DE102021202631A1

DE102021202631A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines Schlüssels

Info

Publication number: DE102021202631A1
Application number: DE102021202631.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Blasl; Meysam Namdari; Jan Grahmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2022-09-22
Also published as: WO2022194874A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels weist ein Multimode-Interferometer auf, das mit einer Lichtquelle koppelbar ist und einen Lichtleiter umfasst. Der Lichtleiter ist ausgebildet, um Licht an einer Eingangsseite zu erhalten, und um in Abhängigkeit einer Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter ein ausgangsseitiges Licht an einer Ausgangsseite bereitzustellen. Ferner weist die Vorrichtung eine Empfangseinrichtung auf, die ausgebildet ist, um das ausgangsseitige Licht an der Ausgangsseite zu empfangen. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Auswertung basierend auf dem ausgangsseitigen Licht auszuführen, und um basierend auf der Auswertung den Schlüssel zu erzeugen. Die Vorrichtung ist ausgebildet, um eine Brechzahl in einer Umgebung des Lichtleiters lokal zu variieren, um eine effektive Brechzahl, welche auf die Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter wirkt, lokal zu variieren.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels, etwa einer Bitfolge, unter Verwendung eines Multimode-Interferometers. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Schlüssels. Einige Ausführungsbeispiele beziehen auf ein elektromechanisch programmierbares Multimode-Interferometer als kryptographischer Schlüssel bzw. kryptographischer Hardwareschlüssel.
Für die Zwecke der Authentifizierung und/oder die Verschlüsselung besteht ein Bedarf an Konzepten zum Ableiten von Schlüsseln. Hierzu können beispielsweise physikalische Effekte genutzt werden, welche durch Software- oder hardwarebasierte Algorithmen nur unzureichend, das heißt mit ungenügender Genauigkeit und/oder mit zu großem Rechenaufwand, abgebildet werden können.
Zusammenfassung
Eine Anforderung für die Erzeugung von Schlüsseln ist eine hohe Genauigkeit, eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Bitrate.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf der Idee, einen Schlüssel basierend auf einer Ausbreitung von Licht in einem Lichtleiter eines Multimode-Interferometers zu erzeugen. Dazu wird eine Brechzahl in einer Umgebung des Lichtleiters lokal variiert, um eine effektive Brechzahl, welche auf die Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter wirkt, lokal zu variieren. Die Erfinder haben erkannt, dass eine Variation der Brechzahl in der Umgebung des Lichtleiters eine genaue, zuverlässige und starke Variation der effektiven Brechzahl des Lichtleiters erlaubt. Eine starke Variation der effektiven Brechzahl ermöglicht eine Erzeugung sicherer Schlüssel. Ferner lässt sich eine die Brechzahl in der Umgebung des Lichtleiters vergleichsweise genau, reproduzierbar und mit geringem Implementierungsaufwand variieren, wodurch eine Variation der effektiven Brechzahl mittels der Variation der Brechzahl der Umgebung eine hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit und eine geringe Größe der Vorrichtung ermöglicht.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels. Die Vorrichtung weist ein Multimode-Interferometer auf, das mit einer Lichtquelle koppelbar ist und einen Lichtleiter umfasst. Der Lichtleiter ist ausgebildet, um Licht an einer Eingangsseite zu erhalten, und um in Abhängigkeit einer Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter ein ausgangsseitiges Licht an einer Ausgangsseite bereitzustellen. Ferner weist die Vorrichtung eine Empfangseinrichtung auf, die ausgebildet ist, um das ausgangsseitige Licht an der Ausgangsseite zu empfangen. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Auswertung basierend auf dem ausgangsseitigen Licht auszuführen, und um basierend auf der Auswertung den Schlüssel zu erzeugen. Die Vorrichtung ist ausgebildet, um eine Brechzahl in einer Umgebung des Lichtleiters lokal zu variieren, um eine effektive Brechzahl, welche auf die Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter wirkt, lokal zu variieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung ausgebildet, um die Brechzahl innerhalb eines an dem Lichtleiter angrenzenden Bereichs lokal zu variieren, um die effektive Brechzahl lokal zu variieren. Der an dem Lichtleiter angrenzende Bereich ist ein Bereich einer Eindringtiefe eines evaneszenten Feldes des sich im Lichtleiter ausbreitenden Lichts. Beispielsweise ist der Bereich zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Lichtleiters entlang des Lichtleiters angeordnet. Beispielsweise weist der Bereich eine Dicke, das heißt eine Abmessung senkrecht zu einer Grenzfläche zwischen dem Lichtleiter und dem angrenzenden Bereich, von einer Wellenlänge oder weniger als einer Wellenlänge des sich in dem Lichtleiter ausbreitenden Lichts auf. In anderen Beispielen kann die Eindringtiefe auch mehr als eine Wellenlänge betrage, z.B. bis zu zwei oder drei Wellenlängen. Eine Variation der Brechzahl in einem Bereich eines evaneszenten Feldes des sich im Lichtleiter ausbreitenden Lichts ermöglicht eine effektive Variation der effektiven Brechzahl für das sich in dem Lichtleiter ausbreitende Licht. Somit kann eine große Änderung der Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter erzielt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Empfangseinrichtung eine Mehrzahl von Photodetektoren auf, die jeweils mit einem jeweiligen Ausgang des Lichtleiters an der Ausgangsseite verbunden sind, um eine lokale Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts an der Ausgangsseite zu bestimmen. Beispielsweise sind die Ausgänge benachbart oder beabstandet zueinander an der Ausgangsseite angeordnet. Die Auswerteeinrichtung ist gemäß diesen Ausführungsbeispielen ausgebildet, um den Schlüssel basierend auf der lokalen Intensitätsverteilung zu erzeugen. Basierend auf der lokalen Variation der effektiven Brechzahl und der Bestimmung der lokalen Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts lassen sich zeitgleich eine Mehrzahl von Bits für den Schlüssel bestimmen. Somit kann eine hohe Bitrate erreicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Schlüssel eine Mehrzahl von Schlüsselabschnitten. Jeder der Schlüsselabschnitte ist einem der Ausgänge zugeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, um jeden der Schlüsselabschnitte basierend auf der Intensität des ausgangsseitigen Lichts an dem dem Schlüsselabschnitt zugeordneten Ausgang zu bestimmen. Die Zuordnung der Schlüsselabschnitte zu jeweils einem Ausgang ermöglicht eine einfache Auswertung des ausgangsseitigen Lichts und eine einfache Implementierung der Auswerteeinrichtung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, um für jeden der Photodetektoren eine Schwellwertentscheidung auszuführen, ob eine in dem jeweiligen Photodetektor erfasste Größe in eine binäre 0 oder eine binäre 1 zu überführen ist, und um durch Aneinanderreihung der Schwellwertentscheidung eine Bitfolge für den Schlüssel zu erhalten. Die Nutzung von Schwellwertentscheidungen für den Schlüssel ermöglicht es, die Photodetektoren einfach zu implementieren, da diese z. B. nicht zwangsläufig eine hohe Auflösung bezüglich einer von den Photodetektoren gemessenen Intensität benötigen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung eine Mehrzahl von MEMS-Aktuatoren auf (MEMS: micro-electro-mechanical system). Die MEMS-Aktuatoren sind ausgebildet, um jeweils ein bewegliches Element, welches einer zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite angeordneten Oberflächenregion des Lichtleiters gegenüberliegend angeordnet ist, zu bewegen, um einen Abstand zwischen dem beweglichen Element und dem Lichtleiter zu variieren und so die Brechzahl in der Umgebung des Lichtleiters lokal zu variieren. MEMS-Aktuatoren ermöglichen es, das bewegliche Element genau, schnell und energieeffizient zu positionieren. Somit kann eine genaue Erzeugung des Schlüssels mit einer hohen Bitrate ermöglicht werden. Beispielsweise kann sich zwischen dem beweglichen Element und dem Lichtleiter zumindest in einem Positionierungszustand des beweglichen Elements ein Spalt befinden. Eine Brechzahl eines Materials des beweglichen Elements kann sich von einer Brechzahl eines in dem Spalt befindlichen Mediums, beispielsweise Luft, unterscheiden, so dass durch eine Variation der Spaltgröße zwischen dem beweglichen Element und dem Lichtleiter die Brechzahl in einen an dem Lichtleiter angrenzenden und dem beweglichen Element gegenüberliegenden Bereich variiert werden kann. Somit lässt sich die effektive Brechzahl des Lichtleiters lokal, beispielsweise in einem dem beweglichen Element gegenüberliegenden Bereich, variieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die MEMS-Aktuatoren elektrostatische, elektromagnetische, piezoelektrische oder thermoelektrische Aktuatoren. Thermische Aktuatoren können zum Beispiel als thermische Bimorphe ausgebildet sein. Eine weitere Alternative für die MEMS-Aktuatoren stellen Strukturen dar, die ausgebildet sind um die das bewegliche Element 38 durch Biegeverformung langer Balken zu bewegen. Diese Arten von MEMS-Aktuatoren ermöglichen eine genaue Einstellung des Abstands zwischen den jeweiligen beweglichen Elementen und dem Lichtleiter.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die beweglichen Elemente der MEMS-Aktuatoren in einem zweidimensionalen Array angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die beweglichen Elementen bezüglich zumindest einer Richtung (x, y) des zweidimensionalen Arrays asymmetrisch gebildet. Dies kann so weit ausgeführt werden, dass jedes bewegliche Element durch eine Änderung seiner Position eine eindeutige Veränderung in dem ausgansseitigen Licht erzeugt, beispielsweise in der lokalen Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts. D.h., durch die asymmetrische Bildung der beweglichen Elemente kann durch Positionierung der beweglichen Elemente die Brechzahl in der Umgebung des Lichtleiters lokal so variiert werden, dass einem Muster in der effektiven Brechzahl des Lichtleiters ein Muster in der lokalen Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts eindeutig oder eineindeutig zugeordnet ist. Vorteilhaft ist, dass eine hohe Entropie in dem Schlüssel erhalten werden kann und ein hoher Wertebereich des Schlüssels erhalten wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die beweglichen Elemente jeweils eine der Oberflächenregionen des Lichtleiters gegenüberliegende Schicht auf. Die Schicht weist eine Brechzahl von mehr als 1,3, oder eine Brechzahl in einem Bereich von 1,3 bis 3,6 auf. Je mehr sich die Brechzahl der dem Lichtleiter gegenüberliegenden Schicht von einer Brechzahl eines Mediums, in welchem sich das bewegliche Element bewegt, unterscheidet, desto effektiver kann die Brechzahl in der Umgebung des Lichtleiters, und somit die effektive Brechzahl für die Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter variiert werden. Bewegt sich das bewegliche Element in Luft oder in einem Medium mit einer ähnlichen Brechzahl, das heißt mit einer Brechzahl von ungefähr 1, kann eine Brechzahl von 1,3 oder mehr der dem Lichtleiter gegenüberliegenden Schicht eine große lokale Variation effektiver Brechzahl in dem Lichtleiter gewährleisten und somit eine genaue und zuverlässige Erzeugung des Schlüssels sicherstellen. Für sehr hohe Brechzahlen kann das Licht des Lichtleiters bei geringen Abständen zwischen dem Lichtleiter und der dem Lichtleiter gegenüberliegenden Schicht zu Verlusten des Lichts in dem Lichtleiter führen, wodurch eine Brechzahl von 3,6 oder weniger vorteilhaft ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel befindet sich die Schicht des jeweiligen MEMS-Aktuators zumindest in einem Positionierungszustand zumindest teilweise innerhalb eines an dem Lichtleiter angrenzenden Bereichs einer Eindringtiefe eines evaneszenten Feldes des sich im Lichtleiter ausbreitenden Lichts. Somit kann die Schicht zumindest in diesem einen Positionierungszustand die effektive Brechzahl des Lichtleiters in einem der Schicht gegenüberliegenden Bereich des Lichtleiters beeinflussen und somit die Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter beeinflussen. Beispielsweise befindet sich die Schicht in einem weiteren Positionierungszustand des jeweiligen MEMS-Aktuators außerhalb des an dem Lichtleiter angrenzenden Bereichs der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes, so dass der Lichtleiter in einem der Schicht gegenüberliegenden Bereich eine erste effektive Brechzahl aufweist, wenn sich die Schicht in dem zumindest einen Positionierungszustand befindet, und eine zweite Brechzahl aufweist, wenn sich die Schicht in dem zweiten Positionierungszustand befindet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die beweglichen Elemente der MEMS-Aktuatoren eine elektrisch leitfähige Schicht auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung ferner eine in Bezug auf den Lichtleiter mechanisch fixierte, den beweglichen Elementen gegenüberliegend angeordnete Elektrode, auf. Die Vorrichtung ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um jeweils zwischen einer der leitfähigen Schichten der beweglichen Elemente der MEMS-Aktuatoren und der Elektrode eine elektrische Spannung anzulegen, um den Abstand zwischen dem jeweiligen beweglichen Element und dem Lichtleiter zu variieren. Ein Anlegen einer Spannung zwischen der leitfähigen Schicht und der Elektrode ermöglicht eine stufenlose, schnelle und energieeffiziente, sowie genaue Einstellung des Abstands zwischen dem jeweiligen beweglichen Element und dem Lichtleiter.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die MEMS-Aktuatoren ausgebildet, um ihr jeweiliges bewegliches Element abhängig von einem Stellsignal auf eine von zumindest einer ersten und einer zweiten Position einzustellen. In der ersten Position ist das bewegliche Element weniger weit von dem Lichtleiter beabstandet positioniert als in der zweiten Position. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung einen mechanischen Anschlag auf, um die jeweilige erste Position der beweglichen Elemente festzulegen. Alternativ oder zusätzlich weist die Vorrichtung einen mechanischen Anschlag auf, um die jeweilige zweite Position der beweglichen Elemente festzulegen. Ein mechanischer Anschlag ermöglicht eine sehr genaue Einstellung einer Position, beispielsweise, ohne auf eine Rückkopplung angewiesen zu sein, bei welcher die Position des beweglichen Elements genau ausgelesen werden muss. Insbesondere in der ersten Position, in der das bewegliche Element weniger weit von dem Lichtleiter beabstandet positioniert ist, kann eine kleine Positionsänderung zu einer großen Änderung der effektiven Brechzahl führen, da das evaneszente Feld des Lichts in dem Lichtleiter außerhalb des Lichtleiters exponentiell abfallen kann. Durch die Implementierung eines mechanischen Anschlags für die erste Position kann auf einfachem Wege eine genaue Einstellung der effektiven Brechzahl erreicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die MEMS-Aktuatoren jeweils eine Positionsbestimmungsvorrichtung auf, wie beispielsweise eine piezoresistive oder eine kapazitive Positionsbestimmungsvorrichtung, um eine eingestellte Position ihres jeweiligen beweglichen Elements zu bestimmen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung ausgebildet, um die für ein bewegliches Element bestimmter eingestellte Position zu verwenden, um den Abstand zwischen dem beweglichen Element und dem Lichtleiter zu regeln. Eine Regelung des Abstands zwischen dem beweglichen Element und dem Lichtleiter basierend auf der bestimmten Position ermöglicht eine genaue Einstellung des Abstands zwischen dem beweglichen Element und dem Lichtleiter, insbesondere für eine Vielzahl verschiedener Positionen, insbesondere auch für eine Zahl von mehr als zwei verschiedenen Positionen. Die Möglichkeit, den Abstand auf eine Vielzahl verschiedener Positionen einzustellen, ermöglicht es, mit einer relativ geringen Anzahl an MEMS-Aktuatoren eine relativ große Anzahl verschiedener Intensitätsverteilungen des ausgangsseitigen Lichts an der Ausgangsseite des Lichtleiters zu erzeugen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung eine Ansteuereinrichtung auf, die ausgebildet ist, um die MEMS-Aktuatoren basierend auf einem Eingangssignal anzusteuern, um ein Positionierungsmuster der beweglichen Elemente bezüglich der Abstände der beweglichen von dem Lichtleiter zu erzeugen, so dass jedem Positionierungsmuster ein Muster in einer lokalen Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts eindeutig oder eineindeutig zugeordnet ist. Durch Auswertung der lokalen Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts mittels der Empfangseinrichtung und der Auswerteeinrichtung ist es somit möglich, ein Eingangssignal eindeutig oder eineindeutig in ein Ausgangssignal umzuwandeln.