KIP-Veröffentlichungen

Ein zentrales Bottleneck für praxistaugliche QKD über optische Faser ist die erreichbare Secret-Key-Rate, die letztlich durch Empfängerrauschen, Detektionseffizienz und Zeitauflösung begrenzt wird. Ein Ansatz zur Steigerung der Rate ist Multiplexing, was skalierbare Empfänger auf Basis integrierter Photonik motiviert. Diese Arbeit charakterisiert und optimiert experimentell einen kryogenen, zeitbinbasierten QKD-Empfänger auf Basis eines Si3N4-PIC mit wellenleiterintegrierten SNSPDs. Der Empfänger integriert passive On-Chip-Routingstrukturen, WDM-Demultiplexing sowie einen gemeinsamen DLI zur Zeitbin-Analyse. Ein bereits vorhandener InP-Sender, der zeitbin-kodierte Decoy-State-WCPs erzeugt, wird ausschließlich als Photonquelle zur Bewertung der Leistung des Empfängers verwendet. Die Empfängerleistung wird durch Messungen von SDE, DCR, zeitlichem Jitter und der maximal nutzbaren CR in Abhängigkeit von Wellenlänge und Detektorbias quantifiziert. Aus diesen Daten werden Betriebspunkte identifiziert, die hohe Effizienz bei gleichzeitig geringem Rauschen und stabilem Betrieb ermöglichen. Zusätzlich bestätigen Wellenlängensweeps in der X-Basis eine hohe interferometrische Sichtbarkeit des On- Chip-DLI. Abschließend werden Proof-of-Principle- Sender–Empfänger-Messungen ausgewertet, um Z-Basis-Gain und QBER zu bestimmen. Ein Vorwärtsmodell setzt den Detektorjitter mit Inter-Bin-Leakage unter dem verwendeten Zeit-Gating in Beziehung.

A key bottleneck for practical Quantum Key Distribution (QKD) over optical fibre is the achievable secret key rate, which is ultimately limited by receiver noise, detection efficiency and timing resolution. One route towards higher rates is multiplexing, motivating scalable receiver implementations based on integrated photonics. This thesis experimentally characterises and optimises a cryogenic, time-bin QKD receiver based on a Si3N4 photonic integrated circuit (PIC) with waveguide-integrated Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors (SNSPDs). The receiver integrates passive on-chip routing, wavelength-division multiplexing (WDM) demultiplexing and a shared Delay Line Interferometer (DLI) for time-bin analysis. A pre-existing indium phosphide (InP) transmitter generating time-bin encoded decoy-state Weak Coherent Pulses (WCPs) is used solely as a photon source to evaluate receiver performance. Receiver performance is quantified through measurements of System Detection Efficiency (SDE), dark count rate (DCR), timing jitter and maximum usable count rate (CR) as functions of wavelength and detector bias. From these data, operating points are identified that provide high efficiency while maintaining low noise and stable operation. In addition, X-basis wavelength sweeps verify high interferometric visibility of the on-chip DLI. Finally, proof-of-principle sender–receiver measurements are analysed to extract Zbasis gain and Quantum Bit Error Rate (QBER), and a forward model relates detector timing jitter to inter-bin leakage under the employed time gating.