Experimental demonstration of Continuous-Variable Quantum Key Distribution with a silicon photonics integrated receiver

Quantum Key Distribution (QKD) is a prominent application in the field of quantum cryptography providing information-theoretic security for secret key exchange. The implementation of QKD systems on photonic integrated circuits (PICs) can reduce the size and cost of such systems and facilitate their deployment in practical infrastructures. To this end, continuous-variable (CV) QKD systems are particularly well-suited as they do not require single-photon detectors, whose integration is presently challenging. Here we present a CV-QKD receiver based on a silicon PIC capable of performing balanced detection. We characterize its performance in a laboratory QKD setup using a frequency multiplexed pilot scheme with specifically designed data processing allowing for high modulation and secret key rates. The obtained excess noise values are compatible with asymptotic secret key rates of 2.4 Mbit/s and 220 kbit/s at an emulated distance of 10 km and 23 km, respectively. These results demonstrate the potential of this technology towards fully integrated devices suitable for high-speed, metropolitan-distance secure communication.Comment: 11 pages, 13 figures; Changed figure 8, acknowledgments update

Securing Programmable Analog ICs Against Piracy

International audienceIn this paper, we demonstrate a security approach for the class of highly-programmable analog Integrated Circuits (ICs) that can be used as a countermeasure for unauthorized chip use and piracy. The approach relies on functionality locking, i.e. a lock mechanism is introduced into the design such that unless the correct key is provided the functionality breaks. We show that for highly-programmable analog ICs the programmable fabric can naturally be used as the lock mechanism. We demonstrate the approach on a multi-standard RF receiver with configuration settings of 64-bit words

Étude de fonctions électroniques en technologie ASIC pour instruments dédiés à l'étude des plasmas spatiaux

The solar corona is the origin of the solar wind (plasma), which interacts with various objects in the solar system : planets, comets and asteroids. The development of instruments to be embedded on board satellites and space probes allows to study, in situ, the earth and sun relationships and more generally the solar wind and planetary ionized environments. The study of these phenomena requires a combination of instruments to characterize both waves and particles. We are interested in the integration, in a standard technology CMOS 0.35 m, of space instruments electronic, especially the analogue amplification chain of induction magnetometers and the amplification / discrimination chain of particle detectors. Studied circuits, respectively associated to the induction magnetometer and to the particle detector, allow low-noise amplification in a low frequency range and high detection sensitivity over a wide charge range. These circuits must also satisfy the requirements in terms of space consumption, resistance to temperature and radiation. The thesis focuses on the presentation of the earth ionized environment, the presentation of scientific instruments (magnetometer and space particle detector), the description of the designs of CMOS circuits to achieve unprecedented performances. Important work on amplification structures was carried out in order to significantly reduce consumption and increase the sensitivity of the processing electronic chain for the particle detector. Thus, the feasibility of an integrated multichannel electronic for the particle analyser using a hemispherical electrostatic optical and containing up to 256 pixels, has been proven. Reducing the low frequency noise level in circuits based on MOS devices has always been a tedious task, since this type of components is the basis, not intended for such a range frequency. It was therefore necessary to design original amplification structures by the not usual size of their input transistors. This solution has significantly reduced the input equivalent noise of magnetometers amplification electronic. The advantage of using CMOS technology is the low current noise, the low power consumption and the overcrowding problem resolving. Obtained results in validation and radiation tests are very satisfactory. They can open the way for a possible integrated electronic in space instrumentation. Including the performance obtained when firing a rocket strengthened the reliability of such concepts for space science.La couronne solaire est la source d'un vent de plasma qui interagit avec les divers objets du système solaire : planètes, comètes et astéroïdes. Le développement des instruments destinés à être embarqués à bord de satellites et de sondes spatiales permet d'étudier, in situ, les relations soleil Terre et plus généralement le vent solaire et les environnements ionisés planétaires. L'étude de ces phénomènes nécessite la combinaison d'instruments permettant de caractériser à la fois les ondes et leurs particules. Nous nous sommes intéressés à l'intégration de l'électronique des instruments spatiaux, et notamment la chaine d'amplification analogique de magnétomètres à induction et la chaîne d'amplification / discrimination de détecteurs de particules, en technologie standard CMOS 0.35 m. Les circuits étudiés, associés respectivement au magnétomètre à induction et au détecteur de particules, permettent l'amplification faible bruit à basse fréquence et l'amplification ultrasensible de charge sur une large gamme. Ces circuits doivent en outre répondre aux exigences du spatial en terme de consommation, tenue en température et en radiation. Le mémoire de thèse s'articule autour de la présentation de l'environnement ionisé de la Terre, la présentation des instruments scientifiques (magnétomètre spatial et détecteur de particules), la description des architectures des circuits CMOS permettant d'atteindre des performances inédites. Un travail important sur les structures d'amplifications a été mené afin de réduire considérablement la consommation et augmenter la sensibilité de la chaine électronique de traitement du détecteur de particules. Ainsi, la faisabilité d'une électronique intégrée multivoie pour l'analyseur de particules à optique hémisphérique contenant jusqu'à 256 pixels a été prouvée. Réduire le niveau de bruit en basse fréquence (de quelques 100 mHz à quelque 10 kHz) des circuits à base de composants MOS a toujours été une tache fastidieuse, puisque ce type de composants n'est à la base, pas destiné à une telle gamme de fréquence. Il a été donc nécessaire de concevoir des structures d'amplification originales par la taille non habituelle, voir à la limite autorisée par les procédés de fabrication, de leur transistors d'entrée. Cette solution a permis de réduire considérablement le niveau de bruit vu à l'entrée de l'électronique d'amplification des fluxmètres. L'avantage d'utiliser une technologie CMOS est le faible bruit en courant, la faible consommation et résoudre le problème de l'encombrement. Les résultats obtenus lors des tests de validations et en radiations sont très satisfaisants. Ils permettent d'ouvrir une éventuelle voie pour l'électronique intégrée au sein de l'instrumentation spatiale. Les performances obtenues notamment lors d'un tir fusée a renforcé la fiabilité d'une telles conceptions pour le domaine spatial

