WO2022194874A1 - Device and method for generating a key - Google Patents

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WO2022194874A1
WO2022194874A1 PCT/EP2022/056715 EP2022056715W WO2022194874A1 WO 2022194874 A1 WO2022194874 A1 WO 2022194874A1 EP 2022056715 W EP2022056715 W EP 2022056715W WO 2022194874 A1 WO2022194874 A1 WO 2022194874A1
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WO
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light
light guide
key
designed
refractive index
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/056715
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Martin Blasl
Meysam NAMDARI
Jan Grahmann
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0861—Generation of secret information including derivation or calculation of cryptographic keys or passwords

Definitions

  • the device has a plurality of MEMS actuators (MEMS: micro-electro-mechanical system).
  • MEMS actuators are designed to move a movable element, which is arranged opposite a surface region of the light guide arranged between the input side and the output side, in order to vary a distance between the movable element and the light guide and thus the refractive index in the To vary locally around the light guide.
  • MEMS actuators make it possible to position the moving element precisely, quickly and in an energy-efficient manner.
  • accurate generation of the key with a high bit rate can be enabled.
  • a refractive index of a material of the movable element can differ from a refractive index of a medium located in the gap, for example air, so that by varying the gap size between the movable element and the Light guide, the refractive index can be varied in an area adjacent to the light guide and opposite the movable element.
  • the effective refractive index of the light guide can thus be varied locally, for example in an area opposite the movable element.
  • the layer of the respective MEMS actuator is at least partially within a region of a penetration depth of an evanescent field of the light propagating in the light guide adjoining the light guide in a positioning state.
  • the layer can influence the effective refractive index of the light guide in a region of the light guide opposite the layer and thus influence the propagation of the light in the light guide.
  • the control device can be configured to control each of the MEMS actuators in such a way that the MEMS actuator sets its movable element to a first position when the bit assigned to the MEMS actuator indicates a first value, and to a second Set position when the bit associated with the MEMS actuator indicates a second value. Because each bit of the bit sequence is assigned one of the MEMS actuators, the control device can be implemented very easily. In this case, for example, the control device can control the MEMS actuators with a digital signal, ie with a signal that can have two different values.
  • the device is designed to locally vary the refractive index in the vicinity of the light guide based on a digital input signal with a bit sequence.
  • the evaluation device is designed to provide a bit sequence for the key, the length of the bit sequence provided by the evaluation device corresponding to the length of the bit sequence of the input signal. The device can thus convert an n-bit input signal into an n-bit output signal. The device can thus be implemented particularly efficiently for applications which require a one-to-one conversion of the input signal into the output signal.
  • the areas in the environment 20 in which the refractive index can be individually varied can be arranged along the propagation direction from the input side 18 to the output side 22 and/or arranged next to one another in a direction perpendicular to the propagation direction (y-direction in FIG. 1). be.
  • the variation in the refractive index in the areas of the environment 20 can cause a variation in the effective refractive index in the respective areas of the Environment 20 opposite areas of the light guide 16 cause.
  • the effective refractive index of the light guide 16 can thus be varied locally.
  • the device 10 also includes an evaluation device 28 which is designed to carry out an evaluation based on the exit-side light and to generate the key based on the evaluation.
  • the evaluation device 28 can be designed to evaluate a pattern of the light on the output side 22 based on information received from the receiving device 26, for example with regard to a phase distribution, amplitude distribution and/or intensity distribution. This pattern may be translatable into the key 12 based on a predefined criterion.
  • the evaluation device 28 can optionally have an output interface 88 which is designed to provide the key 12 .
  • the device 10 is designed to locally vary the refractive index n within a region adjoining the light guide in order to locally vary the effective refractive index.
  • the area 20 shown in FIG. 1 can represent the area adjoining the light guide 16 .
  • the region 20 adjoining the light guide is a region of penetration depth of an evanescent field of the light propagating in the light guide.
  • the light guide 16 can have a surface region 132 connecting the input side 18 and the output side 22 and facing the area 20 .
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of an exemplary embodiment of the device 10.
  • the device 10 is designed to vary the refractive index n in the region 24.
  • FIG. Furthermore, the device 10 can be designed to vary the refractive index in other areas arranged in the surroundings 20 or the region 20 .