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung eine Ansteuereinrichtung auf. Die Ansteuereinrichtung ist ausgebildet, um ein digitales Eingangssignal mit einer Bitfolge zu erhalten. Dabei ist jedem Bit der Bitfolge einer der MEMS-Aktuatoren zugeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Ansteuereinrichtung ausgebildet, um jeden der MEMS-Aktuatoren basierend auf dem dem MEMS-Aktuator zugeordneten Bit anzusteuern. Beispielsweise erfolgt das Ansteuern so, dass jeder Repräsentation der Bitfolge ein Muster in einer lokalen Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts eindeutig oder eineindeutig zugeordnet ist. Beispielsweise kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Ansteuereinrichtung ausgebildet sein, um jeden der MEMS-Aktuatoren so anzusteuern, dass der MEMS-Aktuator sein bewegliches Element auf eine erste Position einstellt, wenn das den MEMS-Aktuator zugeordnete Bit einen ersten Wert anzeigt, und auf eine zweite Position einzustellen, wenn das dem MEMS-Aktuator zugeordnete Bit einen zweiten Wert anzeigt. Dadurch, dass jedem Bit der Bitfolge einer der MEMS-Aktuatoren zugordnet ist, lässt sich die Ansteuereinrichtung sehr einfach implementieren. Beispielsweise kann in diesem Fall die Ansteuereinrichtung die MEMS-Aktuatoren mit einem digitalen Signal ansteuern, das heißt mit einem Signal, welches zwei verschiedene Werte aufweisen kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung eine Ansteuereinrichtung auf, welche ausgebildet ist, um ein digitales Eingangssignal mit einer Bitfolge zu erhalten, welche eine Mehrzahl von Bitfolgenabschnitten umfasst. Jedem der Bitfolgenabschnitte sind ein oder mehrere der MEMS-Aktuatoren zugeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Ansteuereinrichtung ausgebildet, um die MEMS-Aktuatoren basierend auf den ihnen jeweils zugeordneten Bitfolgenabschnitten auf eine von mehr als zwei verschiedenen Positionen einzustellen. Beispielsweise kann das Einstellen auf die mehr als zwei verschiedenen Positionen so erfolgen, dass jeder Repräsentation der Bitfolge ein Muster in einer lokalen Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts eindeutig zugeordnet ist. Durch das Einstellen eines MEMS-Aktuators auf eine von mehr als zwei verschiedenen Positionen basierend auf einem Bitfolgenabschnitt lässt sich eine in Bezug auf das digitale Eingangssignal eindeutige oder eineindeutige Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts erzeugen, auch wenn die Anzahl der MEMS-Aktuatoren bzw. der beweglichen Elemente kleiner ist als die Anzahl der Bits der Bitfolge. Somit kann eine platzsparende und relativ einfache Implementierung ermöglicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung ausgebildet, um basierend auf einem digitalen Eingangssignal mit einer Bitfolge die Brechzahl in der Umgebung des Lichtleiters lokal zu variieren. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, um für den Schlüssel eine Bitfolge für den Schlüssel bereitzustellen, wobei die Länge der von der Auswerteeinrichtung bereitgestellten Bitfolge der Länge der Bitfolge des Eingangssignals entspricht. Die Vorrichtung kann also ein n Bit-Eingangssignal in ein n Bit-Ausgangssignal umwandeln. Für Anwendungen, die eine eineindeutige Umwandlung des Eingangssignals in das Ausgangssignal erfordern, kann die Vorrichtung so besonders effizient implementiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung ausgebildet, um ein oder mehrere der MEMS-Aktuatoren kontinuierlich zu modulieren, um das ausgangsseitige Licht kontinuierlich zu modulieren. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung ausgebildet, um basierend auf einem Eingangssignal eine Mehrzahl von Abtastzeitpunkten zu bestimmen, und um das ausgangsseitige Licht zu den Abtastzeitpunkten auszuwerten, um den Schlüssel zu erzeugen. Diese Implementierung bietet den Vorteil, dass auch mit einer geringen Anzahl von MEMS-Aktuatoren komplexe Schlüssel erzeugt werden können, da mit der Zeit eine weitere Dimension zu der Intensitätsverteilung des Lichts an der Ausgangsseite hinzukommt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Lichtleiter an der Ausgangsseite eine Mehrzahl an räumlich voneinander beabstandeten Ausgängen auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Empfangseinrichtung ausgebildet, um jeweils eine Intensität des ausgangsseitigen Lichts an den Ausgängen zu bestimmen. Die Bestimmung einer jeweiligen Intensität an jedem der Ausgänge ermöglicht eine Bestimmung einer lokalen Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts an der Ausgangsseite des Lichtleiters.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung eine Lichtquelle auf, die mit dem Lichtleiter verbunden ist und die ausgebildet ist, um das Licht auszusenden. Die Lichtquelle kann bei Beispielen schmalbandig sein. Zum Beispiel kann die Lichtquelle ein Laser oder eine Lichtquelle mit einem schmalbandigen Filter sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Empfangseinrichtung einen Filter auf, der ausgebildet ist, um das ausgangsseitige Licht vor dem Empfangen zu filtern. Durch ein Filtern des ausgangsseitigen Lichts kann Streulicht gefiltert werden, so dass der Schlüssel besonders zuverlässig erzeugt werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung konfiguriert, um an einem Signalausgang ein Referenzeingangssignal zu empfangen, das einen Referenzschlüssel aufweist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung ausgebildet, um den Referenzschlüssel mit dem Schlüssel zu vergleichen, und um basierend auf einem Vergleichsergebnis eine Identität eines Senders des Eingangssignals zu bewerten. Dies ermöglicht eine Überprüfung, ob die andere Vorrichtung das geteilte Geheimnis kennt. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung ausgebildet sein, um basierend auf einer erhaltenen Bitfolge den Schlüssel abzuleiten und den Schlüssel bereitzustellen, so dass die den Schlüssel empfangende Vorrichtung die Identität der Vorrichtung überprüfen kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Schlüssel ein erster Schlüssel. Die Vorrichtung ist ausgebildet, um während eines ersten Zeitintervalls ein erstes Licht durch den Lichtpfad zu leiten, um den ersten Schlüssel zu erhalten, und um während eines zweiten Zeitintervalls ein zweites Licht durch den Lichtpfad zu leiten, um einen zweiten Schlüssel zu erhalten. Die Auswerteeinrichtung ist konfiguriert, um den ersten Schlüssel und den zweiten Schlüssel zu einem Gesamtschlüssel zu kombinieren. Dies ermöglicht eine synergetische wiederholte Nutzung des Multimode-Interferometers, das in Wechselwirkung mit unterschiedlichem Licht, etwa in unterschiedlichen Wellenlängen, unterschiedliche Moden anregen bzw. sich in unterschiedlichen Moden ausbreiten kann und so unterschiedliche Muster in dem beeinflussten Licht erzeugen kann, so dass die verwendete Lichtart oder Lichtquelle ein weiterer Freiheitsgrad ist, der zu einer Erhöhung der in dem Schlüssel verwendeten oder erzeugten Bits unter Beibehaltung der hohen Entropie verwendet werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung eine Ausgangsschnittstelle auf, die ausgebildet ist, um den Schlüssel bereitzustellen. Diese ermöglicht beispielsweise das Senden des Schlüssels an eine weitere Vorrichtung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Multimode-Interferometer (MMI) ein erstes MMI und die Vorrichtung weist zumindest ein zweites MMI auf. Das Licht an der Eingangsseite des ersten MMIs wird durch ein an einer Ausgangsseite des zweiten MMIs bereitgestelltes ausgangsseitiges Licht des zweiten MMIs bereitgestellt. Dadurch kann das eingangsseitige Licht des ersten MMIs durch das zweite MMI beeinflusstes Licht sein. Somit wird eine hohe Robustheit des erzeugten Schlüssels ermöglicht.
Weitere Ausführungsbeispiel der Erfindung schaffen ein Verfahren zum Erzeugen eines Schlüssels. Das Verfahren umfasst ein Leiten von Licht von einer Eingangsseite eines Lichtleiters zu einer Ausgangsseite des Lichtleiters, um in Abhängigkeit einer Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter ein ausgangsseitiges Licht an einer Ausgangsseite bereitzustellen. Ferner umfasst das Verfahren ein lokales Variieren einer Brechzahl in einer Umgebung des Lichtleiters, um eine effektive Brechzahl, welche auf die Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter wirkt, lokal zu variieren. Das Verfahren beinhaltet ferner ein Empfangen des ausgangsseitigen Lichts an der Ausgangsseite und ein Ausführen einer Auswertung basierend auf dem ausgangsseitigen Licht. Ferner umfasst das Verfahren ein Erzeugen des Schlüssels basierend auf der Auswertung.
Figurenliste
Beispiele der Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Aufsicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels,
3 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels mit MEMS-Aktuatoren,
4 eine schematische Aufsicht beweglicher Elemente gemäß einem Ausführungsbeispiel,
5 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels mit elektrostatischen MEMS-Aktuatoren,
6 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels mit elektrostatischen MEMS-Aktuatoren,
7 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels mit elektrostatischen MEMS-Aktuatoren und Aktor-naher Gegenelektrode,
8 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels mit elektrostatischen MEMS-Aktuatoren und mechanischem Anschlag,
9 eine schematische Aufsicht eines MMIs gemäß einem Ausführungsbeispiel,
10 eine schematische Aufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels,
11 eine schematische Darstellung der Ausgangsseite gemäß einem Ausführungsbeispiel,
12 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, die mit einer weiteren Vorrichtung kommuniziert,
13 eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung beweglicher Elemente eines MMIs gemäß einem Ausführungsbeispiel,
14 eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung beweglicher Elemente eines MMIs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
15 eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung beweglicher Elemente eines MMIs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
16 eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung beweglicher Elemente eines MMIs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
17 eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, die eine Ansteuereinrichtung und Auswerteeinrichtung aufweist,
18 eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, die zumindest ein erstes Multimode-Interferometer und ein zweites, seriell angeordnetes Multimode-Interferometer aufweist;
19 eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der ein Multimode-Interferometer verschachtelt in einem weiteren Multimode-Interferometer angeordnet ist,
20 ein Diagramm das einen Zusammenhang zwischen Spaltgröße und effektiver Brechzahl gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt,
21 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines Schlüssels gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung detailliert und unter Verwendung der beigefügten Beschreibungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden viele Details beschrieben, um eine gründlichere Erklärung von Beispielen der Offenbarung zu liefern. Es ist jedoch für Fachleute offensichtlich, dass andere Beispiele ohne diese spezifischen Details implementiert werden können. Merkmale der unterschiedlichen beschriebenen Beispiele können miteinander kombiniert werden, es sei denn, Merkmale einer entsprechenden Kombination schließen sich gegenseitig aus oder eine solche Kombination ist ausdrücklich ausgeschlossen.
Es sei darauf hingewiesen, dass gleiche oder ähnliche Elemente oder Elemente, die die gleiche Funktionalität aufweisen, mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sein können oder gleich bezeichnet werden, wobei eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit dem gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind oder gleich bezeichnet werden, typischerweise weggelassen wird. Beschreibungen von Elementen, die gleiche oder ähnliche Bezugszeichen aufweisen oder gleich bezeichnet werden, sind gegeneinander austauschbar.
Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Vorrichtung mit einem Multimode-Interferometer. Ein Multimode-Interferometer kann ausgebildet sein, um Licht von einer Eingangsseite zu einer Ausgangsseite eines Lichtleiters zu leiten. Innerhalb des Lichtleiters kann sich das Licht in mehreren Moden ausbreiten. Die Moden können dabei von einer Geometrie des Lichtleiters und von einer effektiven Brechzahl für die Ausbreitung von Licht in dem Lichtleiter abhängen. Dabei kann die effektive Brechzahl wellenlängenabhängig sein kann. Das heißt, die effektive Brechzahl kann spezifisch für die Wellenlänge des Lichts sein. Die effektive Brechzahl des Lichtleiters kann von einer Brechzahl eines oder mehrerer Materialien in dem Lichtleiter abhängen und kann ferner von einer Brechzahl in einer Umgebung des Lichtleiters abhängen. Ein elektromagnetisches Feld des sich in dem Lichtleiter ausbreitenden Lichts muss nicht auf den Lichtleiter beschränkt sein, sondern kann in eine Umgebung des Lichtleiters hineinreichen. In anderen Worten, in der Umgebung des Lichtleiters kann sich ein evaneszentes Feld des sich im Lichtleiter ausbreitenden Lichtes ausbilden. Somit kann eine Brechzahl in der Umgebung des Lichtleiters die effektive Brechzahl für die Ausbreitung von Licht in dem Lichtleiter beeinflussen. Eine Veränderung der effektiven Brechzahl kann durch eine Änderung einer Amplitude, Phase, Intensität oder Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts an der Ausgangsseite des Lichtpfades feststellbar sein.
Elektrooptische kryptographische Hardware-Schlüssel nutzen elektrooptisch programmierbare Multimode-Interferometer (MMI) als Kernkomponente ( WO 2019/048024 A1 ), bei welchen die effektive Brechzahl eines Lichtleiters des MMI durch die Verwendung elektrooptischer Materialien variiert werden kann. Im Gegensatz dazu wird die effektive Brechzahl in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen durch eine Variation der Brechzahl in einer Umgebung des Lichtleiters des MMI variiert. Im Gegensatz zu Hardware-Schlüsseln, welche eine elektrooptische Variation der Brechzahl des Lichtleiters nutzen und somit unter Degeneration der elektrooptischen Materialien leiden können, zeichnen sich Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung durch eine hohe Zuverlässigkeit aus. Einige Ausführungsbeispiele betreffen demnach ein programmierbares MMI, dessen Kern im Vergleich zu den elektrooptischen Varianten durch eine MEMS-Variante (mikroelektromechanisches System) ausgetaucht ist, und so eine hohe Zuverlässigkeit und Leitungsfähigkeit erreicht werden kann.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zum Erzeugen eines Schlüssels 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 10 umfasst ein Multimode-Interferometer 14, das mit einer Lichtquelle koppelbar ist. Das Multimode-Interferometer 14 umfasst einen Lichtleiter 16. Der Lichtleiter 16 ist ausgebildet, um Licht an einer Eingangsseite 18 zu erhalten. Beispielsweise kann an der Eingangsseite 18 eine Lichtquelle oder ein mit einer Lichtquelle verbundener Lichtleiter gekoppelt oder angeschlossen werden, um das Licht zu erhalten. Der Lichtleiter 16 ist ausgebildet, um das an der Eingangsseite 18 erhaltene Licht in Abhängigkeit einer Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter ein ausgangsseitiges Licht an einer Ausgangsseite 22 des Lichtleiters 16 bereitzustellen. Die Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter 16 kann von einer effektiven Brechzahl des Lichtleiters für die Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter abhängen. Wie zuvor erwähnt, kann die effektive Brechzahl dabei spezifisch für die Wellenlänge des Lichts sein.
Die Vorrichtung 10 ist ausgebildet, um eine Brechzahl n in einer Umgebung 20 des Lichtleiters lokal zu variieren, um eine effektive Brechzahl, welche auf die Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter wirkt, lokal zu variieren. Beispielsweise kann die Umgebung 20 einen Bereich entlang einer Ausbreitungsrichtung des Lichts von der Eingangsseite 18 zu der Ausgangsseite 22 bezeichnen. In 1 ist beispielhaft ein kartesisches Koordinatensystem gezeigt, gemäß welchem eine Richtung von der Eingangsseite 18 zu der Ausgangsseite 22 des Lichtleiters 16 entlang der x-Richtung angeordnet ist. Bei Beispielen kann der Lichtleiter 16 durch die Eingangsseite 18 und die Ausgangsseite 22 verbindende Oberflächenregion begrenzt sein und sich die Umgebung 20 auf einen Bereich außerhalb dieser Oberflächenregion beziehen, wobei der Bereich an die die Eingangsseite 18 und die Ausgangsseite 22 verbindenden Oberflächenregion angrenzen kann. 1 zeigt einen in der Umgebung 20 befindlichen Bereich 24, welcher dem Lichtleiter 16 gegenüberliegend und optional an diesen angrenzend angeordnet ist. Die Vorrichtung 10 kann ausgebildet sein, um die Brechzahl n in dem Bereich 24 zu variieren, um die effektive Brechzahl des Lichtleiters 16 in einem dem Bereich 24 gegenüberliegenden Bereich des Lichtleiters 16 lokal zu variieren. Die Variation der Brechzahl n in der Umgebung 20 kann lokal unterschiedlich erfolgen. Das heißt, die Umgebung 20 kann eine Mehrzahl von Bereichen aufweisen, in welchen die Brechzahl jeweils individuell variiert werden kann, um die Brechzahl in der Umgebung 20 lokal zu variieren. Die Bereiche in der Umgebung 20, in welchen die Brechzahl individuell variiert werden kann, können entlang der Ausbreitungsrichtung von der Eingangsseite 18 zur Ausgangsseite 22 angeordnet sein und/oder in einer Richtung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung (y-Richtung in 1) nebeneinander angeordnet sein. Die Variation der Brechzahl in den Bereichen der Umgebung 20 kann eine Variation der effektiven Brechzahl in den jeweiligen Bereichen der Umgebung 20 gegenüberliegenden Bereichen des Lichtleiters 16 bewirken. Somit kann die effektive Brechzahl des Lichtleiters 16 lokal variiert werden.
