面向量子通信的宽带偏振不敏感多模干涉仪 | Chin. Opt. Lett.主编推荐

发布时间：2026-10-22来源：爱光学

Chinese Optics Letters 2026年第9期Editors’ Pick:

Guanzhong Huang, Guowei Zhang, Shuang Wang, Zhengfu Han, Wei Chen, "Broadband polarization-insensitive multimode interferometers for quantum communication," Chin. Opt. Lett. 24, 092703 (2026)

量子密钥分发（QKD）是一种具有信息论安全性的保密通信技术，集成光子芯片能够实现QKD系统的小型化与稳定化。以多模干涉仪（MMI）为代表的分束器件，直接制约着QKD芯片的带宽和偏振相关性。然而，现有硅波导平台上的MMI普遍存在工作带宽有限的问题，难以满足波分复用QKD系统的需求；二氧化硅平台的器件则尺寸大、集成度受限；此外，硅基、氮化硅基和铌酸锂等主流材料的MMI大多仅支持单偏振工作，难以匹配抗偏振扰动QKD系统的需求。

为了突破上述瓶颈，中国科学技术大学陈巍研究员团队在氮化硅平台上系统地分析了集成QKD芯片各单元模块对分束器的不同分束比需求，提出了基于变宽度MMI的多目标联合优化方法。通过理论仿真与实际加工测试，充分验证了变宽度MMI在带宽和偏振相关性等方面的核心优势。相关成果发表在Chinese Optics Letters 2026年第24卷第9期。

研究内容

研究团队的器件设计以自成像效应的多模干涉仪为基础构型，相对于纯二维码式的暴力搜索求解，更易于获得稳定解。MMI自成像拍长由工作波长与波导有效折射率共同决定，其中有效折射率受波导几何宽度、波长共同调制。团队选取 650 nm厚度氮化硅作为波导层，利用粒子群优化算法建立多目标联合约束优化框架，将插入损耗、偏振相关损耗、分束比偏差等项设置为加权目标函数，同步优化多模波导各段宽度与亚波长辅助结构。借助不同波导宽度对有效折射率的调制实现偏振不敏感分束，同时利用结构色散补偿效应拓宽器件的工作带宽。针对损耗补偿和非平衡选基的实际QKD需求，分别采用对称性破缺设计和干涉增强设计，实现了小比例、大比例两种非平衡分束效果。最终在同一块氮化硅晶圆上完成1×2平衡、2×2平衡、40:60损耗补偿、90:10非平衡选基四类MMI的自主加工测试，并完成工艺容差、变温稳定性仿真与实验验证。实测各器件偏振相关损耗均在宽带范围内低于1 dB，1-dB带宽可达170-400 nm。

图 (a)-(d)分别为四种MMI的设计示意图、实测带宽与偏振相关损耗（PDL）

研究整体打通氮化硅平台上不同分束比偏振不敏感分束器件的统一设计路径，完善量子通信集成分束单元的优化方法。可直接用于 time-bin 编码QKD芯片，适配波分复用和光频梳并行量子通信系统，为高速抗扰动QKD单片集成提供全套无源分束核心模块。课题组成员表示：“以往研究大多只针对单一规格MMI开展优化，本工作面向QKD系统完整接收架构的实际器件需求，以一套优化框架输出多种功能的MMI，器件实测带宽指标具有明显优势，有利于推动抗扰动QKD编解码芯片走向实用化。”后续团队将持续推进抗偏振扰QK芯片的集成化，并将设计方法迁移到其他集成材料平台。