Étude de fonctions électroniques en technologie ASIC pour instruments dédiés à l'étude des plasmas spatiaux

The solar corona is the origin of the solar wind (plasma), which interacts with various objects in the solar system : planets, comets and asteroids. The development of instruments to be embedded on board satellites and space probes allows to study, in situ, the earth and sun relationships and more generally the solar wind and planetary ionized environments. The study of these phenomena requires a combination of instruments to characterize both waves and particles. We are interested in the integration, in a standard technology CMOS 0.35 m, of space instruments electronic, especially the analogue amplification chain of induction magnetometers and the amplification / discrimination chain of particle detectors. Studied circuits, respectively associated to the induction magnetometer and to the particle detector, allow low-noise amplification in a low frequency range and high detection sensitivity over a wide charge range. These circuits must also satisfy the requirements in terms of space consumption, resistance to temperature and radiation. The thesis focuses on the presentation of the earth ionized environment, the presentation of scientific instruments (magnetometer and space particle detector), the description of the designs of CMOS circuits to achieve unprecedented performances. Important work on amplification structures was carried out in order to significantly reduce consumption and increase the sensitivity of the processing electronic chain for the particle detector. Thus, the feasibility of an integrated multichannel electronic for the particle analyser using a hemispherical electrostatic optical and containing up to 256 pixels, has been proven. Reducing the low frequency noise level in circuits based on MOS devices has always been a tedious task, since this type of components is the basis, not intended for such a range frequency. It was therefore necessary to design original amplification structures by the not usual size of their input transistors. This solution has significantly reduced the input equivalent noise of magnetometers amplification electronic. The advantage of using CMOS technology is the low current noise, the low power consumption and the overcrowding problem resolving. Obtained results in validation and radiation tests are very satisfactory. They can open the way for a possible integrated electronic in space instrumentation. Including the performance obtained when firing a rocket strengthened the reliability of such concepts for space science.La couronne solaire est la source d'un vent de plasma qui interagit avec les divers objets du système solaire : planètes, comètes et astéroïdes. Le développement des instruments destinés à être embarqués à bord de satellites et de sondes spatiales permet d'étudier, in situ, les relations soleil Terre et plus généralement le vent solaire et les environnements ionisés planétaires. L'étude de ces phénomènes nécessite la combinaison d'instruments permettant de caractériser à la fois les ondes et leurs particules. Nous nous sommes intéressés à l'intégration de l'électronique des instruments spatiaux, et notamment la chaine d'amplification analogique de magnétomètres à induction et la chaîne d'amplification / discrimination de détecteurs de particules, en technologie standard CMOS 0.35 m. Les circuits étudiés, associés respectivement au magnétomètre à induction et au détecteur de particules, permettent l'amplification faible bruit à basse fréquence et l'amplification ultrasensible de charge sur une large gamme. Ces circuits doivent en outre répondre aux exigences du spatial en terme de consommation, tenue en température et en radiation. Le mémoire de thèse s'articule autour de la présentation de l'environnement ionisé de la Terre, la présentation des instruments scientifiques (magnétomètre spatial et détecteur de particules), la description des architectures des circuits CMOS permettant d'atteindre des performances inédites. Un travail important sur les structures d'amplifications a été mené afin de réduire considérablement la consommation et augmenter la sensibilité de la chaine électronique de traitement du détecteur de particules. Ainsi, la faisabilité d'une électronique intégrée multivoie pour l'analyseur de particules à optique hémisphérique contenant jusqu'à 256 pixels a été prouvée. Réduire le niveau de bruit en basse fréquence (de quelques 100 mHz à quelque 10 kHz) des circuits à base de composants MOS a toujours été une tache fastidieuse, puisque ce type de composants n'est à la base, pas destiné à une telle gamme de fréquence. Il a été donc nécessaire de concevoir des structures d'amplification originales par la taille non habituelle, voir à la limite autorisée par les procédés de fabrication, de leur transistors d'entrée. Cette solution a permis de réduire considérablement le niveau de bruit vu à l'entrée de l'électronique d'amplification des fluxmètres. L'avantage d'utiliser une technologie CMOS est le faible bruit en courant, la faible consommation et résoudre le problème de l'encombrement. Les résultats obtenus lors des tests de validations et en radiations sont très satisfaisants. Ils permettent d'ouvrir une éventuelle voie pour l'électronique intégrée au sein de l'instrumentation spatiale. Les performances obtenues notamment lors d'un tir fusée a renforcé la fiabilité d'une telles conceptions pour le domaine spatial

