Quantum key distribution (QKD) research has yielded highly fruitful results and is currently undergoing an industrialization transformation. In QKD systems, electro-optic modulators are typically employed to prepare the required quantum states. While various QKD systems operating at GHz repetition frequency have demonstrated exceptional performance, they predominantly rely on instruments or printed circuit boards to fulfill the driving circuit function of the electro-optic modulator. Consequently, these systems tend to be complex with low integration levels. To address this challenge, we have introduced a modulator driver integrated circuit in 0.18 µm SiGe BiCMOS technology. The circuit can generate multiple-level driving signals with a clock frequency of 1.25 GHz and a rising edge of ∼50 ps. Each voltage amplitude can be independently adjusted, ensuring the precise preparation of quantum states. The measured signal-to-noise ratio was more than 17 dB, resulting in a low quantum bit error rate of 0.24% in our polarization-encoding system. This work will contribute to the advancement of QKD system integration and promote the industrialization process in this field.

1.
C. H.
Bennett
and
G.
Brassard
, in
International Conference on Computer System and Signal Processing ICCSP
(
IEEE
,
1984
), pp.
175
179
.
2.
C. H.
Bennett
,
F.
Bessette
,
G.
Brassard
,
L.
Salvail
, and
J.
Smolin
,
J. Cryptol.
5
,
3
(
1992
).
3.
C. Z.
Peng
,
J.
Zhang
,
D.
Yang
,
W. B.
Gao
,
H. X.
Ma
,
H.
Yin
,
H. P.
Zeng
,
T.
Yang
,
X. B.
Wang
, and
J. W.
Pan
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
010505
(
2007
).
4.
D.
Rosenberg
,
J. W.
Harrington
,
P. R.
Rice
,
P. A.
Hiskett
,
C. G.
Peterson
,
R. J.
Hughes
,
A. E.
Lita
,
S. W.
Nam
, and
J. E.
Nordholt
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
010503
(
2007
).
5.
H. L.
Yin
,
T. Y.
Chen
,
Z. W.
Yu
,
H.
Liu
,
L. X.
You
,
Y. H.
Zhou
,
S. J.
Chen
,
Y.
Mao
,
M. Q.
Huang
,
W. J.
Zhang
,
H.
Chen
,
M. J.
Li
,
D.
Nolan
,
F.
Zhou
,
X.
Jiang
,
Z.
Wang
,
Q.
Zhang
,
X. B.
Wang
, and
J. W.
Pan
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
190501
(
2016
).
6.
A.
Boaron
,
G.
Boso
,
D.
Rusca
,
C.
Vulliez
,
C.
Autebert
,
M.
Caloz
,
M.
Perrenoud
,
G.
Gras
,
F.
Bussières
,
M.-J.
Li
,
D.
Nolan
,
A.
Martin
, and
H.
Zbinden
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
190502
(
2018
).
7.
Y.
Liu
,
W.-J.
Zhang
,
C.
Jiang
,
J.-P.
Chen
,
C.
Zhang
,
W.-X.
Pan
,
D.
Ma
,
H.
Dong
,
J.-M.
Xiong
,
C.-J.
Zhang
,
H.
Li
,
R.-C.
Wang
,
J.
Wu
,
T.-Y.
Chen
,
L.
You
,
X.-B.
Wang
,
Q.
Zhang
, and
J.-W.
Pan
,
Phys. Rev. Lett.
130
,
210801
(
2023
).
8.
W. T.
Buttler
,
R. J.
Hughes
,
P. G.
Kwiat
,
S. K.
Lamoreaux
,
G. G.
Luther
,
G. L.
Morgan
,
J. E.
Nordholt
,
C. G.
Peterson
, and
C. M.
Simmons
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
3283
(
1998
).
9.
C.-Z.
Peng
,
T.
Yang
,
X.-H.
Bao
,
J.
Zhang
,
X.-M.
Jin
,
F.-Y.
Feng
,
B.
Yang
,
J.
Yang
,
J.
Yin
,
Q.
Zhang
,
N.
Li
,
B.-L.
Tian
, and
J.-W.
Pan
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
150501
(
2005
).
10.
T.
Schmitt-Manderbach
,
H.
Weier
,
M.
Fürst
,
R.
Ursin
,
F.
Tiefenbacher
,
T.
Scheidl
,
J.
Perdigues
,
Z.
Sodnik
,
C.
Kurtsiefer
,
J. G.
Rarity
,
A.
Zeilinger
, and
H.