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Empfangseinrichtung 26, die ausgebildet ist, um das ausgangsseitige Licht an der Ausgangsseite 22 zu empfangen. Beispielsweise kann die Empfangsrichtung 26 Photodetektoren oder dergleichen aufweisen. Alternativ können auch andere lichtempfindliche Elemente oder Materialien eingesetzt werden, etwa photoresistive Elemente.
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Auswerteeinrichtung 28, die ausgebildet ist, um eine Auswertung basierend auf dem ausgangsseitigen Licht auszuführen, und um basierend auf der Auswertung den Schlüssel zu erzeugen. Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung 28 ausgebildet sein, um basierend auf Informationen, die von der Empfangseinrichtung 26 erhalten werden, ein Muster des Lichts an der Ausgangsseite 22 zu bewerten, etwa hinsichtlich einer Phasenverteilung, Amplitudenverteilung und/oder Intensitätsverteilung. Dieses Muster kann basierend auf einem vordefinierten Kriterium in den Schlüssel 12 überführbar sein. Die Auswerteeinrichtung 28 kann optional eine Ausgangsschnittstelle 88 aufweisen, die ausgebildet ist, um den Schlüssel 12 bereitzustellen.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung 10 ausgebildet, um die Brechzahl n innerhalb eines an den Lichtleiter angrenzenden Bereichs lokal zu variieren, um die effektive Brechzahl lokal zu variieren. Bei diesen Ausführungsbeispielen kann der in 1 dargestellte Bereich 20 den an den Lichtleiter 16 angrenzenden Bereich repräsentieren. Gemäß diesen Ausführungsbeispielen ist der an den Lichtleiter angrenzende Bereich 20 ein Bereich einer Eindringtiefe eines evaneszenten Feldes des sich im Lichtleiter ausbreitenden Lichts. Beispielsweise kann der Lichtleiter 16 eine die Eingangsseite 18 und die Ausgangsseite 22 verbindende und dem Bereich 20 zugewandte Oberflächenregion 132 aufweisen. Sich in dem Lichtleiter ausbreitendes Licht kann ein elektromagnetisches Feld ausbilden, welches in den an den Lichtleiter 16 angrenzenden Bereich 20 eindringen kann, wobei das in den angrenzenden Bereich 20 eindringende elektromagnetische Feld des sich in dem Lichtleiter 16 ausbreitenden Lichts als evaneszentes Feld bezeichnet werden kann. Eine Eindringtiefe des evaneszenten Feldes in den an den Lichtleiter 16 angrenzenden Bereich 20 kann die Größenordnung der Wellenlänge des sich in dem Lichtleiter 16 ausbreitenden Lichts haben, genauer gesagt, im Bereich einer oder weniger Wellenlängen liegen. In anderen Worten, der an den Lichtleiter 16 angrenzende Bereich 20 der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes kann in einer Richtung senkrecht zu der Grenzfläche 132 eine Abmessung 134 von weniger als drei Wellenlängen des Lichts, oder weniger als zwei Wellenlängen des Lichts, oder einer Wellenlänge des Lichts oder weniger als einer Wellenlänge des Lichts aufweisen. Der Bereich 24, innerhalb dessen der Brechzahl n variiert wird, liegt zumindest teilweise innerhalb des Bereichs 20 der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes.
2 zeigt eine schematische Aufsicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 ist ausgebildet, um die Brechzahl n in dem Bereich 24 zu variieren. Ferner kann die Vorrichtung 10 ausgelegt sein, um die Brechzahl in weiteren in der Umgebung 20 bzw. dem Bereich 20 angeordneten Bereichen zu variieren. Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Empfangseinrichtung 26 eine Mehrzahl von Photodetektoren 126 auf, in 2 durch Photodetektoren 126₁ und 126₂ repräsentiert. Die Photodetektoren 126 sind mit einem jeweiligen Ausgang 122 des Lichtleiters 16 an der Ausgangsseite 22 verbunden, in 2 Photodetektor 126₁ mit Ausgang 122₁ und Photodetektor 126₂ mit Ausgang 122₂, um eine lokale Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts an der Ausgangsseite 22 zu bestimmen. Die Photodetektoren 126 können mit ihren jeweiligen Ausgängen mittels Wellenleitern verbunden sein. Beispielsweise kann die lokale Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts an der Ausgangsseite 22 von einer lokalen Verteilung der effektiven Brechzahl des Lichtleiters zwischen der Eingangsseite 18 und der Ausgangsseite 22 abhängen. Somit kann durch eine lokale Variation der effektiven Brechzahl des Lichtleiters 16 die lokale Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts an der Ausgangsseite 22 verändert werden. Beispielsweise ist die Vorrichtung 10 ausgelegt, um die effektive Brechzahl lokal so zu variieren, dass jedem Muster in der lokalen Verteilung der effektiven Brechzahl in dem Lichtleiter 16 eindeutig oder eineindeutig ein Muster in der lokalen Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts an der Ausgangsseite 22 zugeordnet ist. Eindeutigkeit oder Eineindeutigkeit kann beispielsweise durch eine geeignete Anordnung und Ausformung von Bereichen wie dem Bereich 24 in der Umgebung 20 erreicht werden, innerhalb derer die Brechzahl variiert werden kann.
Die Photodetektoren 126 können ausgebildet sein, um eine Intensität des ausgangsseitigen Lichts an dem mit ihnen jeweils verbundenen Ausgang 122 zu bestimmen. Die Ausgänge 122 sind benachbart oder beabstandet zueinander an der Ausgangsseite 22 angeordnet, so dass die Empfangseinrichtung 26 basierend auf den an den Ausgängen 122 bestimmten jeweiligen Intensitäten eine lokale Intensitätsverteilung bestimmen kann. Die Photodetektoren 126 können in einem eindimensionalen Array entlang der Ausgangsseite 22, beispielsweise entlang der y-Richtung in 2, angeordnet sein. Gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 2 ist die Auswerteeinrichtung 28 ausgebildet, um den Schlüssel 12 basierend auf der lokalen Intensitätsverteilung zu erzeugen. Die Photodetektoren 126 können direkt mit dem Lichtleiter 16 verbunden sein, d.h. direkt an dem ihnen jeweils zugeordneten Ausgang 122 des Lichtleiters 16 angeordnet sein, oder mit dem ihnen jeweils zugeordneten Ausgang 122 des Lichtleiters 16 über jeweilige Wellenleiterelemente (d.h. Lichtleiterelemente) verbunden sein. Optional können diese Wellenleiterelemente ausgebildet sein um das an dem jeweiligen Ausgang 122 empfangene Licht zu bündeln, so dass ein großer Anteil des ausgangsseitigen Lichts von den Photodetektoren 126 detektiert werden kann. Die Ausgänge 122 können ferner regelmäßig oder unregelmäßig an der Ausgangsseite 22 angeordnet sein.
Die Auswerteeinrichtung 28 kann für jeden der Photodetektoren eine Schwellwertentscheidung ausführen, ob die in dem jeweiligen Photodetektor erfasste Intensität in eine binäre 0 oder eine binäre 1 zu überführen ist. Alternativ kann die Auswerteeinrichtung 28 für jeden der Photodetektoren 126 die von dem Photodetektor gemessene Intensität in ein Mehrbitsignal überführen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Auswerteeinrichtung 28 einen Bitfolgenabschnitt für den Schlüssel 12 basierend auf den gemessenen Intensitäten mehrerer der Photodetektoren bestimmen. Durch Aneinanderreihung der Schwellwertentscheidungen oder der Auswertungen der Intensitäten eines oder mehrerer der Photodetektoren kann eine Bitfolge als Schlüssel 12 erhalten werden.
Demnach kann gemäß Ausführungsbeispielen der Schlüssel 12 eine Mehrzahl von Schlüsselabschnitten umfassen, wobei jeder Schlüsselabschnitt einem der Ausgänge 122 zugeordnet ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, um jeden der Schlüsselabschnitte basierend auf der Intensität des ausgangsseitigen Lichts an dem dem Schlüsselabschnitt zugeordneten Ausgang zu bestimmen.
Alternativ sind auch andere Formen der Ableitung einer Bitfolge aus der lokalen Intensitätsverteilung möglich, um den Schlüssel 12 zu erhalten. Zusätzlich zu den beschriebenen Ableitungen der Bits ist es ebenfalls möglich, eine derart erhaltene Bitfolge weiterzuverarbeiten, etwa durch Invertierung, Kombination mit anderen Bits oder Größen oder dergleichen.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 10. Gemäß dem in 3 gezeigten Beispiel weist das MMI 14 eine Mehrzahl von MEMS-Aktuatoren 330 auf. Die Mehrzahl von MEMS-Aktuatoren 330 ist in 3 durch einen ersten MEMS-Aktuator 330₁ und einen zweiten MEMS-Aktuator 330₂ repräsentiert. Die Mehrzahl von MEMS-Aktuatoren kann aber eine beliebige Anzahl weiterer MEMS-Aktuatoren aufweisen. Die MEMS-Aktuatoren 330 sind ausgebildet, um jeweils ein bewegliches Element 38, welches einer zwischen der Eingangsseite 18 und der Ausgangsseite 22 angeordneten Oberflächenregion 132 des Lichtleiters 16 gegenüberliegend angeordnet ist, zu bewegen. Durch ein Bewegen der beweglichen Elemente 38 der MEMS-Aktuatoren 330 kann ein Abstand zwischen den jeweiligen beweglichen Elementen 38 und dem Lichtleiter 16 variiert werden, um so die Brechzahl in der Umgebung des Lichtleiters lokal zu variieren. Beispielsweise kann durch Bewegen eines beweglichen Elements 38₁ des MEMS-Aktuators 330₁ ein Abstand 334₁ zwischen dem beweglichen Element 38₁ und dem Lichtleiter 16 variiert werden, um so die Brechzahl in einem Bereich 24₁ in der Umgebung 20 des Lichtleiters 16 zu variieren. Analog dazu kann durch Bewegen des beweglichen Elements 38₂ des zweiten MEMS-Aktuators 330₂ ein Abstand 334₂ zwischen dem beweglichen Element 38₂ und dem Lichtleiter 16 variiert werden, um so die Brechzahl in einem Bereich 24₂ in der Umgebung 20 des Lichtleiters zu variieren. Die Bereiche 24₁ und 24₂ können Beispiele des zuvor beschriebenen Bereichs 24 sein. In anderen Worten, kann jeder der MEMS-Aktuatoren 330 ausgelegt sein, um die Brechzahl in einem ihm zugeordneten Bereich 24 durch Ändern eines Abstands zwischen dem beweglichen Element 38 des MEMS-Aktuators 330 und dem Lichtleiter 16 zu variieren.
Beispielsweise wird durch eine Veränderung des Abstands 334₁ ein Spalt, welcher zwischen dem Lichtleiter 16 und dem beweglichen Element 38₁ angeordnet ist, verändert. Ein in dem Spalt befindliches Medium kann eine ersten Brechzahl n₁ aufweisen. Bei Beispielen kann dies Luft oder ein anderes Gas sein und eine Brechzahl von 1 oder nahe 1 aufweisen. Das bewegliche Element 38₁ kann, zumindest in einem Teilbereich, welcher in zumindest einem Positionierungszustand des beweglichen Elements 38₁ innerhalb der Umgebung 20 angeordnet ist, ein Material aufweisen, welches eine Brechzahl n₂ aufweist. Der Brechzahl n₂ kann von der Brechzahl n₁ des Mediums in dem Spalt verschieden sein, so dass durch eine Veränderung des Spalts zwischen dem Lichtleiter und dem beweglichen Element 38 die Brechzahl n des Bereichs 24₁, beispielsweise eine über den Bereich 24₁ gemittelte Brechzahl, geändert werden kann.
Optional weisen die beweglichen Elemente 38 jeweils eine der Oberflächenregion 132 des Lichtleiters 16 gegenüberliegende Schicht 336 auf, deren Brechzahl von 1 verschieden ist. Bei Beispielen weist die Schicht 336 eine Brechzahl von mindestens 1,3 auf. Bei weiteren Beispielen weist die Brechzahl der dem Lichtleiter gegenüberliegenden Schicht 336 eine Brechzahl in einem Bereich von 1,3 bis 3,6 auf. Die beweglichen Elemente 38 können aber alternativ auch ohne eine der Anpassung der Brechzahl dedizierten Schicht 336 ausgebildet sein.
Die MEMS-Aktuatoren 330 können ausgebildet sein, um ihr jeweiliges bewegliches Element 38 kontinuierlich zu bewegen, oder können bei alternativen Beispielen ausgebildet sein, um ihr jeweiliges bewegliches Element 38 auf diskrete Positionen einzustellen. In beiden Fällen können die MEMS-Aktuatoren 330 ausgelegt sein, um ihr jeweiliges bewegliches Element 38 auf zumindest zwei verschiedene Positionen einzustellen. Jedem Positionierungszustand eines der MEMS-Aktuatoren 330 kann eine Position des beweglichen Elements 38 des MEMS-Aktuators 330 zugeordnet sein. Zumindest in einem ersten Positionierungszustand befindet sich die das bewegliche Element 38, und falls vorhanden die Schicht 336, eines jeweiligen MEMS-Aktuators zumindest teilweise innerhalb des an den Lichtleiter 16 angrenzenden Bereichs 20 der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes des sich im Lichtleiter ausbreitenden Lichts. Beispielsweise kann sich das bewegliche Element 38, und falls vorhanden die Schicht 336, in einem zweiten Positionierungszustand des jeweiligen MEMS-Aktuators 330 zu einem geringeren Teil oder gar nicht in dem an den Lichtleiter 16 angrenzenden Bereich 20 der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes befinden. Somit ist eine Brechzahl des Bereichs 24₁ unterschiedlich, je nachdem, ob sich der MEMS-Aktuator 33₁ in dem ersten Positionierungszustand oder dem zweiten Positionierungszustand befindet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die MEMS-Aktuatoren 330 ausgebildet, um ihr jeweiliges bewegliches Element 38 abhängig von einem Stellsignal auf eine von zumindest einer ersten und einer zweiten Position einzustellen. In der ersten Position befindet sich das bewegliche Element weniger weit von dem Lichtleiter 16 beabstandet positioniert als in der zweiten Position. Beispielsweise kann die in 3 dargestellte Position des beweglichen Elements 38₁ der ersten Position entsprechen und die dargestellte Position des beweglichen Elements 38₂ der zweiten Position entsprechen.