Étude de fonctions électroniques en technologie ASIC pour instruments dédiés à l étude des plasmas spatiaux

Le développement des instruments destinés à être embarqués à bord de satellites et de sondes spatiales permet d étudier, in situ, les relations soleil Terre et plus généralement le vent solaire et les environnements ionisés planétaires. L étude de ces phénomènes nécessite la combinaison d instruments permettant de caractériser à la fois les ondes et leurs particules. Nous nous sommes intéressés à l intégration de l électronique des instruments spatiaux, et notamment la chaine d amplification analogique de magnétomètres à induction et la chaîne d amplification / discrimination de détecteurs de particules, en technologie standard CMOS 0.35 m. Un travail important sur les structures d amplifications a été mené afin de réduire considérablement la consommation et augmenter la sensibilité de la chaine électronique de traitement du détecteur de particules. Ainsi, la faisabilité d une électronique intégrée multivoie pour l analyseur de particules à optique hémisphérique contenant jusqu à 256 pixels a été prouvée. Réduire le niveau de bruit en basse fréquence (de quelques 100 mHz à quelque 10 kHz) des circuits à base de composants MOS a toujours été une tache fastidieuse, puisque ce type de composants n est à la base, pas destiné à une telle gamme de fréquence. Il a été donc nécessaire de concevoir des structures d amplification originales par la taille non habituelle, voir à la limite autorisée par les procédés de fabrication, de leur transistors d entrée. Les résultats obtenus lors des tests de validations et en radiations sont très satisfaisants. Ils permettent d ouvrir une éventuelle voie pour l électronique intégrée au sein de l instrumentation spatiale.The development of instruments to be embedded on board satellites and space probes allows to study, in situ, the earth and sun relationships and more generally the solar wind and planetary ionized environments. The study of these phenomena requires a combination of instruments to characterize both waves and particles. We are interested in the integration, in a standard technology CMOS 0.35 m, of space instruments electronic, especially the analogue amplification chain of induction magnetometers and the amplification / discrimination chain of particle detectors. Important work on amplification structures was carried out in order to significantly reduce consumption and increase the sensitivity of the processing electronic chain for the particle detector. Thus, the feasibility of an integrated multichannel electronic for the particle analyser using a hemispherical electrostatic optical and containing up to 256 pixels, has been proven. Reducing the low frequency noise level in circuits based on MOS devices has always been a tedious task, since this type of components is the basis, not intended for such a range frequency. It was therefore necessary to design original amplification structures by the not usual size of their input transistors. This solution has significantly reduced the input equivalent noise of magnetometers amplification electronic. The advantage of using CMOS technology is the low current noise, the low power consumption and the overcrowding problem resolving. Obtained results in validation and radiation tests are very satisfactory. They can open the way for a possible integrated electronic in space instrumentation.PARIS-BIUSJ-Biologie recherche (751052107) / SudocSudocFranceF

