Ultrakleine lichtbron voor kwantensleuteling

De behuizing van VCSEL-laserdiodes met geïntegreerde temperatuurregeling is uiterst compact. © Fraunhofer IOF / De behuizing van VCSEL-laserdiodes met geïntegreerde temperatuurregeling is uiterst compact. © Fraunhofer IOF

Schematische Darstellung der achtkanaligen VCSEL-Quelle für polarisationsverschlüsselte Photonen. © Fraunhofer IOF / Schematische Darstellung der achtkanaligen VCSEL-Quelle für polarisationsverschlüsselte Photonen. © Fraunhofer IOF

Weergave van de VCSEL-bron op het printplaatje met KOVAR-omlijsting. In de behuizing is de optiek ondergebracht, die bovenop de VCSEL-chip is bevestigd. De glazen punt op de behuizing is de golfgeleider-combinator, waar het polarisatiesignaal uitkomt. © Fraunhofer IOF / De VCSEL-bron op het keramische printplaatje (PCB) wordt getoond met de KOVAR-omlijsting. De kleine glazen punt bovenop de behuizing is de golfgeleider-combinator, waar het polarisatiesignaal naar buiten komt. © Fraunhofer IOF

De bron wordt gemonteerd op een keramische printplaat met een molybdeen-heatspreader. De vleugels zijn stekkers voor thermisch beheersingscomponenten. © TU Ilmenau / Een keramische printplaat (PCB) is bevestigd op een molybdeen-heatspreader. De PCB draagt de VCSEL en driver-chip (midden). De vleugels zijn stekkers voor thermisch beheersingscomponenten. © TU Ilmenau

Het Fraunhofer-Instituut voor Toegepaste Optiek en Fijnmechanica IOF presenteert op SPIE Photonics West in San Francisco (28 tot 30 januari 2025) een nieuwe fotonbron, die speciaal ontwikkeld is voor het »Prepare-and-Measure«-protocol van kwantumcommunicatie. De componenten van de bron zijn geoptimaliseerd voor gebruik in de ruimte.

Sinds medio de jaren 1980 bestaat het concept om sterk verzwakte, willekeurig gepolariseerde lichtpulsen te gebruiken voor veilige kwantumcommunicatie. De meeste commerciële lichtbronnen voor kwantumcommunicatie baseren zich tot op heden op dit idee. De grootste uitdaging hierbij is het genereren van onverschillende en willekeurig gepolariseerde fotonen met een hoge frequentie in een zo compact en energie-efficiënt mogelijke bron.

Bij het Fraunhofer IOF in Jena is nu een fotonbron ontwikkeld die gebaseerd is op een lineaire array van acht verticaal emitterende halfgeleiderlasers (VCSELs). Deze beschikt over een bijzonder compacte bouw, hoge spectrale en temporele precisie, en een goede polarisatiekwaliteit. Het systeem is speciaal ontworpen voor veilige verbindingen tussen satellieten en grondstations.

Onverschillende fotonen en Decoy States

De nieuwe fotonbron gebruikt een Galliumarsenid (GaAs)-substraat voor acht VCSELs bij 850 nm met lithografisch gestructureerde polarisatoren, ontwikkeld aan de Universiteit Stuttgart. Met deze geïntegreerde componenten kan de bron vier polarisatiestanden (H/V/D/A) voor signalen volgens het BB84-protocol leveren uit een ultracompacte behuizing.

De temperatuurschommelingen van de individuele VCSELs zijn duidelijk kleiner dan 0,5 K. Hierdoor kunnen de golflengteverschillen van de gepolariseerde fotonpakketten < 40 pm worden gehouden. Voorlopige gegevens tonen aan dat de on-chip polarisatoren een extinctieverhouding van minimaal 12 dB in diagonale en minimaal 20 dB in horizontale of verticale richting bereiken.

De nieuwe fotonbron gebruikt een Galliumarsenid (GaAs)-substraat voor acht VCSELs met lithografisch gestructureerde polarisatoren, ontwikkeld aan de Universiteit Stuttgart. Met deze geïntegreerde componenten kan de bron vier polarisatiestanden (H/V/D/A) voor signalen volgens het BB84-protocol leveren uit een ultracompacte behuizing.

De temperatuurschommelingen van de individuele VCSELs zijn duidelijk kleiner dan 0,5 K. Hierdoor kunnen de golflengteverschillen van de gepolariseerde fotonpakketten

Vier van de acht VCSEL-kanalen leveren Decoy States, door gebruik te maken van een dempingsgroep (~4 dB). Dit verhoogt de algehele veiligheid van de kwantumcommunicatieverbinding, omdat in het systeem zowel signaal- als afleidingspulsen spectraal en temporeel onverschillig worden gegenereerd.

De geïntegreerde digitale-analoge omzetting, ontwikkeld in samenwerking met de TU Ilmenau, maakt een pulsfreqentie van tot 5 GHz mogelijk. Er wordt verwacht dat dit signaal afkomstig is van een extra kwantumwillekeurgenerator. Het optische systeem van de bron is ondergebracht in een KOVAR-behuizing met een lage uitzettingscoëfficiënt.

De VCSEL-bron voor de op BB84 gebaseerde kwantumsleutelverdeling met Decoy States past dankzij de geïntegreerde componenten in een volume van 40 × 40 × 43 mm³. De signalen van de acht afzonderlijke kanalen verschillen spectraal minder dan 50 pm en vertonen verschillen in tijdsvertraging van

Presentatie op Photonics West 2025

Het team van het Fraunhofer IOF presenteert een prototype van de fotonbron voor veilige kwantumcommunicatie op de SPIE Photonics West in San Francisco (VS) van 28 tot 30 januari bij de Fraunhofer-stand in de German Pavilion (4205 North Hall).

Erik Beckert, hoofd van de afdeling »Opto-mechatronische componenten en systemen« bij het Fraunhofer IOF, zal de technologie op 26 januari om 13:50 uur (zaal 158, Moscone South) presenteren in zijn lezing »Ultracompacte, VCSEL-gebaseerde fotonbron voor prepare-and-measure QKD«.