Die Vorrichtung 10 kann eine Ansteuereinrichtung 42 aufweisen, welche ausgebildet ist, um ein digitales Eingangssignal 44 zu erhalten. Die Ansteuereinrichtung ist ausgebildet, um die MEMS-Aktuatoren 330 basierend auf dem Eingangssignal anzusteuern. Beispielsweise kann die Ansteuereinrichtung 42 jeweils ein Stellsignal für ein oder mehrere der MEMS-Aktuatoren bereitstellen, um die MEMS-Aktuatoren auf einen Positionierungszustand einzustellen. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen stellt die Ansteuereinrichtung jeweils ein Stellsignal für jeden der MEMS-Aktuatoren bereit, wie in 3 durch das Stellsignal 72, für den MEMS-Aktuator 330₁ und das Stellsignal 72₂ für den MEMS-Aktuator 330₂ gezeigt ist. Ein Positionierungsmuster der Mehrzahl von MEMS-Aktuatoren kann somit ein Muster in einer lokalen Verteilung der effektiven Brechzahl des Lichtleiters 16 erzeugen. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist jedem Positionierungsmuster der MEMS-Aktuatoren ein Muster in der lokalen Intensitätsverteilung des ausgansseitigen Lichts eindeutig oder eineindeutig zugeordnet. Dies kann bei Beispielen durch die Anordnung der beweglichen Elemente 38 erreicht werden, wie im Hinblick auf 9 ausführlicher beschrieben. Beispiele der Vorrichtung 10 können also ein elektrisches digitales Eingangssignal 44 eineindeutig in ein elektrisches digitales Ausganssignal 12 wandeln.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ansteuereinrichtung 42 ausgebildet, um basierend auf dem Eingangssignal eine Mehrzahl an Abtastzeitpunkten zu erhalten und um die MEMS-Aktuatoren, basierend auf dem Eingangssignal, für jeden Abtastzeitpunkt auf einen jeweiligen Positionszustand einzustellen um ein Positionierungsmuster der MEMS-Aktuatoren für den Abtastzeitpunkt zu erzeugen. Gemäß diesen Ausführungsbeispielen stellt die Ansteuereinrichtung 42 die Abtastzeitpunkte der Auswerteeinrichtung 28 bereit, welche die lokale Intensitätsverteilung des ausgansseitigen Lichts zu den Abtastzeitpunkten auswertet und für jeden der Abtastzeitpunkte einen Schlüsselabschnitt für den Schlüssel 12 bereitstellt. Dadurch kann mit einer vergleichsweise geringen Anzahl an MEMS-Aktuatoren ein vergleichsweise langer Schlüssel erzeugt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 10 einen mechanischen Anschlag auf, um die jeweilige erste Position der beweglichen Elemente 38 festzulegen. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 10 einen mechanischen Anschlag aufweisen, um die jeweilige zweite Position der beweglichen Elemente 38 festzulegen. Beispielsweise kann der Lichtleiter 16 als mechanischer Anschlag für die erste Position dienen. Weitere vorteilhafte Beispiele für die Anordnung solcher mechanischen Anschläge werden in Bezug auf 7 und 8 weiter beschrieben.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen weisen die MEMS-Aktuatoren 330 jeweils eine Positionsbestimmungsvorrichtung auf, um eine eingestellte Position ihres jeweiligen beweglichen Elements 330 zu bestimmten. Gemäß diesen Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung 10 ausgebildet, um die für ein bewegliches Element 330 bestimmte eingestellte Position zu verwenden, um den Abstand zwischen dem beweglichen Element und dem Lichtleiter zu regeln. Beispielsweise kann die Positionsbestimmungsvorrichtung die eingestellte Position piezoresistiv oder kapazitiv bestimmen. Eine kapazitive Bestimmung der Position ist insbesondere in Kombination mit kapazitiv betriebenen MEMS-Aktuatoren vorteilhaft. Eine piezoresistive Bestimmung der Position kann eine sehr genaue Positionsbestimmung ermöglichen und insbesondere in Kombination mit Ausführungsbeispielen vorteilhaft sein, in denen die MEMS-Aktuatoren auf mehr als zwei verschiedene Positionen einstellbar sind und/oder die Positionen nicht mittels mechanischer Anschläge festgelegt sind.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind die MEMS-Aktuatoren 330 elektrostatische, elektromagnetische, piezoelektrische oder thermoelektrische Aktuatoren. Ausführungsbeispiele mit elektrostatischen Aktuatoren sind einfach zu implementieren, ermöglichen eine genaue Einstellung der Position der beweglichen Elemente und lassen sich bei Beispielen mit einer relativ niedrigen Spannung betreiben, z.B. im Vergleich zu piezoelektrischen Aktuatoren. Dadurch lassen sich die Anforderungen und die Ansteuervorrichtung 42 und ein Stromverbrauch der Vorrichtung geringhalten. Ausführungsbeispiele mit elektrostatischen MEMS-Aktuatoren sind in Bezug auf die 4 bis 8 ausführlicher beschrieben.
Optional umfasst die Vorrichtung 10 eine Lichtquelle 32, die mit einem Lichtleiter 34 verbunden ist, der konfiguriert ist, um von der Lichtquelle 32 bereitgestelltes Licht an die Eingangsseite 18 zu liefern. Alternativ kann die Lichtquelle 32 auch direkt mit der Eingangsseite 18 verbunden sein, so dass die Anordnung des Lichtleiters 34 optional ist. Bei dem Lichtleiter 34 kann es sich beispielsweise um einen Lichtwellenleiter oder dergleichen handeln, der optional ausgelegt sein kann um das Licht von der Lichtquelle 32 aufzuweiten um den Lichtleiter 16 möglichst breit auszuleuchten. Die Lichtquelle 32 kann eine beliebige Lichtquelle sein. Es kann jedoch vorteilhaft sein, dass die Detektion und/oder die Auswertung durch die Empfangseinrichtung 26 bzw. die Auswerteeinrichtung 28 basierend auf einem schmalbandigen Licht ausgeführt wird. Als schmalbandig kann beispielsweise ein Wellenlängenbereich Δλ verstanden werden, der höchstens 10 nm, bevorzugt höchstens 1 nm und besonders bevorzugt in einem Wertebereich von 1 bis 10 pm liegt. Dies kann unter der Berücksichtigung erfolgen, dass Interferenzen in dem Multimode-Interferometer bzw. dem Lichtpfad wellenlängenabhängig erzeugt werden, so dass es für eine Interferenz zwischen einzelnen Moden vorteilhaft sein kann, schmalbandiges Licht zu verwenden. Ein Auslegekriterium kann des halb sein, dass eine Kohärenzlänge des Lichtpfades so gestaltet ist, dass Interferenzen an der Ausgangsseite 22 mit einem guten Kontrast erhalten werden, so dass eine möglichst fehlerfreie Auswertung ermöglicht ist. Ebenfalls sind Beispiele mit mehreren Lichtquellen 32 möglich, welche an unterschiedlichen oder einer gemeinsamen Position an der Eingangsseite 18 eingekoppelt werden können. Die Lichtquellen können Licht verschiedener Wellenlängen bereitstellen. Da die effektive Brechzahl wellenlängenabhängig sein kann, können so mit einem Positionierungsmuster der MEMS-Aktuatoren verschieden lokale Intensitätsverteilungen an der Ausgansseite 22 erzeugt werden. Ausführungsbeispiele weisen mehrere Wellenleiter zum Einkoppeln des Lichts einer oder mehrerer Lichtquellen auf, welche symmetrisch oder asymmetrisch an der Eingangsseite 18 angebracht werden können.
Zum Erhalten des schmalbandigen Lichts kann eine schmalbandige Lichtquelle, etwa eine schmalbandige lichtemittierende Diode (LED) oder ein Laser verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Lichtquelle 32 auch einen Filter aufweisen, das konfiguriert ist, um breitbandiges oder zumindest eine höhere Wellenlängenschwankung aufweisendes Licht eines Lichterzeugungselementes zu filtern und um am Ausgang des Filters das schmalbandige bereitzustellen, das an das Multimode-Interferometer geleitet werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es ebenfalls möglich, dass die Empfangseinrichtung 26 einen derartigen Filter aufweist, das konfiguriert ist, um das beeinflusste Licht zu filtern, und um aus einem möglicherweise breitbandigen Signal an der Ausgangsseite 22 lediglich ein schmalbandiges Signal herauszufiltern, um ein schmalbandiges gefiltertes Licht an einem Filterausgang bereitzustellen. Die Auswerteeinrichtung 28 kann ausgebildet sein, um die Auswertung basierend auf dem schmalbandigen Licht auszuführen.
Die Implementierung der Lichtquelle 32 und der Filter der Lichtquelle und der Empfangseinrichtung kann unabhängig von der Implementierung des MMI 14 auch in dem Ausführungsbeispiel in 1 implementiert werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung 10 gemäß 3 ist die Vorrichtung 10 ausgebildet, um ein oder mehrere oder alle der MEMS-Aktuatoren 330 kontinuierlich zu modulieren, um das ausgangsseitige Licht kontinuierlich zu modulieren. Ferner ist die Vorrichtung 10 gemäß diesem Beispiel ausgebildet, um basierend auf einem Eingangssignal eine Mehrzahl von Abtastzeitpunkten zu bestimmen und die Auswerteeinrichtung 28 ist ausgebildet, um das ausgangsseitige Licht zu den Abtastzeitpunkten auszuwerten, um den Schlüssel 12 zu erzeugen. Beispielsweise kann die Ansteuereinrichtung 42 gemäß dieser Ausführungsform ausgebildet sein, basierend auf dem Eingangssignal 44 Abtastzeitpunkte 92, welche als optionales Element in 3 gezeigt sind, zu bestimmen, und diese der Auswerteeinrichtung 28 zur Verfügung zu stellen. Durch das Modulieren der MEMS-Aktuatoren wird das Muster der lokalen Intensitätsverteilung kontinuierlich moduliert, so dass sich die lokale Intensitätsverteilung zu zwei verschiedenen Abtastzeitpunkten unterscheiden kann. Die Auswerteeinrichtung 28 kann basierend auf der lokalen Intensitätsverteilung des ausgansseitigen Lichts zu jedem der Abtastzeitpunkte einen Beitrag für den Schlüssel 12 generieren. Beispielsweise kann die Modulation der MEMS-Aktuatoren mit einem periodischen Signal, z.B. einem Sinusförmigen Signal oder einem Dreiecksignal erfolgen. Dabei kann die Frequenz für die einzelnen MEMS-Aktuatoren individuell oder einheitlich sein, wobei bei einer einheitlichen Frequenz für die MEMS-Aktuatoren eine jeweilige Phase individuell oder einheitlich sein kann. Durch die Erzeugung des Schlüssels basierend auf Abtastzeitpunkten ist mit einer bestimmten Anzahl an MEMS-Aktuatoren, welche basierend auf dem Eingangssignal auf eine bestimmte Anzahl an Positionen einstellbar sind, ein längerer Schlüssel erzeugbar, als durch eine Ableitung eines bestimmten Positionsmusters aus dem Eingangssignal. In anderen Worten, durch Nutzung des Zeitbereichs bei gleichbleibender Anzahl von MEMS-Aktuatoren oder Detektoren kann die Schlüssellänge signifikant erhöht werden. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Ansteuereinheit 42 ausgebildet, um basierend auf dem Eingangssignal 44 die Abtastzeitpunkte 92 bereitzustellen und ferner basierend auf dem Eingangssignal 44 ein oder mehrere der MEMS-Aktuatoren 330 auszuwählen und die ausgewählten MEMS-Aktuatoren kontinuierlich zu modulieren. Somit kann der Schlüssel in Abhängigkeit der Auswahl der ausgewählten MEMS-Aktuatoren und der Abtastzeitpunkte erzeugt werden. Bevorzugt werden mehrere MEMS-Aktuatoren gleichzeitig moduliert, um eine hohe Robustheit des Schlüssels zu erreichen. Die kontinuierliche Modulation der MEMS-Aktuatoren und die Erzeugung des Schlüssels basierend auf den Abtastzeitpunkten ist mit den im Hinblick auf die 3 bis 20 beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar, wobei die beschriebenen Zusammenhänge zwischen der Länge des Eingangssignals, der Anzahl der MEMS-Aktuatoren bzw. dessen einstellbarer Positionen, der Anzahl der Photodetektoren und der Länge des Schlüssels unter Berücksichtigung der Anzahl der im Eingangssignal signalisierten Abtastzeitpunkte anders ausfallen kann. Beispielsweise kann die Ansteuereinheit basierend auf einem ersten Bitfolgenabschnitt des Eingangssignals die MEMS-Aktuatoren für die Modulation auswählen und basierend auf einem zweiten Bitfolgenabschnitt des Eingangssignals die Abtastzeitpunkte bestimmen.
4 zeigt eine schematische Aufsicht der beweglichen Elemente 38 der Mehrzahl von MEMS-Aktuatoren 330 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 4 sind die beweglichen Elemente 38_1-4 von MEMS-Aktuatoren 330_1-4 mittels Federelementen 438 an einem Rahmen 442 befestigt und somit relativ zu dem Rahmen 442 beweglich angeordnet. Der Rahmen 442 kann bezüglich des Lichtleiters 16 mechanisch fixiert sein. Die beweglichen Elemente 38_1-4 können beispielsweise mittels einer elektrostatischen Kraft bewegt werden, wie im Folgenden in Hinblick auf 5 beschrieben. Es wird angemerkt, dass beispielsweise ein Index 1-4 alle mit dem jeweiligen Referenzzeichen versehenen Elemente mit Index 1 bis Index 4 bezeichnet.
5 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines Ausführungsbeispiels des Vorrichtung 10 mit elektrostatischen MEMS-Aktuatoren. 5 kann eine Schnittansicht eines Beispiels der in 4 gezeigten Vorrichtung 10 darstellen. Gemäß dem in 5 gezeigten Beispiel weist die Vorrichtung 10 eine Mehrzahl von MEMS-Aktuatoren mit jeweiligen beweglichen Elementen 38 auf, welche in 5 durch die beweglichen Elemente 38₁, 382, 383, 38₄ repräsentiert sind. Die beweglichen Elemente 38 weisen jeweils eine elektrisch leitfähige Schicht 550 auf, welche den Lichtleiter 16 gegenüberliegend angeordnet ist. Die elektrisch leitfähige Schicht 550 ist beweglich mit einem relativ zu dem Lichtleiter 16 fixierten Träger 442 verbunden. Der Träger 442 kann zum Beispiel dem in 4 gezeigten Rahmen 442 entsprechen. Die jeweiligen leitfähigen Schichten 550 der beweglichen Elemente 38_1-4 können elektrisch isoliert voneinander sein, so dass an jede der leitfähigen Schichten eine individuelle Spannung angelegt werden kann. Die beweglichen Elemente 38 weisen ferner die Schicht 336 auf, wie im Hinblick auf 2 beschrieben. Beispielsweise ist die Schicht 336 zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht 550 und dem Lichtleiter 16 angeordnet.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 5 weist die Vorrichtung 10 ferner eine in Bezug auf den Lichtleiter 16 mechanisch fixierte und den beweglichen Elementen 38 gegenüberliegend angeordnete Elektrode 544 auf. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel ist der Lichtleiter 16 zwischen den beweglichen Elementen 38 und der Elektrode 544 angeordnet. Die Vorrichtung 10 kann ausgebildet sein, um jeweils zwischen einer der leitfähigen Schichten 550 der beweglichen Elemente 38 und der Elektrode 544 eine Spannung anzulegen. Basierend auf einer aus der Spannung resultierenden elektrostatische Kraft kann so der Abstand zwischen dem beweglichen Element 38 und der Elektrode 544, und somit dem Lichtleiter 16, eingestellt werden, und somit die Größe eines Spalts 552 (in z-Richtung) zwischen dem Lichtleiter 16 und der Schicht 336 des beweglichen Elements 38 verändert werden. Beispielsweise weisen die elektrisch leitfähigen Schichten 550 jeweils einen elektrischen Kontakt auf, an welche die Vorrichtung 10 eine für das jeweilige bewegliche Element 38 individuelle Spannung anlegen kann. Bei Beispielen wird die Spannung zwischen dem elektrischen Kontakt der elektrisch leitfähigen Schicht 550 und der Elektrode 544 angelegt. Bei alternativen Beispielen, wie in 5 gezeigt, wird die Spannung zwischen dem elektrischen Kontakt der leitfähigen Schicht 550 und einem Referenzpotenzial, beispielsweise einer Erdung, angelegt, und die Elektrode 554 ist elektrisch mit dem Referenzpotenzial verbunden. Jeder der MEMS-Aktuatoren 330 kann gemäß dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel also auf einem der beweglichen Elemente 38 und der Elektrode 544 basieren.
Optional können die beweglichen Elemente 38 eine zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht 550 und der Schicht 336 angeordnete Mantelschicht 548 aufweisen. Die Mantelschicht 548 kann eine niedrigere Brechzahl als die Schicht 336 aufweisen. Dadurch kann Licht, welches von dem Lichtleiter 16 in die Schicht 336 einkoppelt an einer Grenzfläche zwischen der Schicht 336 und der Mantelschicht 548 effizient reflektiert werden, so dass Verluste des Lichts beim Durchlaufen des Lichtleiters 16 geringgehalten werden können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 10 ferner einen an den Lichtleiter 16 angrenzenden Lichtleitermantel 517 auf. Der Lichtleitermantel 517 ist den beweglichen Elementen 38 gegenüberliegend angeordnet, so dass der Lichtleiters 16 zwischen den beweglichen Elementen und dem Lichtleiter Mantel 517 angeordnet ist. In anderen Worten, der Lichtleiter 16 kann eine erste Hauptoberfläche und eine der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche aufweisen. Der Lichtleitermantel 517 kann an die erste Hauptoberfläche des Lichtleiters 16 angeordnet sein. Die beweglichen Elemente 38 können der zweiten Hauptoberfläche des Lichtleiters 16 gegenüberliegend angeordnet sein. Der Lichtleitermantel 517 kann eine niedrigere Brechzahl als der Lichtleiter 16 aufweisen, so dass Licht, welches sich in dem Lichtleiter 16 ausbreitet, durch an der ersten Hauptoberfläche des Lichtleiters 16, das heißt an einer Grenzfläche zwischen dem Lichtleiter 16 und dem Lichtleitermantel 517, effizient reflektiert werden kann, so dass Verluste des Lichts beim Durchlaufen des Lichtleiters 16 geringgehalten werden können.