Weinfurter
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
010504
(
2007
).
11.
R.
Ursin
,
F.
Tiefenbacher
,
T.
Schmitt-Manderbach
,
H.
Weier
,
T.
Scheidl
,
M.
Lindenthal
,
B.
Blauensteiner
,
T.
Jennewein
,
J.
Perdigues
,
P.
Trojek
,
B.
Ömer
,
M.
Fürst
,
M.
Meyenburg
,
J.
Rarity
,
Z.
Sodnik
,
C.
Barbieri
,
H.
Weinfurter
, and
A.
Zeilinger
,
Nat. Phys.
3
,
481
(
2007
).
12.
T.-Y.
Chen
,
J.
Wang
,
H.
Liang
,
W.-Y.
Liu
,
Y.
Liu
,
X.
Jiang
,
Y.
Wang
,
X.
Wan
,
W.-Q.
Cai
,
L.
Ju
,
L.-K.
Chen
,
L.-J.
Wang
,
Y.
Gao
,
K.
Chen
,
C.-Z.
Peng
,
Z.-B.
Chen
, and
J.-W.
Pan
,
Opt. Express
18
,
27217
(
2010
).
13.
S. K.
Liao
,
H. L.
Yong
,
C.
Liu
,
G. L.
Shentu
,
D. D.
Li
,
J.
Lin
,
H.
Dai
,
S. Q.
Zhao
,
B.
Li
,
J. Y.
Guan
,
W.
Chen
,
Y. H.
Gong
,
Y.
Li
,
Z. H.
Lin
,
G. S.
Pan
,
J. S.
Pelc
,
M. M.
Fejer
,
W. Z.
Zhang
,
W. Y.
Liu
,
J.
Yin
,
J. G.
Ren
,
X. B.
Wang
,
Q.
Zhang
,
C. Z.
Peng
, and
J. W.
Pan
,
Nat. Photonics
11
,
509
(
2017
).
14.
Y.
Cao
,
Y. H.
Li
,
K. X.
Yang
,
Y. F.
Jiang
,
S. L.
Li
,
X. L.
Hu
,
M.
Abulizi
,
C. L.
Li
,
W.
Zhang
,
Q. C.
Sun
,
W. Y.
Liu
,
X.
Jiang
,
S. K.
Liao
,
J. G.
Ren
,
H.
Li
,
L.
You
,
Z.
Wang
,
J.
Yin
,
C. Y.
Lu
,
X. B.
Wang
,
Q.
Zhang
,
C. Z.
Peng
, and
J. W.
Pan
,
Phys. Rev. Lett.
125
,
260503
(
2020
).
15.
D.
Bunandar
,
A.
Lentine
,
C.
Lee
,
H.
Cai
,
C. M.
Long
,
N.
Boynton
,
N.
Martinez
,
C.
Derose
,
C.
Chen
,
M.
Grein
,
D.
Trotter
,
A.
Starbuck
,
A.
Pomerene
,
S.
Hamilton
,
F. N.
Wong
,
R.
Camacho
,
P.
Davids
,
J.
Urayama
, and
D.
Englund
,
Phys. Rev. X
8
,
021009
(
2018
); arXiv:1708.00434.
16.
M.
Sasaki
,
M.
Fujiwara
,
H.
Ishizuka
,
W.
Klaus
,
K.
Wakui
,
M.
Takeoka
,
S.
Miki
,
T.
Yamashita
,
Z.
Wang
,
A.
Tanaka
,
K.
Yoshino
,
Y.
Nambu
,
S.
Takahashi
,
A.
Tajima
,
A.
Tomita
,
T.
Domeki
,
T.
Hasegawa
,
Y.
Sakai
,
H.
Kobayashi
,
T.
Asai
,
K.
Shimizu
,
T.
Tokura
,
T.
Tsurumaru
,
M.
Matsui
,
T.
Honjo
,
K.
Tamaki
,
H.
Takesue
,
Y.
Tokura
,
J. F.
Dynes
,
A. R.
Dixon
,
A. W.
Sharpe
,
Z. L.
Yuan
,
A. J.
Shields
,
S.
Uchikoga
,
M.
Legré
,
S.
Robyr
,
P.
Trinkler
,
L.
Monat
,
J.-B.
Page
,
G.
Ribordy
,
A.
Poppe
,
A.
Allacher
,
O.
Maurhart
,
T.
Länger
,
M.
Peev
, and
A.
Zeilinger
,
Opt. Express
19
,
10387
(
2011
).
