단일 실리콘 포토닉 트랜시버 기반 연속변수 QKD 시스템

본 논문은 연속변수 양자키 분배(CV‑QKD)의 실용화를 목표로, 완전한 단일 실리콘 포토닉 듀얼‑폴라리제이션 트랜시버를 설계·실험한 결과를 보고한다. 서론에서는 CV‑QKD가 기존 통신 인프라와 호환성이 높고, 보안 증명이 점차 강화되고 있음에도 불구하고, 대용량 광소자와 환경 민감도가 높은 벌크‑옵틱 구현이 장애물임을 지적한다. 따라서 포토닉 집적 회로(PIC)로의 전환이 필요하다고 강조한다. 포토닉 프런트‑엔드 섹션에서는 트랜시버 칩의 구조를 상세히 설명한다. 송신부는 네 개의 전기 신호(I₁, Q₁, I₂, Q₂)를 받아 두 개의 독립적인 IQ 모듈레이터를 구동한다. 변조는 캐리어‑감쇠형 위상 시프터가 포함된 MZI를 이용해 고속(>10 GHz)으로 수행되며, 열 시프터로 바이어스 제어가 가능하도록 설계되었다. 외부 레이저(1550 nm)를 LO로 사용하고, 변조 후 두 스트림은 폴라리제이션 콤바이너‑로터(PCR)를 통해 결합한다. 모니터 포토다이오드는 자동 바이어스 제어(ABC)를 지원한다. 수신부는 폴라리제이션 스플리터‑로터(PSR)로 두 폴라리제이션을 분리하고, 각각을 90° 광 하이브리드 믹서와 결합해 동시 동상·직교 검출을 수행한다. 검출된 전류는 Ge‑on‑Si 포토다이오드와 TIA를 통해 전압 신호로 변환된다. 시스템 구현 파트에서는 전체 실험 구성을 도식화하고, FPGA에서 250 MBaud PS‑64‑QAM 신호와 QPSK 파일럿을 50:50 비율로 생성해 루트‑레디스‑코사인(RRC) 필터링 후 300 MHz 업컨버팅한다. 14‑bit 4 GS/s DAC가 전기 파형을 생성하고, 변조된 광신호는 가변 광 감쇠기(VOA)로 평균 광자 수를 조절한다. 25.2 km SSMF 전송 후 수신 측에서 14‑bit 2 GS/s ADC가 샘플링하고, 오프라인 DSP 체인(데이터‑주도 LMS → CMA → 파일럿 위상 추정)으로 복구한다. 실험 장비 사진과 제어 모듈(ABC, AGC)도 제시한다. 결과 섹션에서는 30분 동안 측정한 초과 노이즈 ξ_B가 평균 0.005 SNU이며, 변조 분산 V_A=5.3 SNU로 최적화되었음을 보고한다. 전자 노이즈 0.34 SNU와 수신 효율 η=0.7을 포함한 파라미터를 바탕으로, 신뢰된 노이즈 가정과 유한‑크기 보정(Δ)을 적용한 비밀키율 공식에 따라 SKR를 계산한다. 재조정 효율 β=96 %와 FER 50 %를 사용한 저밀도 패리티 체크(LDPC) 코드를 적용했으며, 파일럿과 파라미터 추정에 각각 50 %씩 할당해 실제 키 생성에 사용된 비율은 25 %이다. 이 조건에서 25.2 km 전송 거리에서 1.9 Mbit/s의 SKR를 달성했으며, 블록 길이 N=2×10⁷에 대한 이론 곡선과 asymptotic 한계(N→∞)와도 일치함을 보였다. 결론에서는 이 시스템이 최초로 단일 실리콘 포토닉 듀얼‑폴라리제이션 트랜시버를 이용한 CV‑QKD 구현임을 강조하고, 전자‑광 공동 패키징이 시스템 복잡도와 환경 민감도를 크게 낮췄다고 평가한다. 향후 과제는 수신 전자 회로 최적화로 초과 노이즈 감소, 레이저 온‑칩 통합, 그리고 서로 다른 트랜시버 간 동기화(주파수 복구 DSP) 등을 포함한다. 이러한 발전은 저복잡도, 고속, 대규모 양자 보안 통신을 위한 핵심 기술이 될 것으로 기대한다.