Beispielsweise kann der Lichtleitermantel 517 zwischen der Elektrode 544 und dem Lichtleiter 16 angeordnet sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Implementierung des Lichtleitermantels 517 sowie der Mantelschicht 548 der beweglichen Elemente 38 unabhängig von der Implementierung der MEMS-Aktuatoren als elektrostatische MEMS-Aktuatoren ist.
Die Vorrichtung 10 kann optional ein Substrat 552 aufweisen, welches dem Lichtleiter 16 gegenüberliegend angeordnet ist, so dass der Lichtleiter 16 zwischen den beweglichen Elementen 38 und dem Substrat 552 angeordnet ist.
6 zeigt eine schematische Aufsicht einer alternativen Ausführungsform des in 5 gezeigten Beispiels der Vorrichtung 10. Bei dieser Ausführungsform ist das Substrat 552 elektrisch leitfähig und übernimmt die Funktion der Elektrode 544. Somit ist keine zusätzliche Schicht für die Elektrode 544 notwendig. Beispielsweise kann gemäß dieser Ausführungsform das Substrat 552 ein Metall oder ein dotiertes Halbleitermaterial, beispielsweise dotiertes Silizium aufweisen.
7 zeigt eine schematische Aufsicht einer weiteren alternativen Ausführungsform des in 5 gezeigten Beispiels der Vorrichtung 10. Bei dieser Ausführungsform sind die beweglichen Elemente 38 zwischen der Elektrode 544 und dem Lichtleiter 16 angeordnet. Dadurch kann die Elektrode 544 sehr nahe an den elektrisch leitfähigen Schichten 550 der beweglichen Elemente 38 angeordnet sein. Somit können kleine Spannungen ausreichen, um den Abstand zwischen den beweglichen Elementen 38 und dem Lichtleiter 16 zu verändern.
8 zeigt eine schematische Aufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 10. Das in 8 gezeigte Ausführungsbeispiel kann optional einem der in 5 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispiele entsprechen. Gemäß dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 10 einen mechanischen Anschlag 856 auf um eine erste Position der beweglichen Elemente 38 festzulegen. Beispielsweise können die MEMS-Aktuatoren ausgebildet sein, um ihr jeweiliges bewegliches Element 38 abhängig von einem Stellsignal, die beispielsweise einer angelegten Spannung, auf eine von zumindest einer ersten und einer zweiten Position einzustellen. Bei dem in 8 gezeigten Zustand der Vorrichtung 10 kann die Position des beweglichen Elements 38₃ der ersten Position entsprechen, und die Position der beweglichen Elemente 38₄, 38₂, 38₁ der zweiten Position entsprechen. Demnach ist das bewegliche Element 38 in der ersten Position weniger weit von dem Lichtleiter beabstandet positioniert als in der zweiten Position. Gemäß 8 ist der mechanische Anschlag 856 als eine an eine erste Hauptoberfläche des Lichtleiters 16 angrenzende Schicht ausgeführt, wobei die erste Hauptoberfläche eine den beweglichen Elementen 38 zugewandte Oberflächenregion des Lichtleiters 16 ist. Durch den mechanischen Anschlag 856 kann die erste Position der beweglichen Elemente 38 präzise eingestellt werden, auch wenn das Stellsignal relativ ungenau ist, oder ein mechanischer Widerstand zum Bewegen der beweglichen Elemente 38 zwischen den beweglichen Elementen 38 oder über die Zeit variiert. Alternativ oder zusätzliche zu der in 8 gezeigten Ausführungsform kann die Vorrichtung 10 ferner einen mechanischen Anschlag für die zweite Position aufweisen. In Kombination mit der in 7 gezeigten Ausführungsform ist der mechanische Anschlag für die zweite Position beispielsweise durch eine zwischen der Elektrode 544 und den elektrischen Schichten 550 angeordnete Schicht realisierbar. In diesem Fall ist der mechanische Anschlag vorzugsweise elektrisch isolierend, und entweder mechanisch fixiert bezüglich der Elektrode 544 angeordnet kann, oder Teil der beweglichen Elemente 38.
9 zeigt eine schematische Aufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 10. Das in 8 gezeigte Ausführungsbeispiel kann optional einem der in 3 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiele entsprechen, insbesondere einem der Ausführungsbeispiele der 4 bis 8. 4 bis 8 können eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A von Beispielen der Vorrichtung 10 gemäß 9 darstellen. Gemäß dem in 9 gezeigten Beispiel weist das MMI 14 eine Anordnung beweglicher Elemente 38_1-16 auf. Bei weiteren Bespielen kann die Anzahl der beweglichen Elemente von 16 verschieden sein. Jedes der beweglichen Elemente 38_1-16 ist Teil eines ihm zugeordneten MEMS-Aktuators. Die beweglichen Elemente 38_1-16 können individuell von der Ansteuereinrichtung 42 angesteuert werden, so dass durch Einstellen individueller Abstände zwischen den jeweiligen beweglichen Elementen und dem Lichtleiter ein Muster in der lokalen Verteilung der effektiven Brechzahl des Lichtleiters 16 erzeugt werden kann. Abhängig von der lokalen Verteilung der effektiven Brechzahl des Lichtleiters 16 kann sich an der Ausgangsseite 22 ein Muster in der lokalen Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts einstellen.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind die beweglichen Elemente 38_1-16 derart angeordnet, dass einem Muster in der Ansteuerung der MEMS-Aktuatoren, und somit einem Muster in der lokalen Verteilung der effektiven Brechzahl des Lichtleiters 16 ein Muster in der lokalen Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts an der Ausgangsseite 22 ein eindeutig zugeordnet ist. Vorteilhaft für eine eindeutige Zuordnung jedes Schlüssels 12 zu einem Eingangssignal 44 bzw. einem Muster angesteuerter beweglicher Elemente 38 kann eine Asymmetrie in der Anordnung der beweglichen Elemente 38 sein. Wird beispielsweise innerhalb eines Gedankenexperiments ausschließlich das bewegliche Element 38₁₆ betrachtet, so kann eine durch seine Ansteuerung erhaltene Veränderung der lokalen Intensitätsverteilung des ausgansseitigen Lichts identisch oder zumindest nahezu identisch sein, unabhängig davon, wo sich das bewegliche Element 38₁₆ entlang der x-Richtung benachbart zu dem Lichtleiter 16 des Multimode-Interferometers 14 befindet. Dahingegen kann eine Position entlang der y-Richtung von Relevanz sein und eine veränderte Position y des bewegliche Elements 38₁₆ entlang der y-Richtung zu einer veränderten lokalen Intensitätsverteilung führen. Die Veränderung kann jedoch symmetrisch bezüglich eines Orts, an den das Licht der Lichtquelle in das Multimode-Interferometer 14 geleitet wird, sein, etwa einer Mittelachse. Eine Anordnung bei maximalem y-Wert und einer Anordnung bei minimalem y-Wert des bewegliche Elements 38₁₆ kann basierend auf einer derartigen Symmetrie zu einer identischen oder nahezu identischen lokalen Intensitätsverteilung an der Ausgangsseite 22 führen. Eine Asymmetrie der Anordnung der beweglichen Elemente entlang der Richtungen x und/oder y kann deshalb Vorteile bei der Eindeutigkeit der an der Ausgangsseite 22 erhaltenen Muster bieten.
Gemäß dem in 9 gezeigten Beispiel können die beweglichen Elemente 38_1-16 in einem zweidimensionalen Array zwischen der Eingangsseite 18 und der Ausgansseite 22 des Lichtleiters 16 angeordnet sein, und die beweglichen Elemente 38_1-16 bezüglich zumindest einer Richtung (x, y) des zweidimensionalen Arrays asymmetrisch gebildet sein. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel sind die beweglichen Elemente bezüglich beider Richtungen x und y asymmetrisch gebildet. Eindeutigkeit oder Eineindeutigkeit der lokalen Intensitätsverteilung an der Ausgangsseite 22 kann aber auch bei Beispielen erreicht werden, in denen die beweglichen Elemente 38_1-16 nur in einer der beiden Richtungen x und y asymmetrisch gebildet sind, beispielsweise in der y-Richtung Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Lichtleiter in x-Richtung eine Länge von L_x = 2 mm auf, und in y-Richtung eine Länge von L_y = 0,2 mm auf.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, welches auf einer der Ausführungsformen gemäß 5 bis 8, insbesondere auf der Ausführungsform gemäß 6, basieren kann, in Kombination mit der in 9 gezeigten Anordnung der beweglichen Elemente 38₁-₁₆, weist das Substrat 552 Silizium auf, beispielsweise mit einer Brechzahl von 3,48. Das Silizium kann dotiert sein, um als Gegenelektrode für die beweglichen Elemente zu dienen. Ferner weisen der Lichtleiter 16, welche auch als Kern bezeichnet werden kann, und Schicht 336 der beweglichen Elemente 38, auch als Aktorkern bezeichnet, Siliziumnitrid (Si₃N₄), beispielsweise mit einer Brechzahl von 1,97, auf. Ferner weisen der Lichtleitermantel 517, auch als Wellenleitermantel bezeichnet, und die Mantelschicht 548, auch als Aktormantel bezeichnet, Siliziumdioxid (SiO₂) auf, beispielsweise mit einer Brechzahl von 1,44. Der Spalt 552 kann beispielweise von Luft mit einer Brechzahl von 1 gebildet werden. Der Lichtleitermantel 517 kann eine Dicke von 3 µm aufweisen, der Lichtleiter eine Dicke von 0,22 µm, die Schicht 336 der beweglichen Elemente eine Dicke von 0,3 µm, und die Mantelschicht 548 eine Dicke von 1,5 µm. Der Rahmen 442 und die elektrisch leitfähige Schicht 550 kann eine Dicke von 75 µm aufweisen. Beispielsweise können die MEMS-Aktuatoren ausgebildet sein um den Spalt 552 auf Dicken von 0,01 µm bis 1 µm einzustellen, oder auf eine erste Dicke von 0,01 µm und eine zweite Dicke von 1 µm. Die Abhängigkeit zwischen Spaltdicke und effektiver Brechzahl des Lichtleiters 16 dieses Ausführungsbeispiels kann beispielsweise der in 20 beschriebenen Abhängigkeit folgen. Die angegebenen Dicken können sich auf jeweilige Abmessungen entlang einer Richtung von dem Lichtleiter 16 zu den beweglichen Elementen 38, beispielsweise senkrecht zu dem Lichtleiter 16 entlang der z-Richtung beziehen. Beispielsweise kann eine solche Implementierung besonders vorteilhaft in Verbindung mit einer Verwendung von Licht einer Wellenlänge von 1,55 µm sein. Andere Ausführungsbeispiele mit der genannten Materialauswahl können vorteilhaft für eine Wellenlänge des Lichts im sichtbaren (VIS) und nach einem infraroten (NIR) Spektralbereich implementiert sein, beispielsweise durch Anpassung der Dicken der einzelnen Komponenten. Weitere Ausführungsbeispiele nutzen andere Materialkombinationen.
In anderen Worten, die Vorrichtung 10 der 3 bis 9, die bei Beispielen auch als MEMS-Krypto-MMI bezeichnet werden kann, kann ein elektrisches n-Bit Eingangssignal in ein elektrisches n-Bit Ausgangssignal überführen. Bei Beispielen (vgl. z.B. 17) ist n =16. Hierzu wird kann ein n-Bit Eingangssignal in der Ansteuerelektronik 42 mittels D/A-Wandler in ein dem jeweiligen Bitwert entsprechendes Spannungssignal (digital oder analog) gewandelt werden, mit dem die zugehörigen MEMS-Aktoren angesteuert werden. Die MEMS-Aktoren können beispielsweise, wie in 4 bis 9 gezeigt, Platten 550 sein, welche mittels Federelementen 438 mit einem Rahmen 442 verbunden sind und unter der Wirkung der elektrostatischen Kraft zwischen Platten 550 und Gegenelektrode 544 zur Gegenelektrode hin ausgelenkt werden. Aufgrund der sich an den Kern 16 annähernden Platten 550, bzw. der sich darauf optional befindenden Schichten 336, wird die auf das Licht wirkende effektive Brechzahl des Kernes 16 variiert, so dass sich im MMI eine Verteilung der effektiven Brechzahl ergibt, die dem Muster der angesteuerten Aktoren 38 entspricht. Die Brechzahlverteilung innerhalb des MMIs beeinflusst, ähnlich wie bei einem Hologramm, bei dessen durchlaufen die Phase des von einem Laser in das MMI eingestrahlten Lichtes, so dass sich eine für jedes digitale Eingangssignal charakteristische Intensitätsverteilung an den Ausgangswellenleitern des MMIs einstellt. Diese Intensitätsverteilung wird schließlich mittels Fotodetektoren 126 erfasst deren Signale mittels A/D-Wandler in ein digitales Ausgangssignal überführt werden können.
Im Vergleich mit elektrooptischen Ausführungsformen von Krypto-MMIs gilt für die hierin beschriebene MEMS-Variante, dass es über dieselben für die Verschlüsselung günstige Charakteristik verfügt. Gegenüber der elektrooptischen Variante kann der Einfluss der sich an den MMI-Kern annähernden Platten auf die effektive Brechzahl des Kerns um ein bis zwei Größenordnungen größer sein, als die Wirkung des elektrooptischen Effektes, so dass das Licht am Ausgang des MMI stärker verändert bzw. die Größe des MMI reduziert werden kann. Weiterhin kann bei Beispielen durch eine Positionsdetektion mittels z.B. kapazitiven Rückmessen oder piezoresistiven Positionssensoren bzw. durch einen zusätzlichen mechanischen Anschlag (vgl. 8) der Abstand zwischen den Platte und dem Kern kontrolliert werden, so dass die herbeigeführte Änderung der effektiven Brechzahl reproduzierbar ist und keinem Drift unterliegt. Da ein Plattenhub von ca. 1 µm ausreichend sein kann, können, vergleichen mit der elektrooptischen Variante, deutlich geringere Spannungen verwendet werden, besonders im Falle einer aktornahen Gegenelektrode, wie sie in 7 gezeigt ist.
10 zeigt eine schematische Aufsicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 gemäß 10 umfasst das Multimode-Interferometer 14 mit Lichtleiter 16. Ferner umfasst die Vorrichtung 10 eine Anordnung 36 beweglicher Elemente 38_1-16 jeweiliger MEMS-Aktuatoren. Die Anordnung 36 beweglicher Elemente gemäß 10 kann der Anordnung beweglicher Elemente aus 9 entsprechen und zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform, bei der die beweglichen Elemente 38₁ bis 38₁₆ entlang beider Richtungen x und y des zweidimensionalen Arrays asymmetrisch gebildet sind. Die beweglichen Elemente 38₁ bis 38₁₆ können in Zeilen und Spalten angeordnet sein, wobei eine Zeile beispielsweise die beweglichen Elemente 38₄, 38₃, 38₂ und 38₁; 38a, 38₇, 38₆ und 38₅; 38₁₂, 38₁₁, 38₁₀ und 38₉ bzw. 38₁₆, 38₁₅, 38₁₄ und 38₁₃ aufweisen. Eine Spalte kann beispielsweise die beweglichen Elemente 38₄, 38₈, 38₁₂ und 38₁₆; 38₃, 38₇, 38₁₁ und 38₁₅; 38₂, 38₆, 38₁₀ und 38₁₄ bzw. 38₁, 38₅, 38₉ und 38₁₃ aufweisen.
Bewegliche Elemente innerhalb einer Spalte können entlang einer Spaltenrichtung, beispielsweise y, angeordnet sein. Bewegliche Elemente innerhalb einer Zeile können entlang einer Zeilenrichtung, beispielsweise x, angeordnet sein. Es versteht sich, dass durch beliebige andere Bezeichnung der Richtungen im Raum und/oder durch eine Drehung der Vorrichtung 20 im Raum eine beliebige andere Zuordnung zu den Richtungen erhalten werden kann.
Bewegliche Elemente innerhalb einer Zeile können eine voneinander verschiedene Abmessung entlang der Zeilenrichtung x aufweisen. Hierbei kann die Abmessung des jeweiligen beweglichen Elements entlang der Zeilenrichtung x eindeutig sein. Eindeutig kann sich hierbei darauf beziehen, dass jedes bewegliche Element individuell bezüglich ihrer Abmessung ausgestaltet ist und beispielsweise eine Abmessung x₁, x₂, x₃ oder x₄ aufweist, die jeweils voneinander verschieden sind. Die Eindeutigkeit kann sich jedoch auch darauf beziehen, dass die jeweilige Abmessung x₁ bis x₄ auch nicht durch eine Kombination anderer beweglicher Elemente innerhalb der jeweiligen Zeile erhalten werden kann. Die Beeinflussung des Lichts in dem Lichtpfad kann von einer räumlichen Ausdehnung der durch das elektrische Feld erzeugten Störstelle, d. h. der veränderlichen Brechzahl, abhängig sein. Durch eine derartige Eindeutigkeit, dass eine Abmessung x₁ bis x₄ nicht durch eine Kombination jeweils anderer Werte x₁, x₂, x₃ und/oder x₄ erhalten werden kann, kann vermieden werden, dass eine ähnliche Störstelle in der gleichen Zeile erhalten wird.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Abmessung von beweglichen Elementen innerhalb einer Spalte eine voneinander verschiedene und innerhalb der Spalte eindeutige Abmessung entlang der Spaltenrichtung y aufweisen.
