单光子探测器电子学关键器件的ASIC芯片研究

Quantum Key Distribution (QKD) is a hot topic in quantum secure communication and quantum network. The miniaturization of the equipment is a main study area. Single-photon detector is an important device in the QKD system. We study the Application Specific Integrated Circuit (ASIC) chip design of the key components in the single-photon detector electronics in this project for the miniaturization of the QKD system.. High-speed narrow-pulse technology is involved in the front-end electronics design. If we use discrete components to design the front-end, the large volume occupation and high power consumption makes the system is difficult to be cooling down. When we design an ASIC chip for the current circuits of the detector electronics, the Printed Circuit Board (PCB) will be smaller than before, and the power consumption on the line / output drivers will be reduced a lot. Therefore, the ASIC chip can be packaged in the cooling system together with the single-photon detector. Because there is no impact from long transmission lines and large parasitic parameters, the maximum speed of the electronics can be improved. The probability of the post-pulse is minimized, the counting rate and generation rate is maximized for the low noise in the cooling system. The miniaturization and high-speed of the single-photon detector electronics is good for the multi-channel design and light weight quantum network promotion. . The study of the ASIC design of the key components in the single-photon detector electronics is a good start of the ASIC integration in the whole system. The full ASIC integration of the single-photon detector electronics will be accomplished in the further work.

量子密钥分发是量子保密通信/量子网络发展的重要议题，设备小型化成为主要的研究方向。单光子探测器是量子密钥分发过程中的重要器件，本课题为探测器的前端电子学关键器件设计专用集成电路芯片（ASIC），以促进量子密钥分发系统的小型化。. 探测器前端涉及高速窄脉冲技术，用分立器件构建时体积和功耗较大，不利于冷却。采用ASIC技术对现有探测器前端电路做集成，电路板面积大幅减小，信号驱动功耗降低。而且ASIC芯片可以与单光子探测器一起封装入制冷盒，由于没有长传输线和较大寄生参数的影响，电子学的最高速率得到提升。而整体制冷使噪声降低，后脉冲概率减小到最低，可提高最大计数率和成码率。单光子探测器和前端电子学的小型化和高速化，有利于多通道的集成，对瘦客户端量子网络的推广也具有重要意义。. 本项目以探测器前端电子学关键器件的芯片集成化作为起步，并在后继工作中实现探测器电子学整体的芯片集成化。

量子密钥分发是量子保密通信/量子网络发展的重要议题，设备小型化成为主要的研究方向。单光子探测器是量子密钥分发过程中的重要器件，本课题为探测器的前端电子学关键器件设计专用集成电路芯片（ASIC），以促进量子密钥分发系统的小型化。.硅基可控延时线和甄别器是项目申请时确定的主攻关键器件。经过调研、结构选型、前后仿真等步骤确认了流片尝试的设计方案，利用与其他项目共同流片的机会，进行了两次较为正式的MPW流片。采用130nm CMOS工艺，成功实测得到了58ps的延时单元可以用于延时线设计，甄别器则在一次流片反馈后，修改完善设计，达到了最小固有延时280ps，最小输入脉宽200ps的甄别能力。.本项目于2014年申请，2015~2017年执行，在项目实施过程中，更多的元件芯片集成需求被提出，申请人主导了量子通信科研团队中的芯片设计工作。除本项目的两个设计外，还设计了高速物理随机数芯片用于提升系统性能，其集成度、性能指标远超商用产品。该芯片已经基本定型，计划用于航天和地面高级程度的QKD系统中。.在本项目的基础上，已经形成4篇已发布、已接受论文，先后有10名研究生工作在本课题方向内，已有2人直接在本课题方向毕业。另外有1项准备申请的专利。.更大规模的QKD系统光源与接收器的前端芯片集成设计工作已经开始，将利用本项目的成果，并继续突破创新，形成更完整的QKD前端集成型功能芯片服务于量子通信项目。