Source lumineuse ultra-compacte pour la cryptographie quantique

Le boîtier des diodes laser VCSEL avec contrôle de température intégré est extrêmement compact. © Fraunhofer IOF / Le boîtier des diodes laser VCSEL avec contrôle de température intégré est extrêmement compact. © Fraunhofer IOF

Représentation schématique de la source VCSEL à huit canaux pour les photons cryptés par polarisation. © Fraunhofer IOF / Schematic representation of the eight-channel VCSEL source for polarization encrypted photons. © Fraunhofer IOF

Représentation de la source VCSEL sur le circuit imprimé avec un cadre en KOVAR. Le cadre abrite l'optique, fixée en haut de la puce VCSEL. La pointe en verre sur le boîtier est le combinéur de guide d'ondes, par lequel le signal de polarisation sort. © Fraunhofer IOF / La source VCSEL sur la carte de circuit imprimé en céramique (PCB) est montrée avec le boîtier en KOVAR. La petite pointe en verre au sommet du boîtier est le combinéur de guide d'ondes, où le signal de polarisation sort. © Fraunhofer IOF

La source est montée sur une carte de circuit imprimé en céramique avec un dissipateur thermique en molybdène. Les ailes sont des connecteurs pour des composants de gestion thermique. © TU Ilmenau / Une carte de circuit imprimé (PCB) en céramique est fixée à un dissipateur thermique en molybdène. La PCB porte le VCSEL et la puce de driver (au centre). Les ailes sont des fiches pour des composants de gestion thermique. © TU Ilmenau

Le Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF présente lors de la SPIE Photonics West à San Francisco (du 28 au 30 janvier 2025) une nouvelle source de photons, spécialement conçue pour le protocole « Prepare-and-Measure » de la communication quantique. Les composants de la source sont optimisés pour une utilisation dans l'espace.

Depuis le milieu des années 1980, le concept d'utiliser des impulsions lumineuses faiblement atténuées, polarisées aléatoirement, pour une communication quantique sécurisée existe. La plupart des sources lumineuses commerciales pour la communication quantique reposent encore aujourd'hui sur cette idée. Le plus grand défi consiste à générer des photons indiscernables et polarisés aléatoirement à un taux élevé, dans une source aussi compacte et économe en énergie que possible.

Au Fraunhofer IOF de Jena, une source de photons a été développée, basée sur un tableau linéaire de huit lasers à semi-conducteurs à émission verticale (VCSELs). Elle possède une conception particulièrement compacte, une haute précision spectrale et temporelle, ainsi qu'une bonne qualité de polarisation. Le système est spécialement conçu pour des connexions sécurisées entre satellites et station au sol.

Photons indiscernables et États leurres

La nouvelle source de photons utilise un substrat de gallium arsenide (GaAs) pour huit VCSELs à 850 nm, avec des polariseurs structurés lithographiquement, développés à l'Université de Stuttgart. Avec ces composants intégrés, la source peut fournir quatre états de polarisation (H/V/D/A) pour des signaux selon le protocole BB84, dans une boîte ultracompacte.

Les déviations de température des différents VCSELs sont nettement inférieures à 0,5 K. Cela permet de maintenir les différences de longueur d'onde des paquets de photons polarisés à moins de 40 pm. Des données préliminaires montrent que les polariseurs intégrés atteignent un rapport d'extinction d'au moins 12 dB en diagonale et d'au moins 20 dB en direction horizontale ou verticale.

La nouvelle source de photons utilise un substrat de gallium arsenide (GaAs) pour huit VCSELs avec des polariseurs structurés lithographiquement, développés à l'Université de Stuttgart. Avec ces composants intégrés, la source peut fournir quatre états de polarisation (H/V/D/A) pour des signaux selon le protocole BB84, dans une boîte ultracompacte.

Les déviations de température des différents VCSELs sont nettement inférieures à 0,5 K. Cela permet de maintenir les différences de longueur d'onde des paquets de photons polarisés.

Quatre des huit canaux VCSEL fournissent des États leurres en utilisant un élément d'atténuation (~4 dB). Cela augmente la sécurité globale de la connexion de communication quantique, car le système produit à la fois des impulsions de signal et de leurre, indistinguables spectrally et temporellement.

La conversion numérique-analogique intégrée, développée en coopération avec l'Université de Ilmenau, permet une fréquence de succession d'impulsions allant jusqu'à 5 GHz. Il est prévu que ce signal provienne d'un générateur de nombres aléatoires quantiques supplémentaire. Le système optique de la source est logé dans une boîte KOVAR à faible coefficient de dilatation.

La source VCSEL pour la distribution de clés quantiques basée sur BB84 avec États leurres s'intègre dans un volume de 40 × 40 × 43 mm³ grâce à ses composants intégrés. Les signaux des huit canaux séparés diffèrent spectrally de moins de 50 pm et présentent des différences dans le retard temporel de

Présentation lors de Photonics West 2025

L'équipe du Fraunhofer IOF présente un prototype de la source de photons pour la communication quantique sécurisée lors de la SPIE Photonics West de cette année à San Francisco (États-Unis), du 28 au 30 janvier, au stand Fraunhofer dans le Pavillon allemand (North Hall 4205).

Erik Beckert, chef du département « Composants et systèmes opto-mécatroniques » au Fraunhofer IOF, présentera cette technologie le 26 janvier à 13h50 (Salle 158, Moscone South) lors de sa conférence intitulée « Source de photons ultracompacte, basée sur VCSEL pour la QKD « prepare-and-measure » ».