally stable delay solution suitable for scalable chip-scale quantum photonic receivers.
- Abstract（参考訳）: 高精度時間遅延生成は、高速量子鍵分布(QKD)受信機で使用される非対称マッハ・ツェンダー干渉計(aMZI)の鍵要件である。
本研究では, 窒化ケイ素 (Si3N4/SiO2) フォトニックプラットフォーム上での窒化ケイ素をベースとした, コンパクトなaMZIアーキテクチャを提案する。
1550nmの光通信波長で正確に50:50の電力分割を可能にする3dB方向カプラを設計・最適化する。
結合長は、当初は偶数と奇数の間の有効指数差から推定され、その後3次元固有モード展開(EME)シミュレーションを用いて洗練される。
最適化された構造では、単一モードのSi3N4導波路を1U×0.4の断面で採用し、グループインデックスを2に近いものにし、正確な遅延工学を可能にする。
スペクトル解析は、0.5dB未満の挿入損失と無視可能なパワー不均衡を伴い、Cバンド全体で安定な3dBパワー分裂を示し、高い伝送効率と構造対称性を示す。
さらに、2GHz自由スペクトル範囲(FSR)に対応する500psの光遅延を提供する集積Si3N4 aMZI遅延線を実証した。
シミュレーションでは、190-200 THzの周波数範囲で、サブ-10 psの変動と、スムーズでほぼ直線的な位相応答を示す。
これらの特性により、ギガヘルツレートの時間ビンQKDシステムでは、推定量子ビット誤り率(QBER)が0.5パーセント以下である0.99以上の干渉可視性を実現している。
広帯域線形位相挙動は、波長分割多重(WDM)QKDアーキテクチャとの整合性を示す。
提案したSi3N4集積型aMZIは、スケーラブルなチップスケール量子フォトニック受信機に適した低損失、分散制御、スペクトル安定遅延ソリューションを提供することを確認した。
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