Gemäß einem nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel kann gelten, dass $x_{1} < x_{2} < x_{3} < x_{4};$
und $y_{1} < y_{2} < y_{3} < y_{4} .$
Wird eine Abmessung entlang der jeweiligen Zeilenrichtung x oder Spaltenrichtung y zweier benachbarter beweglicher Elemente verglichen, beispielsweise ein Quotient hieraus gebildet, wobei die größere Abmessung im Zähler und die kleinere Abmessung im Nenner steht, beispielsweise y₄/y₃ für das Paar beweglicher Elemente 38₁₆;38₁₂ oder x₃/x₂ für das Paar beweglicher Elemente 38₁₅;38₁₄, so kann sich jeweils ein Quotient bilden, der einen Quotientenwert aufweist. Gemäß einer Ausführungsform kann beispielsweise gelten, dass x₄=2*x₃, x₃=2*x₂ und x₂=2*x₁ sowie y₄=2*y₃, y₃=2*y₂ und y₂=2*y₁. Hier kann beispielsweise ein Quotientenwert von 2 erhalten werden, der innerhalb jeder Zeile und jeder Spalte konstant ist. Das bedeutet, dass der Quotient der Abmessung zweier beliebiger benachbarter beweglicher Elemente entlang der Zeilenrichtung und/oder Spaltenrichtung einen einheitlichen Quotientenwert aufweisen kann. Der Quotientenwert kann beispielsweise einen Wert innerhalb eines Wertebereichs von zumindest 1,5 und höchstens 10, zumindest 2 und höchstens 8 und/oder zumindest 2 und höchstens 3 aufweisen, etwa 2. Für Quotienten mit einem Wert zwischen 1 und 2 können Werte existieren, für welche die Summe der Längen zweier beweglicher Elemente der Länge eines dritten beweglichen entspricht, was im Sinne der Eindeutigkeit vermieden werden kann. Für Werte größer oder gleich 2, ist die Länge eines dritten beweglichen Elements nicht mehr durch die Summe der Längen anderer beweglicher Elemente erreichbar, so dass Werte von zumindest 2 für den Quotienten vorteilhaft sind.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist ein Quotient der Abmessung zweier beliebiger benachbarter beweglicher Elemente 38 entlang der Zeilenrichtung (x) einen einheitlichen Quotientenwert auf. Alternativ oder zusätzlich weist ein Quotient der Abmessung zweier beliebiger Elektroden 38 entlang der Spaltenrichtung (y) den einheitlichen Quotientenwert auf. Bei einigen Beispielen weist der Quotientenwert einen Wert innerhalb eines Wertebereichs von zumindest 1,5 und höchstens 10 auf.
Obwohl die Anordnung 36 beweglicher Elemente so beschrieben ist, dass die beweglichen Elemente bzw. das Array asymmetrisch bezüglich beider Richtungen x und y gebildet sind, kann eine Asymmetrie bezüglich einer Richtung bereits ausreichend sein. Obwohl das Array der Anordnung 36 beweglicher Elemente so beschrieben ist, dass der Quotient innerhalb einer Zeile und einer Spalte konstant ist, kann gemäß anderen Ausführungsbeispielen ein Array derart gebildet sein, dass bewegliche Elemente innerhalb einer Zeile eine voneinander verschiedene und innerhalb der Zeile eindeutige Abmessung entlang der Zeilenrichtung x aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können die beweglichen Elemente innerhalb einer Spalte eine voneinander verschiedene und innerhalb der Spalte eindeutige Abmessung entlang der Spaltenrichtung y aufweisen. Alternativ hierzu ist eine symmetrische Anordnung oder Ausbildung der möglicherweise identisch gebildeten beweglichen Elemente bzw. der die Brechzahl beeinflussenden Größe erfolgen.
In einer allgemeinen Form kann die Anordnung 36 beweglicher Elemente bezüglich des zweidimensionalen Arrays so gebildet sein, dass die beweglichen Elemente 38₁ bis 38₁₆ bezüglich der Beeinflussung des durch den Lichtpfad geleiteten Lichts bezüglich zumindest einer Richtung x oder y des zweidimensionalen Arrays asymmetrisch gebildet sind. Dies kann so ausgeführt sein, dass jede Elektrode 38₁ bis 38₁₆ eine eindeutige Beeinflussung des Lichts an der Ausgangsseite 22 hervorruft. Die asymmetrische Beeinflussung des durch den Lichtpfad geleiteten Lichts bezüglich zumindest einer Richtung x oder y des zweidimensionalen Arrays kann durch voneinander verschiedene Geometrien beweglicher Elemente und/oder durch voneinander verschiedene elektrische Positionen in z-Richtung der beweglichen Elemente 38₁ bis 38₁₆ erzeugt werden.
Im Folgenden wird näher auf die Ansteuereinrichtung 42 aus 3 und deren Zusammenspiel mit den MEMS-Aktuatoren und der Erzeugung des Schlüssels 12 eingegangen, wobei die MEMS-Aktuatoren bzw. die beweglichen Elemente wie mit Bezug auf die 4 bis 10 beschrieben implementiert sein können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Eingangssignal 44 eine Bitfolge deren Länge, d.h. der Anzahl an Bits, der Anzahl an MEMS-Aktuatoren entspricht. Die Ansteuereinrichtung 42 kann ausgebildet sein, um jeden der MEMS-Aktuatoren basierend auf einem dem jeweiligen MEMS-Aktuator zugeordneten Bit der Bitfolge des Eingangssignals 44 anzusteuern, um einen Abstand des jeweiligen MEMS-Aktuators zu dem Lichtleiter 16 einzustellen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Ansteuereinrichtung 42 ausgebildet sein um die MEMS-Aktuatoren auf eine von zwei verschiedenen Positionen einzustellen. In diesem Fall kann die Ansteuereinrichtung 42 die MEMS-Aktuatoren optional mit einem jeweiligen digitalen Stellsignal ansteuern, oder alternativ mit einem analogen Stellsignal. Besonders vorteilhaft lässt sich dieses Ausführungsbeispiel mit der Implementierung des mechanischen Anschlags 856 für zumindest eine, oder beide, der zwei Positionen realisieren. Durch die Zuordnung jeweils eines Bits der Bitfolge zu einem der MEMS-Aktuatoren kann in diesem Ausführungsbeispiel eine eindeutige oder eineindeutige Zuordnung zwischen der Bitfolge des Eingangssignals 44 und einer lokalen Verteilung der effektiven Brechzahl des Lichtleiters 16 erreicht werden. In Kombination mit einer asymmetrischen Anordnung der beweglichen Elemente 38, kann ferner eine eindeutige oder eineindeutige Zuordnung zwischen der Bitfolge und der lokalen Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts erreicht werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel beinhaltet das Eingangssignal 44 eine Bitfolge und die Ansteuereinrichtung 42 ist ausgebildet, um basierend auf jedem einer Mehrzahl von Bitfolgenabschnitten der Bitfolge ein oder mehrere der MEMS-Aktuatoren anzusteuern. In anderen Worten, die Bitfolge kann eine Mehrzahl von Bitfolgenabschnitten aufweisen, die jeweils einem oder mehreren der MEMS-Aktuatoren zugeordnet sind. Die Ansteuereinrichtung 42 kann ausgebildet sein um die MEMS-Aktuatoren basierend auf dem ihnen jeweils zugeordneten Bitfolgenabschnitt auf eine von mehr als zwei verschiedenen Positionen einzustellen. Beispielsweise kann die Ansteuereinrichtung 42 basierend auf einem Bitfolgenabschnitt, welcher zwei Bits aufweist, einen MEMS-Aktuator auf eine von vier Positionen einstellen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Ansteuereinrichtung 42 die MEMS-Aktuatoren mit einem analogen Stellsignal ansteuern, beispielsweise einem Spannungssignal welches nicht notwendigerweise auf zwei Spannungswerte begrenzt ist, um die MEMS-Aktuatoren auf ihre jeweilige Position einzustellen. Die Möglichkeit, einen MEMS-Aktuator auf mehr als 2 verschiedenen Positionen einzustellen, ermöglicht eine eindeutige oder eineindeutige Zuordnung zwischen der Bitfolge und der lokalen Verteilung der effektiven Brechzahl des Lichtleiters 16, auch wenn die Anzahl der MEMS-Aktuatoren geringer ist als die Anzahl der Bits der Bitfolge. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann optional die Auswerteeinrichtung 28 ausgebildet sein, um eine von einem der Photodetektoren 26_1-2 der Empfangseinrichtung 26 bestimmte Information über Intensität des ausgangsseitigen Lichts an einem der Ausgänge 28_1-2 in einen Bitfolgenabschnitt, welcher mehrere Bits aufweist, für den Schlüssel 12 zu überführen.
Bei Beispielen kann die Ansteuereinrichtung 42 ein oder mehrere Digital-Analog-Wandler aufweisen, um jeweils ein analoges Stellsignal für jeden der MEMS-Aktuatoren bereitzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ansteuereinrichtung 42 mehrere der MEMS-Aktuatoren mit einem gemeinsamen Stellsignal ansteuern. Dadurch können komplexe Muster in der lokalen Verteilung der effektiven Brechzahl des Lichtleiters 16 erreicht werden und somit die Robustheit des Schlüssels 12 erhöht werden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht die Länge der Bitfolge des Eingangssignals 44 der Länge der Bitfolge für den Schlüssel 12. Wie zuvor beschrieben, kann dabei optional die Anzahl der MEMS-Aktuatoren der Anzahl der Bitfolgen des Eingangssignals 44 und des Schlüssels 12 entsprechen. Die Anzahl der MEMS-Aktuatoren kann aber auch geringer sein als die Anzahl der Bits der Bitfolge, insbesondere bei Ausführungsbeispielen, bei denen die MEMS-Aktuatoren auf mehr als 2 verschiedenen Positionen einstellbar sind. In weiteren Beispielen kann die Anzahl der MEMS-Aktuatoren größer sein als die Anzahl der Bits der Bitfolge, insbesondere bei Ausführungsbeispielen, bei denen mehrere MEMS-Aktuatoren mit einem gemeinsamen Stellsignal angesteuert werden.
In anderen Worten überführt ein vorgeschlagenes kryptographisches Multimode-Interferometer (Krypto-MMI) ein elektrisches n-Biteingangssignal in ein elektrisches m-Bitausgangssignal, wobei gelten kann, dass n ≥ m und mithin n = m, beispielsweise n, m = 16. Beispielsweise wird zunächst jedes Bit des n-Biteingangssignals mittels der Ansteuerelektronik in einem dem jeweiligen Bitwert entsprechenden Spannungswert gewandelt, mit welchem ein dem jeweiligen Bit zugeordneter MEMS-Aktuator auf einen jeweiligen Positionszustand eingestellt wird. Wie es anhand der 2, 3 und 5 bis 8, die einen Schnitt durch das MMI zeigen, ersichtlich ist, ändert sich aufgrund der Positionen der beweglichen Elemente der MEMS-Aktuatoren lokal die effektive Brechzahl in dem Lichtleiter 16, so dass sich im MMI eine Brechzahlverteilung ergibt, die sich aus der Gesamtheit der angesteuerten MEMS-Aktuatoren ergibt. Die Brechzahlverteilung innerhalb des MMIs beeinflusst, ähnlich wie bei einem Hologramm, bei dessen Durchlaufen die Phase des von einem Laser (Lichtquelle) in das MMI eingestrahlten Lichts, so dass sich für jedes digitale Eingangssignal eine charakteristische Intensitätsverteilung am Ausgang des MMIs einstellt. Diese Intensitätsverteilung am Ausgang des MMIs wird durch eine Vorrichtung zur Detektion (Empfangseinrichtung) erfasst und mittels einer Auswerteelektronik (Auswerteeinrichtung) in ein n-Bit Ausgangssignal überführt. Ein derartiges MMI zeigt eine für die Verschlüsselung günstige Charakteristik. So ist bei geeigneter Wahl der Form und Anordnung der beweglichen Elemente die Überführung des Eingangssignals in das Ausgangssignal eindeutig. Dies kann durch eine asymmetrische Anordnung der beweglichen Elemente erhalten werden. Die Transferfunktion ist damit mittels statistischer Methoden nicht extrapolierbar. Des Weiteren sind Rechenmodelle des Krypto-MMI zu ungenau und/oder zu rechenaufwendig, um dessen Verhalten abzubilden.
11 zeigt eine schematische Darstellung der Ausgangsseite 22, die in voneinander verschiedene Teilbereiche 54₁ bis 54₁₆ unterteilt ist. Die Ausgangsseite 22 kann eine Querschnittsfläche des Lichtleiters 16 sein, beispielsweise eine Fläche in der z-y-Ebene, die bezüglich der lokalen Intensitätsverteilung des ausgansseitigen Lichts ausgewertet wird. Die Auswerteeinrichtung 28 der Vorrichtung 10 kann ausgebildet sein, um die lokale Intensitätsverteilung in voneinander verschiedenen Teilbereichen 54₁ bis 54₁₆ der Ausgangsfläche 22 auszuwerten. Der erzeugte Schlüssel 12 kann eine Mehrzahl von Schlüsslabschnitten aufweisen. Jeder Schlüsselabschnitt kann zumindest ein Bit umfassen aber auch eine höhere Anzahl von Bits. Beispielsweise umfasst der Schlüssel 12 eine Anzahl von 16 Bits B₁ bis B₁₈. Jeder Schlüsselabschnitt B₁ bis B₁₆ kann einem Teilbereich 54₁ bis 54₁₆ zugeordnet sein, das bedeutet, basierend auf der lokalen Auswertung jedes Teilbereichs 54₁ bis 54₁₆ können zumindest ein Bit an Informationen für den Schlüssel 12 abgeleitet werden. Wird für jeden Teilbereich 54₁ bis 54₁₆ beispielsweise eine binäre Schwellwertentscheidung vorgenommen, so kann für jeden Teilbereich 54₁ bis 54₁₆ ein Bit an Information gewonnen werden. Erfolgt eine mehrstufige Schwellwertentscheidung, so kann auch eine höhere Anzahl von Bits je Teilbereich angeordnet werden.
Obwohl die Ausgangsseite 22 als Rechteck dargestellt ist, kann sie eine beliebige andere Form aufweisen, etwa rund, elliptisch, polygon, als Freiformfläche oder als eine Kombination hiervon. Jeder der Teilbereiche 54₁ bis 54₁₆ kann rund, eckig, polygon, elliptisch oder als Freiformfläche gebildet sein und kann eine gleiche oder von anderen Teilbereichen verschiedene Abmessung aufweisen. Insbesondere können eine Position und Art und Form der Teilbereiche 54₁ bis 54₁₆ an die erhaltenen Lichtmuster angepasst werden.
Obwohl die Teilbereiche 54₁ bis 54₁₆ so dargestellt sind, dass sie ein einzeiliges Array an der Ausgangsseite 22 bilden, kann eine beliebige Anordnung gewählt werden, etwa ein zwei- oder mehrzeiliges Array oder eine beliebige andere geometrische Anordnung, die in Übereinstimmung mit den zu erfassenden Effekten an der Ausgangsseite 22 steht.
Obwohl die Teilbereiche 54₁ bis 54₁₆ symmetrisch bezüglich der Ausgangsseite 22 angeordnet dargestellt sind, können diese in weiteren Beispielen asymmetrisch angeorndet sein. Allgemein können die mit den Photodetektoren 126, 78 verbundenen Ausgänge an der Ausgangsseite 22 aus 2 und 17 symmetrisch oder asymmetrisch bezüglich der Ausgansseite angeordnet sein. Durch eine asymmetrische Anordnung kann Eindeutigkeit bei Beispielen auch dann erreicht werden, wenn die Anordnung 36 der beweglichen Elemente 38 symmetrisch ausgebildet ist.
Wie es im Zusammenhang mit den 1 bis 10 erläutert ist, kann die Vorrichtung 10 ausgebildet sein, um die effektive Brechzahl des Lichtpfads 16 basierend auf einer Bitfolge in dem Eingangssignal 44 zu variieren. Das Eingangssignal 44 kann eine erste Anzahl von Bits aufweisen, beispielsweise 16. Die Auswerteeinrichtung kann ausgebildet sein, um für den Schlüssel 12 eine Bitfolge mit einer korrespondierenden Anzahl von Bits für den Schlüssel 12 bereitzustellen.
