CMOS driving circuit operating up to cryogenic temperatures for quantum cryptography in space

The quantum revolution that shocked the world of physics in the twentieth century is showing, in this century, a great impact on technology in the most varied fields of application. Referring for example to data exchange security, which pervades every day life, encryption protocols that exploit quantum properties of matter are emerging, in order to create ideally safe communication channels. The achievement of new security levels for data transmission is indeed an issue of fundamental importance, as channels that use traditional cryptography systems are vulnerable to the computing powers that are estimated to be reached by quantum computers. One of the most promising protocols has proven to be Quantum Key Distribution (QKD), which has shown to be successful for secure data transmissions by exploiting communications in optic fiber or between satellites orbiting the planet. Within this technological context, it can be found the QUASIX (single photon integrated source for QUAntum SIlicon Communications in Space) project, funded by the Italian Space Agency (ASI) and coordinated by Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) with Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN-CNR) and Istituto per la Microelettronica e Microsistemi (IMM-CNR), in collaboration with Politecnico di Milano, Scuola superiore Sant'Anna of Pisa and Università di Padova. The goal of the project is the realization of an integrated optoelectronic system that can allow the implementation of QKD protocols in space. Within this context can be inserted this thesis work, which focuses on the realization of an integrated driver for photon sources made of silicon erbium-doped diodes. This work is the continuation of a previous thesis project that has focused on the characterization of optic sources and electronics at temperatures of 77 K, as a specification of the project is to be able to work up to cryogenic temperatures. Starting from a first design of integrated driver with which the previous thesis work was completed, it was then developed this work which ended with the submission to the silicon foundry, in order to carry out the first testing stages. The chip is made up by a temperature sensor that measures the temperature of the circuit itself in order to correctly drive the photon source with a DAC, which has been designed in order to meet the requirements on high bit rates and reliability that need to be met to implement a quantum cryptography protocol in space. This thesis work is organized as follows: after a description of the main advantages of quantum cryptography systems with respect to traditional ones, chapter 1 illustrates the QUASIX project and this work of thesis, showing the aim of the project and main features. Chapter 2 analyze in detail the design of the temperature sensor implemented within the chip, showing design choices and obtained results. In chapter 3 are described the proposed architectures for the driving of the photon source, illustrating the design and the performance of the rail-to-rail OTAs. Chapter 4 shows ancillary electronics that completes the system, the input digital logic, the intermediate stage of the DAC and a voltage controllable pulse generator. Chapter 5 describes the architecture of the final system, showing the design choices, the layout and final performance achieved. Chapter 6 finally draws conclusions, describing the obtained results and the future steps that will characterize the project.

La rivoluzione quantistica che ha scosso il mondo della fisica nel XX secolo sta avendo, in questo secolo, una grande ricaduta tecnologica nei più svariati campi di applicazione. Facendo riferimento per esempio alla sicurezza dello scambio di dati, i quali pervadono la vita di tutti i giorni, stanno emergendo protocolli di crittografia che sfruttano le proprietà quantistiche della materia per creare canali di comunicazione idealmente sicuri. Il raggiungimento di nuovi livelli di sicurezza per la trasmissione di dati é infatti un tema di fondamentale importanza, in quanto i canali che utilizzano sistemi di crittografia tradizionali sono vulnerabili rispetto alle potenze di calcolo che si stima possano raggiungere i computer quantistici. Uno dei protocolli più promettenti si é dimostrato essere la Quantum Key Distribution (QKD), che ha provato di poter essere utilizzata per trasmissioni di dati sicure sfruttando comunicazioni in fibra ottica o anche tra satelliti in orbita attorno al pianeta. In questo contesto, si pone il progetto QUASIX (single photon integrated source for QUAntum SIlicon Communications in Space), finanziato dall'Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e coordinato dal Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) con l'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN-CNR) e l'Istituto per la Microelettronica e Microsistemi (IMM-CNR), in collaborazione con il Politecnico di Milano, la Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa e l'Università di Padova. L'obiettivo del progetto è la realizzazione di un sistema optoelettronico integrato che possa permettere l'implementazione di protocolli QKD nello spazio e nel quale si è inserito questo lavoro di tesi, che si pone l'obiettivo di realizzare un driver integrato per sorgenti di fotoni realizzate con diodi drogati con erbio. Questo lavoro è la prosecuzione di un precedente elaborato di tesi che si è focalizzato sulla caratterizzazione delle sorgenti ottiche e dell'elettronica a temperature di 77 K, in quanto una specifica del progetto è la possibilità di poter operare fino a temperature criogeniche. Partendo da un primo design di driver integrato con cui si è concluso il precedente lavoro di tesi si è poi sviluppato questo elaborato che ha portato il circuito fino alla sottomissione alla fonderia di silicio, che lo realizzerà in modo poi da poter condurre le fasi di test. Il chip include un sensore di temperatura integrato atto a misurare la temperatura del sistema stesso per poi poter impostare correttamente il driving del diodo attraverso un DAC, il quale è stato progettato in modo da poter soddisfare l'elevato bit rate e l'affidabilità che sono richieste ad un sistema per crittografia quantistica nello spazio. Questo lavoro di tesi è organizzato come segue: dopo aver mostrato i vantaggi di sistemi di crittografia quantistici rispetto a quelli tradizionali, il capitolo 1 illustra il progetto QUASIX e in che modo si è inserito questo lavoro di tesi, indicandone gli obiettivi e le caratteristiche principali. Il capitolo 2 presenta un'analisi dettagliata del design del sensore di temperatura utilizzato all'interno del chip, illustrando le scelte progettuali e i risultati ottenuti. Il capitolo 3 illustra invece il design dello stadio che si occupa del driving della sorgente di fotoni, proponendo diverse architetture con i relativi OTA rail-to-rail, analizzandone le caratteristiche e mostrandone le prestazioni. Nel capitolo 4 viene presentata l'elettronica ancillare che completa il sistema, la logica di ingresso digitale, lo stadio intermedio del DAC e un generatore regolabile di impulsi. Il capitolo 5 illustra infine l'architettura finale che è stata realizzata, mostrando le scelte effettuate per il sistema, il layout e le prestazioni finali ottenute. Il capitolo 6 trae infine le conclusioni, illustrando i risultati raggiunti e i futuri passaggi che caratterizzeranno il progetto.