17.
J.
Yin
,
Y.
Cao
,
Y. H.
Li
,
S. K.
Liao
,
L.
Zhang
,
J. G.
Ren
,
W. Q.
Cai
,
W. Y.
Liu
,
B.
Li
,
H.
Dai
,
G. B.
Li
,
Q. M.
Lu
,
Y. H.
Gong
,
Y.
Xu
,
S. L.
Li
,
F. Z.
Li
,
Y. Y.
Yin
,
Z. Q.
Jiang
,
M.
Li
,
J. J.
Jia
,
G.
Ren
,
D.
He
,
Y. L.
Zhou
,
X. X.
Zhang
,
N.
Wang
,
X.
Chang
,
Z. C.
Zhu
,
N. L.
Liu
,
Y. A.
Chen
,
C. Y.
Lu
,
R.
Shu
,
C. Z.
Peng
,
J. Y.
Wang
, and
J. W.
Pan
,
Science
356
,
1140
(
2017
).
18.
S. K.
Liao
,
W. Q.
Cai
,
W. Y.
Liu
,
L.
Zhang
,
Y.
Li
,
J. G.
Ren
,
J.
Yin
,
Q.
Shen
,
Y.
Cao
,
Z. P.
Li
,
F. Z.
Li
,
X. W.
Chen
,
L. H.
Sun
,
J. J.
Jia
,
J. C.
Wu
,
X. J.
Jiang
,
J. F.
Wang
,
Y. M.
Huang
,
Q.
Wang
,
Y. L.
Zhou
,
L.
Deng
,
T.
Xi
,
L.
Ma
,
T.
Hu
,
Q.
Zhang
,
Y. A.
Chen
,
N. L.
Liu
,
X. B.
Wang
,
Z. C.
Zhu
,
C. Y.
Lu
,
R.
Shu
,
C. Z.
Peng
,
J. Y.
Wang
, and
J. W.
Pan
,
Nature
549
,
43
(
2017
).
19.
S. K.
Liao
,
W. Q.
Cai
,
J.
Handsteiner
,
B.
Liu
,
J.
Yin
,
L.
Zhang
,
D.
Rauch
,
M.
Fink
,
J. G.
Ren
,
W. Y.
Liu
,
Y.
Li
,
Q.
Shen
,
Y.
Cao
,
F. Z.
Li
,
J. F.
Wang
,
Y. M.
Huang
,
L.
Deng
,
T.
Xi
,
L.
Ma
,
T.
Hu
,
L.
Li
,
N. L.
Liu
,
F.
Koidl
,
P.
Wang
,
Y. A.
Chen
,
X. B.
Wang
,
M.
Steindorfer
,
G.
Kirchner
,
C. Y.
Lu
,
R.
Shu
,
R.
Ursin
,
T.
Scheidl
,
C. Z.
Peng
,
J. Y.
Wang
,
A.
Zeilinger
, and
J. W.
Pan
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
030501
(
2018
).
20.
J.
Yin
,
Y. H.
Li
,
S. K.
Liao
,
M.
Yang
,
Y.
Cao
,
L.
Zhang
,
J. G.
Ren
,
W. Q.
Cai
,
W. Y.
Liu
,
S. L.
Li
,
R.
Shu
,
Y. M.
Huang
,
L.
Deng
,
L.
Li
,
Q.
Zhang
,
N. L.
Liu
,
Y. A.
Chen
,
C. Y.
Lu
,
X. B.
Wang
,
F.
Xu
,
J. Y.
Wang
,
C. Z.
Peng
,
A. K.
Ekert
, and
J. W.
Pan
,
Nature
582
,
501
(
2020
).
21.
Y.
Li
,
S.-K.
Liao
,
Y.
Cao
,
J.-G.
Ren
,
W.-Y.
Liu
,
J.
Yin
,
Q.
Shen
,
J.
Qiang
,
L.
Zhang
,
H.-L.
Yong
,
J.
Lin
,
F.-Z.
Li
,
T.
Xi
,
L.
Li
,
R.
Shu
,
Q.
Zhang
,
Y.-A.
Chen
,
C.-Y.
Lu
,
N.-L.
Liu
,
X.-B.
Wang
,
J.-Y.
Wang
,
C.-Z.
Peng
, and
J.-W.
Pan
,
Optica
9
,
933
(
2022
).
22.
I.
Mammadov
,
J.
Scharnagl
,
R.
Haber
, and
K.
