Ultrakompaktní zdroj světla pro kvantové šifrování

Pouzdro laserových diod VCSEL s integrovanou regulací teploty je velmi kompaktní. © Fraunhofer IOF / Pouzdro laserových diod VCSEL s integrovanou regulací teploty je velmi kompaktní. © Fraunhofer IOF

Schematické znázornění osmi-kanálového zdroje VCSEL pro polarizačně zašifrované fotony. © Fraunhofer IOF / Schematic representation of the eight-channel VCSEL source for polarization encrypted photons. © Fraunhofer IOF

Zobrazení VCSEL zdroje na desce s plošnými spoji s rámem KOVAR. V rámci je umístěna optika, která je upevněna na horní straně VCSEL čipu. Skleněná špička na pouzdru je kombinátor vlnovodu, odkud vychází signál polarizace. © Fraunhofer IOF / The VCSEL source on the ceramic printed circuit board (PCB) is shown with the KOVAR frame housing. The tiny glass tip on top of the housing is the waveguide combiner, where the polarization signal comes to exit. © Fraunhofer IOF

Zdroj je namontován na keramické desce s měděným chladičem. Křídla jsou konektory pro komponenty řízení teploty. © TU Ilmenau / Keramická tištěná spojová deska (PCB) je připojena k molybdenovému chladiči. PCB nese VCSEL a řídicí čip (uprostřed). Křídla jsou zástrčky pro komponenty řízení teploty. © TU Ilmenau

Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF představí na SPIE Photonics West v San Franciscu (28. až 30. ledna 2025) nový zdroj fotonů, který byl speciálně vyvinut pro protokol »Prepare-and-Measure« v kvantové komunikaci. Komponenty zdroje jsou optimalizovány pro vesmírné použití.

Od poloviny 80. let 20. století existuje koncept využití silně zeslabených náhodně polarizovaných světelných pulzů pro bezpečnou kvantovou komunikaci. Většina komerčních zdrojů světla pro kvantovou komunikaci je dodnes založena na této myšlence. Největší výzvou je pak generovat nerozlišitelné a náhodně polarizované fotony s vysokou rychlostí v co nejkompaktnějším a energeticky nejefektivnějším zdroji.

Ve Fraunhofer IOF v Jeně byl nyní vyvinut zdroj fotonů založený na lineárním poli osmi vertikálně emitujících polovodičových laserů (VCSEL). Disponuje zvlášť kompaktní konstrukcí, vysokou spektrální a časovou přesností a dobrou kvalitou polarizace. Systém je speciálně navržen pro bezpečná spojení satelitů s pozemní stanicí.

Nerozlišitelní fotony a odrazové stavy

Nový zdroj fotonů využívá substrát z galliumarsenidu (GaAs) pro osm VCSEL s lithograficky strukturovanými polarizátory, které byly vyvinuty na Univerzitě Stuttgart. S těmito integrovanými komponenty může zdroj dodávat čtyři stavy polarizace (H/V/D/A) pro signály podle protokolu BB84 z velmi kompaktní krabičky.

Teplotní odchylky jednotlivých VCSEL jsou výrazně menší než 0,5 K. Díky tomu lze udržovat rozdíly v délce vlny polarizovaných paketů fotonů na < 40 pm. Přechodná data ukazují, že integrované polarizátory dosahují extinkčního poměru alespoň 12 dB v diagonálním směru a alespoň 20 dB v horizontálním nebo vertikálním směru.

Nový zdroj fotonů využívá substrát z galliumarsenidu (GaAs) pro osm VCSEL s lithograficky strukturovanými polarizátory, které byly vyvinuty na Univerzitě Stuttgart. S těmito integrovanými komponenty může zdroj dodávat čtyři stavy polarizace (H/V/D/A) pro signály podle protokolu BB84 z velmi kompaktní krabičky.

Teplotní odchylky jednotlivých VCSEL jsou výrazně menší než 0,5 K. Díky tomu lze udržovat rozdíly v délce vlny polarizovaných paketů fotonů

Čtyři z osmi kanálů VCSEL dodávají odrazové stavy použitím tlumicího členu (~4 dB). To zvyšuje celkovou bezpečnost kvantové komunikační spojení, protože systém generuje jak signální, tak i klamné pulzy spektrálně a časově nerozlišitelné.

Integrovaná digitálně-analogová konverze, vyvinutá ve spolupráci s Technickou univerzitou Ilmenau, umožňuje frekvenci pulzů až do 5 GHz. Předpokládá se, že tento signál pochází z dodatečného generátoru kvantových náhodných čísel. Optický systém zdroje je umístěn v kovové krabičce s nízkým koeficientem roztažnosti.

Zdroj VCSEL pro kvantové rozdělení klíčů založené na protokolu BB84 s odrazovými stavy se díky integrovaným komponentám vejde do objemu 40 × 40 × 43 mm³. Signály osmi samostatných kanálů se spektrálně liší méně než o 50 pm a mají rozdíly v časovém zpoždění

Prezentace na Photonics West 2025

Tým Fraunhofer IOF představí prototyp zdroje fotonů pro bezpečnou kvantovou komunikaci na letošní SPIE Photonics West v San Franciscu (USA) od 28. do 30. ledna na stánku Fraunhofer v německém pavilonu (4205 North Hall).

Erik Beckert, vedoucí oddělení „Opto-mechatronické komponenty a systémy“ ve Fraunhofer IOF, představí tuto technologii 26. ledna ve 13:50 hodin (místnost 158, Moscone South) ve své přednášce „Ultrakompaktní, VCSEL-based fotonový zdroj pro prepare-and-measure QKD“.