A femtosecond laser written integrated photonic receiver for quantum key distribution

Cryptography is the art of providing secure communication between different parties such that no unauthorized party has access to the content of the messages. Although cryptography is as old as communication itself, the strive for unconditionally secure and practical encryption algorithms is still open. In fact, the only classical cryptographic method whose security is proved is the so-called one-time-pad protocol, which requires secure distribution of long keys that cannot be used more than once. Quantum cryptography (quantum key distribution), whose security is guaranteed by the laws of quantum mechanics, can be used as a complement to the one-time-pad securely distribute the keys among authorized parties. Up-to-date, the most robust strategy for fiber-based implementation of quantum key distribution is time-bin encoding, where single-photon qubit states are encoded by the presence of photons in one of the two possible time slots, namely time-bins, or a superposition of these two states. The functioning of protocols based on time-bin encoding generally relies on ultra-stable interferometric measurements in unbalanced Mach-Zehnder interferometers. This interferometric stability can be easily achieved by integrated photonic circuits. However, state analysis at the receiver can be jeopardized by the inherent birefringence of integrated optical platforms. Therefore, femtosecond laser micromachining that realizes waveguides with low values of birefringence, as well as enabling the fabrication of low-loss devices with 3D structures, is considered a promising technology for prototyping quantum photonic circuits. In this work, we designed and developed an integrated photonic quantum receiver for the use in quantum key distribution. This device, designed to manipulate time-bin encoded qubits and fabricated using femtosecond laser micromachining, encompasses a polarization-insensitive unbalanced Mach-Zehnder interferometer, a thermal phase shifter, and an additional directional coupler. By optimizing the fabrication parameters, we achieved propagation losses down to 0.06 dB/cm, which is one of the best ever reported in literature for waveguides fabricated with femtosecond laser micromachining at 1550 nm wavelength. Hence, despite the long optical path in our device (including a delay line with 8 cm of path length difference), the integrated receivers exhibited insertion losses down to 2.09 dB. Furthermore, we investigated the dependence of birefringence over temperature, showing that temperature control is not always a viable solution to maximize the fringe visibility of unbalanced Mach-Zehnder interferometers and thus, to obtain a receiver insensitive to the input state of polarization.

La crittografia è l’arte di fornire una comunicazione sicura tra due diversi interlocutori, in modo che nessuna parte non autorizzata abbia accesso al contenuto dei messaggi. Sebbene la crittografia sia antica quanto la comunicazione stessa, la ricerca di algoritmi di crittografia incondizionatamente sicuri e pratici è ancora aperta. In effetti, l’unico metodo crittografico classico di cui è stata dimostrata la completa sicurezza è il cosiddetto protocollo one-time-pad, che richiede la distribuzione sicura di chiavi lunghe quanto il messaggio stesso che non possono essere utilizzate più di una volta. La crittografia quantistica, anche distribuzione di chiavi quantistiche (QKD), la cui sicurezza è garantita dalle leggi della meccanica quantistica, può essere utilizzata come complemento al protocollo one-time-pad per distribuire in modo sicuro le chiavi tra le parti autorizzate. Ad oggi, la strategia più robusta per l’implementazione della QKD attraverso fibre ottiche è la codifica time-bin, in cui gli stati dei qubit sono codificati dalla presenza di un singolo fotone in una delle due possibili finestre temporali, ovvero i time-bin, o da una sovrapposizione di questi due stati. Misure interferometriche ultra-stabili in interferometri Mach-Zehnder sbilanciati sono fondamentali per il corretto funzionamento dei protocolli basati sulla codifica time-bin. Questa stabilità interferometrica può essere facilmente ottenuta con circuiti fotonici integrati. Tuttavia, l’analisi dello stato da parte del ricevitore può essere compromessa dalla birifrangenza intrinseca dei circuiti ottici integrati. In questo contesto, la microlavorazione con laser a femtosecondi, che permette di realizzare guide d’onda a basso valore di birifrangenza, oltre a consentire la fabbricazione di dispositivi tridimensionali a basse perdite, è considerata una tecnologia promettente per la prototipazione di questi ricevitori per QKD. In questo lavoro, abbiamo progettato e sviluppato un ricevitore fotonico integrato da utilizzare nella distribuzione di chiavi quantistiche. Questo dispositivo, progettato per manipolare qubit codificati in time-bin e fabbricato mediante microlavorazione con laser a femtosecondi, comprende un interferometro Mach-Zehnder sbilanciato insensibile alla polarizzazione, uno sfasatore termico e un accoppiatore direzionale aggiuntivo. Ottimizzando i parametri di fabbricazione, abbiamo ottenuto guide d’onda con perdite di propagazione di 0,06 dB/cm, uno dei valori più bassi mai riportati in letteratura per guide d’onda fabbricate con microlavorazione mediante laser a femtosecondi alla lunghezza d’onda di 1550 nm. Quindi, nonostante il lungo percorso ottico del nostro dispositivo (che include una linea di ritardo con una differenza di percorso di 8 cm), i ricevitori integrati riportati in questa tesi hanno mostrato perdite di inserzione pari a 2,09 dB, in linea con lo stato dell’arte per ricevitori fabbricati con altre piattaforme tecnologiche. In aggiunta, abbiamo analizzato la dipendenza della birifrangenza dalla temperatura, dimostrando che il controllo della temperatura non è sempre una soluzione praticabile per massimizzare la visibilità delle frange di interferometri Mach-Zehnder sbilanciati ed ottenere un dispositivo insensibile allo stato di polarizzazione d’ingresso.