Schilling
, in
Proceedings of the 73th International Astronautical Congress
,
2022
.
23.
H.
Podmore
,
I.
D’Souza
,
J.
Cain
,
T.
Jennewein
,
B. L.
Higgins
,
Y. S.
Lee
,
A.
Koujelev
,
D.
Hudson
, and
A.
McColgan
, in
International Conference on Space Optics—ICSO 2020
, edited by
B.
Cugny
,
Z.
Sodnik
, and
N.
Karafolas
(
International Society for Optics and Photonics SPIE
,
2021
), Vol.
11852
, p.
118520H
.
24.
A.
Villar
,
A.
Lohrmann
,
X.
Bai
,
T.
Vergoossen
,
R.
Bedington
,
C.
Perumangatt
,
H. Y.
Lim
,
T.
Islam
,
A.
Reezwana
,
Z.
Tang
,
R.
Chandrasekara
,
S.
Sachidananda
,
K.
Durak
,
C. F.
Wildfeuer
,
D.
Griffin
,
D. K. L.
Oi
, and
A.
Ling
,
Optica
7
,
734
(
2020
).
25.
Y. A.
Chen
,
Q.
Zhang
,
T. Y.
Chen
,
W. Q.
Cai
,
S. K.
Liao
,
J.
Zhang
,
K.
Chen
,
J.
Yin
,
J. G.
Ren
,
Z.
Chen
,
S. L.
Han
,
Q.
Yu
,
K.
Liang
,
F.
Zhou
,
X.
Yuan
,
M. S.
Zhao
,
T. Y.
Wang
,
X.
Jiang
,
L.
Zhang
,
W. Y.
Liu
,
Y.
Li
,
Q.
Shen
,
Y.
Cao
,
C. Y.
Lu
,
R.
Shu
,
J. Y.
Wang
,
L.
Li
,
N. L.
Liu
,
F.
Xu
,
X. B.
Wang
,
C. Z.
Peng
, and
J. W.
Pan
,
Nature
589
,
214
(
2021
).
26.
H. K.
Lo
,
M.
Curty
, and
B.
Qi
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
130503
(
2012
); arXiv:1109.1473.
27.
A.
Boaron
,
B.
Korzh
,
R.
Houlmann
,
G.
Boso
,
D.
Rusca
,
S.
Gray
,
M.-J.
Li
,
D.
Nolan
,
A.
Martin
, and
H.
Zbinden
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
171108
(
2018
).
28.
R.
Sax
,
A.
Boaron
,
G.
Boso
,
S.
Atzeni
,
A.
Crespi
,
F.
GrÜnenfelder
,
D.
Rusca
,
A.
Al-Saadi
,
D.
Bronzi
,
S.
Kupijai
,
H.
Rhee
,
R.
Osellame
, and
H.
Zbinden
,
Photonics Res.
11
,
1007
(
2022
); arXiv:2211.11560.
29.
K.
Wen
,
K.
Tamaki
, and
Y.
Yamamoto
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
170503
(
2009
); arXiv:0806.2684.
30.
K.
Inoue
,
E.
Waks
, and
Y.
Yamamoto
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
037902
(
2002
).
31.
D.
Stucki
,
C.
Barreiro
,
S.
Fasel
,
J.-D.
Gautier
,
O.
Gay
,
N.
Gisin
,
R.
Thew
,
Y.
Thoma
,
P.
Trinkler
,
F.
Vannel
, and
H.
Zbinden
,
Opt. Express
17
,
13326
(
2009
).
32.
D.
Stucki
,
N.
Brunner
,
N.
Gisin
,
V.
Scarani
, and
H.
Zbinden
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
194108
(
2005
).
33.
D.
Sadot
,
G.
Dorman
,
A.
Gorshtein
,
E.
Sonkin
, and
O.
Vidal
,
Opt. Express
23
,
991
997
(
2015
).
34.
T. K.
Paraïso
,
I.
De Marco
,
T.
Roger
,
D. G.
Marangon
,
J. F.
Dynes
,
M.
Lucamarini
,
Z.
Yuan
, and
A. J.
Shields
,
npj Quantum Inf.
5
,
42
(
2019
).
35.
X.
Zhong
,
J.
Hu
,
M.
Curty
,
L.
Qian
, and
H. K.
Lo
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
100506
(
2019
).
36.
Z.
Yan
,
E.
Meyer-Scott
,
J. P.
Bourgoin
,
B. L.
Higgins
,
N.
Gigov
,
A.