12 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel, die mit einer weiteren Vorrichtung 57 kommuniziert. Die Vorrichtung 40 kann ähnlich aufgebaut sein wie die Vorrichtung 10 oder dieser entsprechen und kann einen physikalischen oder logischen Signaleingang 56 aufweisen. An dem Signaleingang 56 kann die Vorrichtung 40 drahtlos oder drahtgebunden eine Bitfolge empfangen, die beispielsweise das Eingangssignal 44 umfasst. Die Vorrichtung 40 kann einen logischen oder physikalischen Signalausgang 58 aufweisen und konfiguriert sein, um unter Verwendung des Signalausgangs 58 den Schlüssel 12 zu senden. Der Signaleingang 56 und der Signalausgang 58 können Teile von getrennten oder einer gemeinsamen Kommunikationsschnittstelle sein. Die Vorrichtung 57 kann ausgebildet sein, um das Eingangssignal 44 an die Vorrichtung 40 zu senden. Basierend hierauf kann die Vorrichtung 40 den Schlüssel 12 erstellen und diesen an die Vorrichtung 57 zurücksenden. Die Vorrichtung 57 kann aufbauend hierauf überprüfen, ob die Vorrichtung 40 das gemeinsame Geheimnis (shared secret) kennt, um basierend auf der Eingangsinformation des Eingangssignals 44 den passenden Schlüssel 12 zu erzeugen. Anstelle des Schlüssels 12 kann die Vorrichtung 40 auch ausgebildet sein, um eine unter Verwendung des Schlüssels 12 codierte oder decodierte Nachricht an die Vorrichtung 57 zu senden. In diesem Fall kann die verschlüsselte oder unverschlüsselte Nachricht das geteilte Geheimnis sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 40 ausgebildet sein, um das Eingangssignal 44 mit dem Signalausgang 58 zu versenden und um ansprechend hierauf den Schlüssel 12 zu empfangen. Die Vorrichtung 40 kann somit ausgebildet sein, um die Bitfolge des Eingangssignals 44 an dem Signalausgang 58 bereitzustellen und kann an dem Signaleingang 56 ein Eingangssignal empfangen, das einen Referenzschlüssel, den Schlüssel 12, aufweist. Die Vorrichtung 40 kann in diesem Fall ausgebildet sein, um den Referenzschlüssel mit dem selbstgenerierten Schlüssel zu vergleichen, und um basierend auf einem Vergleichsergebnis eine Identität der Vorrichtung 57 zu bewerten.
Unter erneuter Bezugnahme auf die 1 bis 3 und 10 kann die Vorrichtung 10 ausgebildet sein, um in zeitlich unterschiedlichen Zeitintervallen ein erstes und ein hiervon verschiedenes zweites Licht durch den Lichtpfad zu leiten. Bei den voneinander verschiedenen Licht-Einstellungen kann es sich beispielsweise um eine voneinander verschiedene Wellenlänge handeln. Basierend auf jeder voneinander verschiedenen Wellenlänge kann ein voneinander verschiedenes Interferenzmuster, d.h. eine voneinander verschiedene lokale Intensitätsverteilung, an der Ausgangsseite 22 des Lichtpfades erhalten werden, so dass basierend auf unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedliche Schlüssel von der Auswerteeinrichtung 28 bereitgestellt werden können. Die Auswerteeinrichtung kann konfiguriert sein, um die so erhaltenen Schlüssel zu einem Gesamtschlüssel zu kombinieren, etwa durch Aneinanderfügen oder Miteinanderverknüpfen der einzelnen Bits.
Ebenfalls mit Bezug auf die 1 bis 3 und 10, kann die Einkopplung des Lichts an der Eingangsseite 18 des Lichtleiters 16 bezüglich der y-Richtung, bzw. einer Richtung entlang derer die Photodetektoren 126 angeordnet sein können, an zentraler Position der Eingangsseite 18 erfolgen, oder alternativ an einer von der zentralen Position abweichenden Position. Durch eine von der zentralen Position abweichenden Position kann eine Asymmetrie in der lokalen Intensitätsverteilung an der Ausgnagsseite 22 erreicht werden, selbst wenn die Anordnung 36 der beweglichen Elemente 38 symmetrisch ausgebildet ist. Dies trifft auch auf Ausführungsbeispiele mit mehreren Lichtquellen 32 zu. Diese können symmetrisch oder asymmetrisch an der Eingangsseite 18 eingekoppelt werden.
13 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung 36a beweglicher Elemente 38_1-256 eines Multimode-Interferometers 14a, wie es in erfindungsgemäßen Vorrichtungen 10 eingesetzt werden kann. Die Anordnung 36a beweglicher Elemente umfasst eine Anzahl von zumindest 256 beweglicher Elemente, die in vier Spalten angeordnet sind, wobei die Abmessungen der beweglichen Elemente innerhalb der jeweiligen Spalte gleich ist und abhängig von der Spalte x₁, x₂, x₃ oder x₄ betragen kann. Eine Anzahl von 256 beweglichen Elemente kann beispielsweise mittels eines zumindest 256 Bit umfassenden Signals angesteuert werden. Eine andere Anzahl von beweglichen Elementen kann ohne Einschränkung verwendet werden, etwa mehr als 10, mehr als 50, mehr als 100 oder mehr als 256. Die beweglichen Elemente einer Zeile, beispielsweise die beweglichen Elemente 38₁, 38₂, 38₃ und 38₄ können somit unterschiedliche Abmessungen der x-Richtung und gleiche Abmessungen entlang der y-Richtung aufweisen. Ferner können die beweglichen Elemente innerhalb einer Spalte, beispielsweise die beweglichen Elemente 38₄, 38₈, 38₁₂, ..., 38₂₅₆ eine gleiche Abmessung entlang der y-Richtung aufweisen, etwa die Abmessung y₁. Das bedeutet, verglichen mit der 2a kann die Asymmetrie auch lediglich einer der Richtungen x oder y vorherrschen. Optional können die beweglichen Elemente 38₄, 38₈, 38₁₂, ..., 38₂₅₆ zwar die selbe Breite aufweisen, aber bezogen auf das MMI immer noch asymmetrisch angeordnet sein, etwa durch Versatz oder eine unterschiedliche Abmessung in y₁ oder dergleichen.
Gemäß Ausführungsbeispielen, wie den in 9, 10 und 13 gezeigten, ist die Vorrichtung 10 also konfiguriert, um eine asymmetrische lokale Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts an der Ausgangsseite 22 durch bezüglich zumindest einer Richtung (x, y) des zweidimensionalen Arrays asymmetrische Geometrien der beweglichen Elemente 38 und/oder durch voneinander verschiedene elektrische Abstände der beweglichen Elemente zu dem Lichtleiter 16 zu erzeugen.
14 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung beweglicher Elemente 36b eines Multimode-Interferometers 14b, wie es in der Vorrichtung 10 gemäß hierin beschriebener Ausführungsbeispiele eingesetzt werden kann. Die beweglichen Elemente 38₁, bis 38₁₆ sind bezüglich ihrer Oberflächengeometrie asymmetrisch und weisen jeweils eine Freiformfläche auf. Längen (Abmessung entlang x-Richtung) und Breiten (Abmessung entlang y-Richtung) der beweglichen Elemente können innerhalb der beweglichen Elemente individuell variieren und zu einer individuellen Oberflächengeometrie des jeweiligen beweglichen Elements 38₁ bis 38₁₆ führen.
15 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung 36c beweglicher Elemente eines Multimode-Interferometers 14c, wie es in der Vorrichtung 10 gemäß hierin beschriebener Ausführungsbeispiele eingesetzt werden kann. Die Anordnung 36c beweglicher Elemente weist bezüglich der verwendeten Geometrie symmetrische bewegliche Elemente 38₁ bis 38₁₂ auf. Die beweglichen Elemente 38₁ bis 38₁₂ können in einer Anzahl von Zeilen 62₁ bis 62₃ angeordnet sein, beispielsweise drei. Die Zeilen 62₁ bis 62₃ können symmetrisch bezüglich einer axialen Symmetrieachse 64 angeordnet sein, die beispielsweise einen mittleren Lichtausbreitungspfad des Lichtpfades 16 beschreiben kann. So können die Zeilen 62₁ und 62₃ zwar abseits der Symmetrieachse 64 angeordnet sein aber bezüglich der Breiten der beweglichen Elemente, d. h. Ausdehnung entlang der y-Richtung eine identische Abmessung y₁ aufweisen. Ferner können Zeilen 62₁ und 62₃ mit einem gleichen Abstand zu der Symmetrieachse 64 auf beiden Seiten derselben angeordnet sein. Die Zeile 62₂ kann beispielsweise auf und mithin symmetrisch zu der Symmetrieachse 64 angeordnet sein und eine gleiche Abmessung entlang der y-Richtung oder eine hiervon verschiedene Abmessung y₂ aufweisen. Die Ansteuereinrichtung 42 kann ausgebildet sein, um die beweglichen Elementen der Zeilen 62₁ und 62₃ beispielsweise auf voneinander verschiedene Abstände zu dem Lichtleiter 16 einzustellen, um so eine Asymmetrie zu erhalten. Das bedeutet, dass die beweglichen Elemente 38₁ bis 38₁₂ auch geometrisch symmetrisch gebildet sein können und eine Asymmetrie mit einer asymmetrischen Ansteuerung der beweglichen Elemente erhalten werden kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen, wie den in 15 und 16 gezeigten, weist das MMI 14 also eine Anordnung 36 einer Mehrzahl von räumlich getrennten beweglichen Elementen 38 auf, die in Zeilen 62 und Spalten 66 eines zweidimensionalen Arrays angeordnet sind. Dabei können bewegliche Elemente 38 innerhalb einer Zeile 62 eine voneinander verschiedene Abmessung entlang einer Spaltenrichtung (y) und innerhalb der Zeile eindeutige Abmessung (_X1, x₄) entlang einer Zeilenrichtung (x) aufweisen, und/oder innerhalb einer Spalte 66 eine voneinander verschiedene Abmessung entlang einer Zeilenrichtung (x) und innerhalb der Spalte (66) eindeutige Abmessung entlang einer Spaltenrichtung (y) aufweisen.
16 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung beweglicher Elemente 36d eines Multimode-Interferometers 14d, wie es in Vorrichtungen 10 gemäß Ausführungsbeispielen eingesetzt werden kann.
Die beweglichen Elemente 38₁ bis 38₂₅₅ können in einem zweidimensionalen Array mit Zeilen und Spalten angeordnet sein, wobei sämtliche beweglichen Elemente eine gleiche Abmessung entlang der x-Richtung, d. h. x₁ und entlang der y-Richtung, d. h. y₁ aufweisen können. Eine Asymmetrie kann durch eine elektrisch voneinander verschiedene Ansteuerung der beweglichen Elemente 38₁ bis 38₂₅₅ erhalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Asymmetrie dadurch erhalten werden, dass die beweglichen Elemente asymmetrisch bezüglich der Symmetrieachse 64 angeordnet werden. Es kann ausreichend sein, lediglich die beweglichen Elemente in unterschiedlichen Spalten 66₁ bis 66₄ auf verschiedene Positionen bzgl. der z-Richtung einzustellen.
Es können weitere bewegliche Elemente angeordnet sein, etwa symmetrisch bezüglich der dargestellten beweglichen Elemente 38₁ bis 38₂₅₆ und bezogen auf die Symmetrieachse 64. In diesem Fall kann es ebenfalls vorteilhaft sein, die dann symmetrisch zusätzlich angeordneten beweglichen Elemente auf unterschiedliche z-Positionen, d.h. Abstände zu dem Lichtleiter 16 einzustellen, insbesondere bezüglich eines hierzu symmetrischen beweglichen Elements innerhalb derselben Spalte 66₁ bis 66₄.
In anderen Worten können bewegliche Elemente entsprechend ihren Zeile auf unterschiedliche Abstände zu dem Lichtleiter eingestellt werden, um im Fall der 15 die Symmetrie zu brechen und eine Asymmetrie zu erhalten. Im Fall der 16 können entsprechend Ihrer Spalte bewegliche Elemente auf unterschiedliche, beispielsweise zunehmende, Abstände zu dem Lichtleiter 16 eingestellt werden, was einen ähnlichen oder gleichen Effekt erzeugen kann, wie länger werdende bewegliche Elemente entlang der negativen x-Richtung in 10.
17 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel, die ähnlich aufgebaut sein kann, wie die Vorrichtung 10 oder dieser entsprechen kann. Die Vorrichtung 60 kann eine Ansteuereinrichtung 42' aufweisen, die konfiguriert ist, um basierend auf dem Eingangssignal 44 mit einer Anzahl von beispielsweise 16 Bits eine korrespondierende Anzahl von Digital-Analog-Wandlern 68₁ bis 68₁₆ anzusteuern, deren analoge Ausgangssignale 72₁ bis 72₁₆ verwendet werden, um die beweglichen Elemente 38₁ bis 38₁₆ anzusteuern. An der Ausgangsseite 22 können Wellenleiter 74₁ bis 74₁₆ mit dem Multimode-Interferometer 14 verbunden sein und ausgebildet sein, um jeweils ein Lichtsignal von der Ausgangsseite 22 auszukoppeln. Beispielsweise kann jeweils einer der Wellenleiter 74₁ bis 74₁₆ mit einem Teilbereich 54₁ bis 54₁₆ gemäß 11 verbunden sein. Eine Berechnungseinrichtung 76 der Vorrichtung 60 kann die Empfangseinrichtung 26 aufweisen, die beispielsweise ein Array von Photodetektoren 78₁ bis 78₁₆ aufweisen kann, um jeweils eines der Signale der Wellenleiter 74₁ bis 74₁₆ zu empfangen Die Photodetektoren 78₁ bis 78₁₆ können optional den Photodetektoren 126 wie im Hinblick auf 2 beschrieben entsprechen. Alternativ kann auch eine geringere Zahl von Photodetektoren angeordnet sein und diese beispielsweise in einem Zeitmultiplex genutzt werden.
Die Berechnungseinrichtung 76 kann eine Anzahl von Analog-Digital-Wandlern 82₁ bis 82₁₆ aufweisen, von denen jeweils einer mit einem Photodetektor 78₁ bis 78₁₆ gekoppelt sein kann, wobei auch hier Multiplex-Konzepte zum Einsatz kommen können. Basierend auf einer Wandlung des Lichtsignals eines einzelnen Wellenleiters 74₁ bis 74₁₆ bzw. eines Teilbereichs kann jeweils ein Bit B₁ bis B₁₆ des Schlüssels 12 erhalten werden.
Das Bilden der Bits B₁ bis B₁₆ kann in der Berechnungseinrichtung erfolgen, die die Bitwerte zusammensetzen kann.
18 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung 70 gemäß einem Ausführungsbeispiel, die zumindest ein erstes Multimode-Interferometer 14₁ und ein zweites Multimode-Interferometer 14₂ aufweist, die jeweils gleich oder verschieden voneinander gebildet sein können und jeweils beispielsweise gemäß den Erläuterungen im Zusammenhang mit dem Multimode-Interferometer 14, 14a, 14b, 14c und/oder 14d gebildet sein können. Das Multimode-Interferometer 14₁ ist an seiner Eingangsseite 18₁ mit einer Ausgangsseite 22₂ des Multimode-Interferometers 14₂ gekoppelt, wobei das Multimode-Interferometer 14₁ die Interferenzmuster an der Ausgangsseite 22₂ teilweise oder vollständig erhalten kann. Eine Verbindung zwischen der Ausgangsseite 22₂ und der Eingangsseite 18₁ kann über Wellenleiter 74 erfolgen. Das bedeutet, dass das Multimode-Interferometer 14₁ bereits beeinflusstes Licht als Eingangssignal erhalten kann und dieses Licht weiter beeinflussen kann. Ein oder mehrere weitere Multimode-Interferometer 14₃ können optional angeordnet sein und parallel zu dem Multimode-Interferometer 14₁ angeordnet sein. Beispielsweise kann das Multimode-Interferometer 14₃ einen anderen Anteil der lokalen Intensitätsverteilung erhalten als das Multimode-Interferometer 14₁, etwa basierend auf voneinander verschiedenen Teilbereichen 58 gemäß 3. Das dritte Multimode-Interferometer 14₃, das parallel zu dem ersten Multimode-Interferometer 14₁ mit dem Ausgang des Lichtleiters 16 gekoppelt sein kann, kann deshalb ausgebildet sein, um eine von dem ersten Multimode-Interferometer 14₁ verschiedene lokale Intensitätsverteilung des Lichtpfades zu erhalten. Das bedeutet, dass unterschiedliche Teilbereiche der Ausgangsseite 22₂ mit unterschiedlichen Eingangsseiten 18₁ oder 18₃ unterschiedlicher Multimode-Interferometer gekoppelt sein können. In anderen Worten zeigt 18 eine Kaskadierung von Multimode-Interferometern.
