Fuente óptica rápida para la distribución de claves cuánticas basada en amplificadores ópticos semiconductores

Fuente óptica rápida para la distribución de claves cuánticas basada en amplificadores ópticos semiconductores

Abstracto: Se ha desarrollado una nueva fuente óptica integrada capaz de emitir pulsos tenues con diferentes estados de polarización y con diferentes niveles de intensidad a 100 MHz. La fuente se basa en un único diodo láser seguido de cuatro amplificadores semiconductores y polarizadores de película delgada, conectados a través de una red de fibra. El uso de un solo láser asegura una indistigibilidad de alto nivel en el tiempo y el espectro de los pulsos con cuatro polarizaciones diferentes y tres niveles de intensidad diferentes..

La aplicabilidad de la fuente se demuestra en el laboratorio a través de un experimento de distribución de clave cuántica de espacio libre que hace uso del protocolo de estado señuelo. Se alcanzó una tasa de clave de seguridad de límite inferior del orden de 1,82 Mbps y una tasa de errores de bits cuánticos tan baja como 1,14 × 10-2 y 93 bps para una atenuación equivalente de 35 dB.

Hasta donde sabemos, este es el sistema de QKD con codificación de polarización más rápida que se ha informado hasta ahora. El rendimiento, el tamaño reducido, el bajo consumo de energía y el hecho de que los componentes utilizados pueden ser calificados para el espacio hacen que la fuente sea especialmente adecuada para la comunicación segura por satélite.

La fuente compacta del pulso débil

Fig.1 Esquema del recurso QKD. [LD] denota un diodo láser, [C] un acoplador 1×2 de modo único, [SOA] un amplificador óptico semiconductor, [P] un polarizador de película delgada en espacio libre y [ BF] una fibra desnuda de modo simple.

Para usarlo en aplicaciones espaciales, la fuente de FPS integrada propuesta consiste en componentes discretos con espacio suficiente (Figura 1): un solo diodo láser semiconductor emite una luz continua.
tren de pulsos ópticos a 100 MHz, dividido por igual a cuatro salidas utilizando tres acopladores 1×2 monofásicos en fibra. Cada salida de fibra es seguida por una SOA integrada (guía de onda). Los cuatro desnudos
las fibras al tubo de acoplamiento se colocan con precisión en un soporte opto-mecánico personalizado para lograr simultáneamente el lanzamiento correcto a la lámina de sustrato de polarizadores, así como para introducir una pérdida de acoplamiento deseada de 70 dB para trabajar en el régimen de fotón único al final de la salida fibra desnuda. Cada polarizador está orientado con precisión para producir una de las cuatro polarizaciones (0 °, 90 °, 45 ° y -45 °) requeridas para el protocolo BB84. Finalmente, la fibra de salida se puede conectar a la interfaz de enlace óptico correspondiente (por ejemplo, un telescopio para comunicación en espacio libre o fibra óptica para enlaces terrestres).

Mediciones experimentales

El tren de pulsos ópticos generados por el diodo láser cuando es impulsado por pulsos eléctricos de 1 ns a 100 MHz. La duración del pulso óptico resultante es de aproximadamente 400 ps. Dado que todos los impulsos ópticos se generan de la misma manera, mediante la modulación directa del diodo láser, se puede suponer que son indistinguibles. Además, la duración del impulso óptico corto de 400 ps (ciclo de trabajo pequeño) tiene la ventaja de aumentar la relación señal / ruido, ya que la ventana de medición (tiempo de detección) en el lado del receptor puede reducirse.

Los pulsos con diferentes intensidades requeridas para implementar el protocolo de estado señuelo se muestran para las cuatro SOA, junto con las señales de activación, cargadas con una resistencia de 50 W para fines de monitoreo. Observe que la ventana de tiempo de modulación de las señales de conducción es mucho más grande (> 5 ns) que el pulso óptico, por lo que se produce una distorsión mínima. Una secuencia periódica continua, que controla las cuatro SOA al mismo tiempo, se usa para establecer el nivel de intensidad de una SOA única mientras que las otras tres SOA permanecen en el estado DESACTIVADO. En particular, los tres niveles de intensidad corresponden a: un estado de nivel de intensidad alta que se establece en 1/2 fotón promedio por pulso ajustando la eficacia de acoplamiento a la fibra descubierta de salida; luego un segundo nivel de intensidad más bajo y el tercer nivel se configura como vacío (el SOA no está encendido). 

Transmisión QKD en espacio libre

El enlace de espacio libre se emuló en el laboratorio al colocar diferentes atenuadores de densidad neutra a lo largo de la ruta de propagación desde Alice (la fuente) hasta Bob (el receptor). Luego medimos las tasas y el rendimiento del protocolo de estado señuelo QKD BB84 + utilizando la fuente presentada. En la implementación del protocolo BB84, solo los pulsos de un solo fotón contribuyen a la clave segura, mientras que en el protocolo de estado señuelo de 3 estados se debe considerar la gama completa de intensidades.

Conclusiones

Hemos demostrado que una única fuente de fotones basada en un diodo láser atenuado para aplicaciones QKD puede construirse sobre la base de un nuevo esquema que incluye amplificadores ópticos semiconductores. La fuente es capaz de generar pulsos de polarización aleatoria distribuidos en cuatro estados y tres niveles de intensidad requeridos para el protocolo de estado señuelo BB84 +. Una tasa de clave de seguridad de límite inferior de 1,82 Mbps con una proporción de error de bit cuántico tan baja como 1,14 × 10-2 para una atenuación de 6 dB. Hasta donde sabemos, este es el sistema de QKD con codificación de polarización más rápida que se ha informado hasta ahora. Dado el voltaje de conducción relativamente bajo de las SOA, el diodo láser y los otros componentes ópticos integrados, el transmisor propuesto tiene un bajo consumo de potencia, es muy integrable y estable. La demostración experimental se ha llevado a cabo a 850 nm, para la implementación en enlaces de espacio libre, con velocidades de generación de 100 MHz. Sin embargo, tomando
teniendo en cuenta que el ancho de banda de la SOA puede ir más allá de 10 GHz y operar también en otras longitudes de onda (p. ej. 1310 nm y 1550 nm para transmisión de fibra), la fuente puede ser fácilmente escalable a mayores tasas de bits, el límite superior probablemente establecido por el láser diodo en sí.