Die quantenmechanische Schlüsselverteilung (QKD) bietet eine bedingungslose Sicherheit, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik basiert, und stellt eine vielversprechende Lösung angesichts der Verwundbarkeiten klassischer kryptographischer Protokolle dar, die den sich ständig weiterentwickelnden Rechenkapazitäten ausgesetzt sind. Um einen großflächigen Einsatz von QKD-Systemen zu ermöglichen, ist eine stabile, skalierbare und wirtschaftlich tragfähige Plattform unerlässlich. In diesem Kontext erweist sich die Siliziumphotonik als solider Kandidat und bietet CMOS-Kompatibilität, hohe Integrationsdichte und ausgereifte Fertigungsprozesse. Diese Dissertation untersucht den Entwurf, die Fertigung und die experimentelle Validierung einer integrierten QKD-Quelle, die auf einer Plattform aus Silizium auf Isolator (SOI) realisiert wurde. Die Arbeit beginnt mit einer Einführung in die QKD und die integrierte Photonik, in der die theoretischen Prinzipien und technologischen Motivationen betrachtet werden, die ihre gemeinsame Integration vorantreiben. Basierend auf dem gewählten Protokoll werden die zur Realisierung eines integrierten Emitters benötigten Komponenten identifiziert und detailliert untersucht. Der Entwurf jeder Komponente basiert sowohl auf analytischen Modellierungen als auch auf numerischen Simulationen, wobei besonderes Augenmerk auf die Kompromisse zwischen Leistung, Platzbedarf und Kompatibilität mit der technologischen Plattform von STMicroelectronics gelegt wird. Prototypen wurden im Rahmen von zwei verschiedenen Wafers gefertigt, wobei der zweite, optimierte, bessere Leistungen zeigte. Aus den validierten Komponenten wird ein vollständiges experimentelles Setup entwickelt, um die Funktionalität der integrierten QKD-Quelle zu bewerten. Dieses umfasst das Packaging des SOI-Chips auf einer maßgeschneiderten PCB mit anpassbaren Übertragungsleitungen, die Integration einer externen Laserquelle sowie die Implementierung eines Kontrollsystems, das eine FPGA-Plattform umfasst. Das Empfangsgerät stützt sich auf eine interferometrische Konfiguration im Freiraum und auf supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (SNSPDs). Die vorgestellten Arbeiten demonstrieren erfolgreich die Machbarkeit eines auf Siliziumphotonik basierenden QKD-Emitters und bieten eine skalierbare und kompakte Lösung für die Quantenkryptografie. Kurzfristige Ziele sind die vollständige Demonstration eines Schlüsselaustauschs und die Minimierung von Einfügedämpfungen im Zusammenhang mit der Kopplung und dem Packaging. Ein Übergang zu kompakteren Empfängern und die Integration der elektronischen Steuerung auf einer monolithischen Plattform stellen langfristige Perspektiven dar, die entscheidend sind, um die Einführung eines integrierten QKD-Systems in realen Netzwerken zu ermöglichen.
Gaspare Esposito (Freitags) untersuchte diese Frage.