Radiation-hardened and low-noise ASIC amplifier designed for the highly sensitive ESA/JUICE induction magnetometer

International audienc

Autonomous CMOS Power Management Integrated Circuit for Electrostatic Kinetic Energy Harvesters e-KEH

International audienceIn this paper we present an autonomous Power Management Integrated Circuit PMIC for an electret-biased electrostatic kinetic energy harvester with a Bennet's doubler conditioning circuit. The circuit is designed in high voltage 0.35 μm standard bulk CMOS technology. It supplies a low voltage load from the energy extracted from a high voltage transducer. The circuit is provided with a "cold start" mechanism and with a "safe mode" (Recovery) feature that permits to the system to stay active (awake) for a longer time after external vibrations stop temporarily. An ultra-low static power hysteresis comparator is designed for a specific control of the capacitive transducer's conditioning circuit. The autonomy of the system is ensured by a voltage regulator that supplies the internal blocks of the circuit with 1.1 V. The proposed design consumes less than 400 nW making it adequate for use with existing state-of-the art capacitive harvesting MEMS devices

Induction magnetometer using a low noise ASIC from sensor to ADC: design, performances and limitation

International audienc

Design and Characterization of a High Dynamic Range and Ultra Low Power 16-Channel ASIC for an Innovative 3D Imaging Space Plasma Analyzer

International audienceA very low power 16-channel ASIC has been designed and fabricated in a standard 0.35 $mu{hbox{m}}$ CMOS technology. It is to be used as the front-end electronics of the micro-channel plates (MCPs) based detector of a 3D space plasma analyzer. Each channel includes a charge sensitive amplifier (CSA) and a discriminator. With a CSA conversion gain of 0.5 mV/fC, the ASIC is able to detect charges emitted by the MCPs over a wide dynamic range of 10 fC to 3.5 pC. The CSA pulse-pair-resolution (PPR) is 170 ns, and the maximum counting rate frequency is 7.5 MHz for input charges limited to 100 fC and 4.6 MHz for full scale inputs. The CSA input devices are optimized for a detector capacitance varying in the range of 2-12 pF. The measured input equivalent noise charge $({hbox{ENC}}_{rm in})$ is 1.3 fC $+$ 0.1 fC/pF rms. These features have been obtained with an unprecedented low power consumption of only 0.64 mW per channel. Experimental tests under the extended temperature range of $-{hbox{40}}~^{circ}{hbox{C}}$ to 85$~^{circ}{hbox{C}}$ have shown no significant performance variations

A high dynamic range and low power 16-channel CMOS circuit for particle detection in space plasmas

International audienceA low power 16-channel ASIC has been designed in the standard 0.35μm CMOS technology. It includes a Charge-Sensitive-Amplifier (CSA) and a discriminator from noise. It is designed using hard-rad layout rules and can be used as the front-end electronics of a 3D imaging space plasma analyser that includes charged particles multipliers (Micro Channel Plates). With a total power consumption limited to 600μW per channel, the detection chain achieves a gain of 1mV/fC over a wide dynamic range of input charges varying from 4fC to 4pC. The CSA Pulse-Pair-Resolution (PPR) is 250ns providing the ability to reach a minimum particle count rate of 4MHz periodic per channel. By adjusting the threshold of discrimination from noise to the limited dynamic range of standard MCP, it is suggested that particle count rates as high as 10MHz periodic can be achieved with this low power ASIC while classical hybrid space qualified components with a similar count rate capability have a power consumption of 25mW per channel