MacDonald
,
H.
Hübel
, and
T.
Jennewein
,
J. Lightwave Technol.
31
,
1399
(
2013
).
37.
X.
Liu
,
M. Q.
Huang
,
H.
Min
,
G.
Jin
,
X.
Jiang
, and
C. Z.
Peng
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
024705
(
2020
).
38.
C. X.
Zhu
,
Z. Y.
Chen
,
Y.
Li
,
X. Z.
Wang
,
C. Z.
Wang
,
Y. L.
Zhu
,
F. T.
Liang
,
W. Q.
Cai
,
G.
Jin
,
S. K.
Liao
, and
C. Z.
Peng
,
Phys. Rev. Appl.
17
(
6
),
64034
(
2022
).
39.
T. K.
Paraïso
,
T.
Roger
,
D. G.
Marangon
,
I.
De Marco
,
M.
Sanzaro
,
R. I.
Woodward
,
J. F.
Dynes
,
Z.
Yuan
, and
A. J.
Shields
,
Nat. Photonics
15
,
850
(
2021
).
40.
K.
Wei
,
W.
Li
,
H.
Tan
,
Y.
Li
,
H.
Min
,
W.-J.
Zhang
,
H.
Li
,
L.
You
,
Z.
Wang
,
X.
Jiang
,
T.-Y.
Chen
,
S.-K.
Liao
,
C.-Z.
Peng
,
F.
Xu
, and
J.-W.
Pan
,
Phys. Rev. X
10
,
031030
(
2020
); arXiv:1911.00690.
41.
P.
Sibson
,
J. E.
Kennard
,
S.
Stanisic
,
C.
Erven
,
J. L.
O’Brien
, and
M. G.
Thompson
,
Optica
4
,
172
(
2017
).
42.
L.
Schares
,
J.
Kash
,
F.
Doany
,
C.
Schow
,
C.
Schuster
,
D.
Kuchta
,
P.
Pepeljugoski
,
J.
Trewhella
,
C.
Baks
,
R.
John
,
L.
Shan
,
Y.
Kwark
,
R.
Budd
,
P.
Chiniwalla
,
F.
Libsch
,
J.
Rosner
,
C.
Tsang
,
C.
Patel
,
J.
Schaub
,
R.
Dangel
,
F.
Horst
,
B.
Offrein
,
D.
Kucharski
,
D.
Guckenberger
,
S.
Hegde
,
H.
Nyikal
,
C.-K.
Lin
,
A.
Tandon
,
G.
Trott
,
M.
Nystrom
,
D.
Bour
,
M.
Tan
, and
D.
Dolfi
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
12
,
1032
(
2006
).
43.
S. P.
Voinigescu
,
High-Frequency Integrated Circuits (The Cambridge RF and Microwave Engineering Series)
(
Cambridge University Press
,
2013
).
44.
R.
Schmid
,
T.
Meister
,
M.
Rest
, and
H. M.
Rein
,
Electron. Lett.
34
,
1095
(
1998
).
45.
C.
Knochenhauer
,
J. C.
Scheytt
, and
F.
Ellinger
,
IEEE J. Solid-State Circuits
46
,
1137
(
2011
).
46.
M.
Rickelt
and
H.-M.
Rein
,
IEEE J. Solid-State Circuits
2
,
1184
(
2002
).
47.
H.-M.
Rein
,
R.
Schmid
,
P.
Weger
,
T.
Smith
,
T.
Herzog
, and
R.
Lachner
,
IEEE J. Solid-State Circuits
29
,
1014
(
1994
).
48.
R.
Schmid
,
T. F.
Meister
,
M.
Rest
, and
H.-M.
Rein
,
IEEE J. Solid-State Circuits
34
,
886
(
1999
).
49.
Y.
Zhu
,
X.
Wang
,
C.
Zhu
,
Z.
Chen
,
Z.
Huang
,
Z.
Jin
,
Y.
Li
,
F.
Liang
,
L.
Shengkai
,
C.
Peng
, and
G.
Jin
,
AIP Adv.
12
,
125025
(
2022
).
50.
N.
Hosseinzadeh
,
A.
Jain
,
K.
Ning
,
R.
Helkey
, and
J. F.
Buckwalter
, in
2019 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS)
(
IEEE
,
2019
), pp.
774
777
.
51.
M.
Rickelt
,
H.-M.
Rein
, and
E.
Rose
,
IEEE Trans. Electron Devices
48
,
774
(
2001
).
You do not currently have access to this content.