19 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung 80 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der das Multimode-Interferometer 14₁ verschachtelt in einem weiteren Multimode-Interferometer 14₂ angeordnet ist. Das Multimode-Interferometer 14₁ kann so gebildet sein, dass der Lichtpfad zwei oder mehr Ausgänge 84₁ bis 84₃ aufweist. Diese können basierend auf voneinander verschiedenen Teilbereichen der Ausgangsseite 22 verschiedene räumliche Intensitätsverteilungen des Lichtpfades ausgeben und an unterschiedlichen lateralen Stellen mit einem Eingang des Multimode-Interferometer 14₂ koppeln bzw. in dessen Lichtpfad 16₂ einkoppeln. Das bedeutet, dass an lateral unterschiedlichen Stellen des Lichtpfades 16₂ des äußeren Multimode-Interferometers 14₂ unterschiedliche räumliche Intensitätsverteilungen des inneren Multimode-Interferometers 14₂ eingekoppelt werden können. Der Lichtpfad 16₂ kann durch ein eigenes Array oder eine eigene Anordnung beweglicher Elemente 36₂ angesteuert werden, um eine Beeinflussung der Teilsignale, die von den Ausgängen 64₁ bis 84₃ erhalten werden, auszuführen. Die Position der Ankoppelung des Wellenleiters an das jeweilige Multimode-Interferometer kann variiert werden und kann mittig sein, wobei dies nicht erforderlich ist.
Die Vorrichtungen 70 und 80, d. h. die Kombination mehrerer Multimode-Interferometer ermöglicht es, eine Robustheit der Schlüssel zu erhöhen, da die mögliche Beeinflussung und mithin die zu berücksichtigenden Rechenoperationen ansteigen und eine Nachbildung oder Extrapolation des Schlüssels entsprechend aufwendiger wird.
Obwohl die serielle Hintereinanderschaltung bzw. Kaskadierung von MMI in 18 und die Verschachtelung in 19 als voneinander getrennte Ausführungen beschrieben sind, können beide auch kombiniert miteinander angeordnet werden, das bedeutet, kaskadierte MMIs können verschachtelt werden und/oder verschachtelte MMIs können kaskadiert werden.
20 zeigt ein Diagramm mit einem Beispiel einer Abhängigkeit der effektiven Brechzahl n_eff des Lichtleiters 16 von der Dicke d eines Luftspalts zwischen dem Lichtleiter 16 und einem dem Lichtleiter gegenüberliegend angeordneten beweglichen Element 38.
Ausführungsbeispiele umfassen neben der Anwendung eines Multimode-Interferometers auch Multimode-Interferometer, die in Abwesenheit eines Wellenleiters mit der Lichtquelle, etwa einem Laser, verbunden sein können. Ausführungsbeispiele beziehen sich ferner auf Krypto-MMI, die nacheinander kaskadierte MMIs aufweisen, siehe Vorrichtung 70, und/oder ineinander verschachtelte MMIs aufweisen, siehe Vorrichtung 80.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen kryptographischen Hardwareschlüssel mit elektrooptisch programmierbaren Multimode-Interferometer als Kernkomponente. Die Ausführungsbeispiele ermöglichen eine Komponente, welche ein elektrisches digitales Eingangssignal eindeutig in ein elektrisches digitales Ausgangssignal wandeln kann. Hierbei kann die Methode zur Wandlung, d. h. Verschlüsselung, des Eingangssignals auf physikalischen Effekten beruhen, was gegenüber Software- oder Hardware basierten Algorithmen vorteilhaft ist. Die Ausführungsbeispiele zeigen ein elektrooptisch programmierbares Multimode-Interferometer (MMI) als Kernkomponente eines kryptographischen Hardwareschlüssels, der auch als Krypto-MMI bezeichnet werden kann.
21 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 210 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Ein Schritt 211 umfasst ein Leiten von Licht von einer Eingangsseite 18 eines Lichtleiters 16 zu einer Ausgangsseite 22 des Lichtleiters 16, um in Abhängigkeit einer Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter 16 ein ausgangsseitiges Licht an der Ausgangsseite 22 bereitzustellen. Ein Schritt 212 umfasst ein lokales Variieren einer Brechzahl in einer Umgebung 20 des Lichtleiters 16, um eine effektive Brechzahl, welche auf die Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter 16 wirkt, lokal zu variieren. Ein Schritt 213 umfasst ein Empfangen des ausgangsseitigen Lichts an der Ausgangsseite 22. Ein Schritt 214 umfasst ein Ausführen einer Auswertung basierend auf dem ausgangsseitigen Licht. Ein Schritt 215 umfasst ein Erzeugen des Schlüssels 12 basierend auf der Auswertung.
Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung als Merkmale im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass eine solche Beschreibung ebenfalls als eine Beschreibung entsprechender Verfahrensmerkmale betrachtet werden kann. Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben wurden, ist klar, dass eine solche Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale einer Vorrichtung bzw. der Funktionalität einer Vorrichtung betrachtet werden können.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Offenbarung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2019/048024 A1 [0035]

Claims

Vorrichtung (10) zum Erzeugen eines Schlüssels (12), aufweisend: ein Multimode-Interferometer (14), das mit einer Lichtquelle koppelbar ist und einen Lichtleiter (16) umfasst, wobei der Lichtleiter ausgebildet ist, um Licht an einer Eingangsseite (18) zu erhalten, und um in Abhängigkeit einer Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter (16) ein ausgangsseitiges Licht an einer Ausgangsseite (22) bereitzustellen; eine Empfangseinrichtung (26), die ausgebildet ist, um das ausgansseitige Licht an der Ausgangsseite (22) zu empfangen; und eine Auswerteeinrichtung (28), die ausgebildet ist, um eine Auswertung basierend auf dem ausgangsseitigen Licht auszuführen, und um basierend auf der Auswertung den Schlüssel (12) zu erzeugen; wobei die Vorrichtung (10) ausgebildet ist, um eine Brechzahl in einer Umgebung des Lichtleiters (16) lokal zu variieren, um eine effektive Brechzahl, welche auf die Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter (16) wirkt, lokal zu variieren.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, ausgebildet um die Brechzahl innerhalb eines an den Lichtleiter (16) angrenzenden Bereichs (20) lokal zu variieren, um die effektive Brechzahl lokal zu variieren, wobei der an den Lichtleiter (16) angrenzende Bereich ein Bereich einer Eindringtiefe eines evaneszenten Feldes des sich im Lichtleiter (16) ausbreitenden Lichtes ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Empfangseinrichtung (26) eine Mehrzahl von Photodetektoren (78, 126) aufweist, die jeweils mit einem jeweiligen Ausgang (122) des Lichtleiters (16) an der Ausgangsseite (22) verbunden sind, um eine lokale Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts an der Ausgangsseite (22) zu bestimmen, und wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, um den Schlüssel (12) basierend auf der lokalen Intensitätsverteilung zu erzeugen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei der Schlüssel (12) eine Mehrzahl von Schlüsselabschnitten umfasst, wobei jeder Schlüsselabschnitt einem der Ausgänge (122) zugeordnet ist, und wobei die Auswerteeinrichtung (28) ausgebildet ist, um jeden der Schlüsselabschnitte basierend auf der Intensität des ausgangsseitigen Lichts an dem dem Schlüsselabschnitt zugeordneten Ausgang (122) zu bestimmen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Auswerteeinrichtung (28) ausgebildet ist, um für jeden der Photodetektoren (78, 126) eine Schwellwertentscheidung auszuführen, ob eine in dem jeweiligen Photodetektor (78, 126) erfasste Größe in eine binäre 0 oder eine binäre 1 zu überführen ist, und um durch Aneinanderreihung der Schwellwertentscheidungen eine Bitfolge für den Schlüssel (12) zu erhalten.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Mehrzahl von MEMS-Aktuatoren (330) aufweist, die ausgebildet sind, um jeweils ein bewegliches Element (38), welches einer zwischen der Eingangsseite (18) und der Ausgangsseite (22) angeordneten Oberflächenregion des Lichtleiters (16) gegenüberliegend angeordnet ist, zu bewegen, um einen Abstand zwischen dem beweglichen Element (38) und dem Lichtleiter (16) zu variieren und so die Brechzahl in der Umgebung des Lichtleiters (16) lokal zu variieren.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei die MEMS-Aktuatoren (330) elektrostatische, elektromagnetische, piezoelektrische oder thermoelektrische Aktuatoren sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die beweglichen Elemente (38) der MEMS-Aktuatoren (330) in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind, wobei die beweglichen Elemente (38) bezüglich zumindest einer Richtung (x, y) des zweidimensionalen Arrays asymmetrisch gebildet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die beweglichen Elemente (38) jeweils eine der Oberflächenregion (132) des Lichtleiters (16) gegenüberliegende Schicht aufweisen, welche eine Brechzahl (n) von mehr als 1,3 aufweist, oder eine Brechzahl in einem Bereich von 1,3 bis 3,6 aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, wobei sich die Schicht zumindest in einem Positionierungszustand des jeweiligen MEMS-Aktuators (330) zumindest teilweise innerhalb eines an den Lichtleiter (16) angrenzenden Bereichs (20) einer Eindringtiefe eines evaneszenten Feldes des sich im Lichtleiter (16) ausbreitenden Lichtes befindet.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die beweglichen Elemente (38) der MEMS-Aktuatoren (330) eine elektrisch leitfähige Schicht (550) aufweisen, und wobei die Vorrichtung ferner eine in Bezug auf den Lichtleiter (16) mechanisch fixierte, den beweglichen Elementen (38) gegenüberliegend angeordnete Elektrode (544) aufweist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um jeweils zwischen einer der leitfähigen Schichten (550) und der Elektrode (544) eine elektrische Spannung anzulegen, um den Abstand (334) zwischen dem jeweiligen beweglichen Element (38) und dem Lichtleiter (16) zu variieren.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die MEMS-Aktuatoren (330) ausgebildet sind, um ihr jeweiliges bewegliches Element (38) abhängig von einem Stellsignal auf eine von zumindest einer ersten und einer zweiten Position einzustellen, wobei das bewegliche Element (38) in der ersten Position weniger weit von dem Lichtleiter (16) beabstandet positioniert ist als in der zweiten Position, wobei die Vorrichtung einen mechanischen Anschlag (856) aufweist, um die jeweilige erste Position der beweglichen Elemente (38) festzulegen und/oder wobei die Vorrichtung einen mechanischen Anschlag aufweist, um die jeweilige zweite Position der beweglichen Elemente (38) festzulegen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die MEMS-Aktuatoren (330) jeweils eine Positionsbestimmungsvorrichtung aufweisen, um eine eingestellte Position ihres jeweiligen beweglichen Elements (38) zu bestimmen, und wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um die für ein bewegliches Element (38) bestimmte eingestellte Position zu verwenden, um den Abstand zwischen dem beweglichen Element (38) und dem Lichtleiter (16) zu regeln.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei die Vorrichtung eine Ansteuereinrichtung (42) aufweist, die ausgebildet ist, um die MEMS-Aktuatoren (330) basierend auf einem Eingangssignal (44) anzusteuern, um ein Positionierungsmuster der beweglichen Elemente (38) bezüglich der Abstände der beweglichen Elemente (38) von dem Lichtleiter (16) zu erzeugen, so dass jedem Positionierungsmuster ein Muster in einer lokalen Intensitätsverteilung des ausgangsseitigen Lichts eindeutig zugeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei die Vorrichtung eine Ansteuereinrichtung (42) aufweist, welche ausgebildet ist, um ein digitales Eingangssignal (44) mit einer Bitfolge zu erhalten, wobei jedem Bit der Bitfolge einer der MEMS-Aktuatoren (330) zugeordnet ist, und wobei die Ansteuereinrichtung (42) ausgebildet ist, um jeden der MEMS-Aktuatoren (330) basierend auf dem dem MEMS-Aktuator (330) zugeordneten Bit anzusteuern.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei die Vorrichtung eine Ansteuereinrichtung (42) aufweist, welche ausgebildet ist, um ein digitales Eingangssignal (44) mit einer Bitfolge zu erhalten, welche eine Mehrzahl von Bitfolgenabschnitten umfasst, wobei jedem der Bitfolgenabschnitte ein oder mehrere der MEMS-Aktuatoren (330) zugeordnet sind, und wobei die Ansteuereinrichtung (42) ausgebildet ist, um die MEMS-Aktuatoren (330) basierend auf den ihnen jeweils zugeordneten Bitfolgenabschnitten auf eine von mehr als zwei verschiedenen Positionen einzustellen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um basierend auf einem digitalen Eingangssignal (44) mit einer Bitfolge die Brechzahl in der Umgebung des Lichtleiters (16) lokal zu variieren, und wobei die Auswerteeinrichtung (28) ausgebildet ist, um eine Bitfolge für den Schlüssel (12) bereitzustellen, wobei die Länge der von der Auswerteeinrichtung (28) bereitgestellten Bitfolge der Länge der Bitfolge des Eingangssignals (44) entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um ein oder mehrere der MEMS-Aktuatoren (330) kontinuierlich zu modulieren, um das ausgangsseitige Licht kontinuierlich zu modulieren, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um basierend auf einem Eingangssignal (44) eine Mehrzahl von Abtastzeitpunkten zu bestimmen, und wobei die Auswerteeinrichtung (28) ausgebildet ist, um das ausgangsseitige Licht zu den Abtastzeitpunkten auszuwerten, um den Schlüssel (12) zu erzeugen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtleiter (16) an der Ausgangsseite (22) eine Mehrzahl an räumlich voneinander beabstandeten Ausgängen aufweist, und wobei die Empfangseinrichtung (26) ausgebildet ist, um jeweils eine Intensität des ausgangsseitigen Lichts an den Ausgängen zu bestimmen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Lichtquelle umfasst, die mit dem Lichtleiter (16) verbunden ist und die ausgebildet ist, um das Licht auszusenden.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Empfangseinrichtung (26) einen Filter aufweist, der ausgebildet ist, um das ausgangsseitige Licht vor dem Empfangen zu filtern.
Vorrichtung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die konfiguriert ist, um an einem Signaleingang (56) ein Referenzeingangssignal zu empfangen, das einen Referenzschlüssel aufweist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um den Referenzschlüssel mit dem Schlüssel (12) zu vergleichen, und um basierend auf einem Vergleichsergebnis eine Identität eines Senders des Eingangssignals (44) zu bewerten.
Vorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Schlüssel (12) ein erster Schlüssel ist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um während eines ersten Zeitintervalls ein erstes Licht durch den Lichtpfad zu leiten, um den ersten Schlüssel zu erhalten, und um während eines zweiten Zeitintervalls ein zweites Licht durch den Lichtpfad zu leiten, um einen zweiten Schlüssel zu erhalten, wobei die Auswerteeinrichtung (28) konfiguriert ist, um den ersten Schlüssel und den zweiten Schlüssel zu einem Gesamtschlüssel zu kombinieren.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Ausgangsschnittstelle (88) aufweist, die ausgebildet ist, um den Schlüssel (12) bereitzustellen.
Vorrichtung (70, 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Multimode-Interferometer (MMI) ein erstes MMI (14₁) ist, wobei die Vorrichtung zumindest ein zweites MMI (14₂) aufweist, wobei das Licht an der Eingangsseite (18₁) des ersten MMIs (14₁) durch ein an einer Ausgangsseite (22₂) des zweiten MMIs (14₂) bereitgestelltes ausgangsseitiges Licht des zweiten MMIs (14₂) bereitgestellt wird.
Verfahren (210) zum Erzeugen eines Schlüssels (12) mit folgenden Schritten: Leiten (211) von Licht von einer Eingangsseite (18) eines Lichtleiters (16) zu einer Ausgangsseite (22) des Lichtleiters (16), um in Abhängigkeit einer Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter (16) ein ausgangsseitiges Licht an der Ausgangsseite (22) bereitzustellen; Lokales (212) Variieren einer Brechzahl (n) in einer Umgebung (20) des Lichtleiters (16), um eine effektive Brechzahl, welche auf die Ausbreitung des Lichts in dem Lichtleiter (16) wirkt, lokal zu variieren; Empfangen (213) des ausgangsseitigen Lichts an der Ausgangsseite (22); Ausführen (214) einer Auswertung basierend auf dem ausgangsseitigen Licht; und Erzeugen (215) des Schlüssels (12) basierend auf der Auswertung.