Validation of a CMOS driving circuit operating up to cryogenic temperatures for single-photon emitting diodes

The approach to quantum mechanics that has sparked the world of physics's fervor over the last decade is resulting in a true quantum revolution in the most diverse fields of physics and engineering this century. In the field of data exchange security, the vulnerability of channels that use traditional encryption systems to the looming computing power quantum computers are estimated to reach has prompted the scientific community to develop new protocols that increase data transmission security levels. One of the most promising communication protocols whose secrecy is based on quantum properties of matter is undoubtedly the Quantum Key Distribution (QKD), which has demonstrated its efficiency in establishing secure intercontinental quantum communications by exploiting a network of optical fibers or satellites orbiting the planet. Within this technological context, it can be found the QUASIX project (single photon integrated source for QUAntum SIlicon Communications in Space), funded by the Italian Space Agency (ASI) and coordinated by Consiglio Nazionale di 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 di Pisa and Università di Padova, which aims to create an integrated optoelectronic system that can allow the implementation of QKD protocols in space and in which this thesis work has been inserted, aimed at validating the integrated driver for single-photon emission in Erbium-doped diodes. This work is the continuation of the two previous thesis works that involved two major activities: in a first phase, the characterization of optical sources and electronics at temperatures of 77K, fundamental for a chip whose specifications include operation at cryogenic temperatures, and secondly the design of the integrated electronic system, including the temperature sensor, the stage that deals with the driving of the photon source and the ancillary electronics to complete the system, up to the submission to the foundry of the final circuit. While waiting for the chip to be realized in order to conduct circuit’s testing and validation phases, the characterization activity of the adopted CMOS technology was resumed, aimed at the extraction of the simulation models BSIM3v3 to 77K, with the goal of obtaining a more complete model than the previous one in order to use it in a future version of this chip, and at the calibration of the temperature sensor by means of an updated measurement setup to achieve high accuracy. Then the focus shifted to the cryogenic probe, in particular on the implementation of a more performing probe, meeting the requirement for a greater number of connections and broadband connections for triggers and for the reading of the output signal from the chip, more ergonomic and that disperses less heat along its structure; on the creation of two test cards, one attached to the probe that houses the temperature sensor and on which the low-frequency wires have been soldered, and one mobile suitable to accommodate the QUASIX chip, the Erbium diode, discrete components and high- and low-frequency connectors; finally on the microcontroller firmware for digital communication with the ASIC. As a conclusion of this thesis work, once the chip shipped from the Foundry arrived, electrical characterization and analysis of the performance of ASIC and, in parallel, of the Erbium-doped diodes has been run.

Nell’ultimo decennio, l’approccio alla meccanica quantistica che ha suscitato il fervore del mondo della fisica sta dando vita, in questo secolo, a una vera e propria rivoluzione quantistica nei campi più svariati della fisica e dell’ingegneria. Nell’ambito della sicurezza dello scambio di dati, la vulnerabilità dei canali che utilizzano sistemi di crittografia tradizionali alle incombenti potenze di calcolo che si stima possano raggiungere i computer quantistici ha stimolato il mondo scientifico a realizzare nuovi protocolli per il raggiungimento di livelli di sicurezza maggiori per la trasmissione di dati. Tra i più promettenti protocolli di comunicazione la cui segretezza si fonda su proprietà quantistiche della materia si fa spazio la Quantum Key Distribution (QKD), che ha dimostrato la sua efficienza nell’instaurare comunicazioni quantistiche intercontinentali sicure sfruttando un network di fibre ottiche o 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, che si pone come obiettivo quello di realizzare un sistema optoelettronico integrato che possa permettere l’implementazione di protocolli QKD nello spazio e nel quale si è inserito questo lavoro di tesi, volto a validare il driver integrato per sorgenti di fotoni costituite da diodi drogati con erbio. Questo lavoro è la prosecuzione dei due precedenti lavori di tesi durante i quali sono avvenute, in una prima fase, le caratterizzazioni delle sorgenti ottiche e dell’elettronica a temperature di 77K, fondamentali per un chip le cui specifiche comprendono l’operatività a temperature criogeniche, attività riprese anche in questo elaborato, e secondariamente la progettazione del sistema elettronico integrato, comprendente il sensore di temperatura, lo stadio che si occupa del driving della sorgente di fotoni e l’elettronica ancillare a completamento del sistema, fino ad arrivare alla sottomissione alla fonderia del circuito finale. In attesa che il chip venisse realizzato in modo poi da poter condurre la fase di test e validazione del circuito, si è ripresa l’attività di caratterizzazione della tecnologia CMOS adottata, finalizzata all’estrazione dei modelli simulativi BSIM3v3 a 77K, con lo scopo di ottenere un modello più completo del precedente nell’ottica di utilizzarlo in una futura versione di questo chip, e alla calibrazione del sensore di temperatura mediante un setup di misura aggiornato per ottenere un’elevata accuratezza. Successivamente il lavoro si è focalizzato sulla sonda criogenica, in particolare sull'implementazione di una sonda più performante, ovvero adeguata all’esigenza di un numero di connessioni più alto e di connessioni a banda larga per i trigger e per la lettura del segnale in uscita dal chip, oltre che più ergonomica e che disperdesse meno calore lungo la sua struttura; sulla realizzazione di due schede di test, una fissata alla sonda che alloggia il sensore di temperatura e sulla quale sono stati saldati definitivamente i fili delle linee a bassa frequenza e una mobile atta ad ospitare il chip QUASIX, il diodo all’erbio, la componentistica discreta e i connettori ad alta e bassa frequenza; infine sul firmware microcontrollore per la comunicazione digitale con l’ASIC. Come conclusione di questo lavoro di tesi, una volta ricevuto il chip dalla fonderia, si è passati alla caratterizzazione elettrica e all’analisi delle performance dell’ASIC e, in contemporanea, dei diodi drogati all’erbio.