  • the receiving device 26 has a plurality of photodetectors 126, represented in FIG. 2 by photodetectors 126i and 126 2 .
  • the photodetectors 126 are connected to a respective output 122 of the light guide 16 on the output side 22, in FIG.
  • the photodetectors 126 may be connected to their respective outputs by waveguides.
  • the MEMS actuators 330 are electrostatic, electromagnetic, piezoelectric, or thermoelectric actuators.
  • Embodiments using electrostatic actuators are easy to implement, allow precise adjustment of the position of the moving elements, and in examples can be operated with a relatively low voltage, for example compared to piezoelectric actuators. As a result, the requirements and the control device 42 and the power consumption of the device can be kept low.
  • Embodiments with electrostatic MEMS actuators are described in more detail with reference to FIGS. 4 to 8 .
  • the light sources can provide light of different wavelengths. Since the effective refractive index can be wavelength-dependent, different local intensity distributions can be generated on the output side 22 with a positioning pattern of the MEMS actuators. Exemplary embodiments have a plurality of waveguides for coupling in the light from one or more light sources, which can be attached symmetrically or asymmetrically to the input side 18 .
  • the continuous modulation of the MEMS actuators and the generation of the key based on the sampling times can be combined with the embodiments described with reference to FIGS adjustable positions, the number of photodetectors and the length of the key can be different, taking into account the number of sampling times signaled in the input signal.
  • the control unit based on a first bit sequence section of the input signal Select MEMS actuators for the modulation and determine the sampling times based on a second bit sequence section of the input signal.
  • the device 10 also has an electrode 544 which is mechanically fixed with respect to the light guide 16 and is arranged opposite the movable elements 38 .
  • the light guide 16 is arranged between the movable elements 38 and the electrode 544 .
  • the device 10 can be configured to apply a voltage between each of the conductive layers 550 of the movable elements 38 and the electrode 544 . Based on a resulting from the tension electrostatic force, the distance between the movable element 38 and the electrode 544, and thus the light guide 16, can be adjusted, and thus the size of a gap 552 (in the z-direction) between the light guide 16 and the layer 336 of the movable element 38 to be changed.
  • the implementation of the light guide cladding 517 as well as the cladding layer 548 of the movable elements 38 is independent of the implementation of the MEMS actuators as electrostatic MEMS actuators.
  • the movable elements 38 I-I6 are arranged such that a pattern in the control of the MEMS actuators, and thus a pattern in the local distribution of the effective refractive index of the light guide 16, a pattern in the local Intensity distribution of the output-side light at the output side 22 is clearly assigned.
  • An asymmetry in the arrangement of the movable elements 38 can be advantageous for an unambiguous association of each key 12 with an input signal 44 or a pattern of driven movable elements 38 .
  • a change in the local intensity distribution of the light on the exit side obtained through its activation can be identical or at least almost identical, regardless of where the movable element 38i 6 is adjacent to along the x-direction the light guide 16 of the multimode interferometer 14 is located.
  • a position along the y-direction can be relevant and a changed position y of the movable element 38I 6 along the y-direction can lead to a changed local intensity distribution.
  • the change may be symmetrical with respect to a location where the light source light is directed into the multimode interferometer 14, such as a central axis.
  • the substrate 552 comprises silicon, for example with a refractive index of 3.48. That Silicon can be doped to serve as a counter electrode for the moving elements.
  • the light guide 16, which can also be referred to as the core, and the layer 336 of the movable elements 38, also referred to as the actuator core have silicon nitride (S13N4), for example with a refractive index of 1.97.
  • the light guide cladding 517 also referred to as waveguide cladding
  • the cladding layer 548 also referred to as actuator cladding
  • the gap 552 can be formed by air with a refractive index of 1, for example.
  • the light guide cladding 517 may have a thickness of 3 ⁇ m, the light guide a thickness of 0.22 ⁇ m, the movable element layer 336 a thickness of 0.3 ⁇ m, and the cladding layer 548 a thickness of 1.5 ⁇ m.
  • the frame 442 and the electrically conductive layer 550 can have a thickness of 75 ⁇ m.
  • the MEMS variant described here has the same characteristics that are favorable for encryption.
  • the influence of the plates approaching the MMI core on the effective refractive index of the core can be one to two orders of magnitude greater than the effect of the electro-optical effect, so that the light at the output of the MMI changes more or the Size of the MMI can be reduced.
  • the distance between the plate and the core can be controlled by position detection by means of e.g. capacitive back measurement or piezoresistive position sensors or by an additional mechanical stop (cf. Fig. 8), so that the change in the effective refractive index brought about is reproducible and not subject to drift. Since a plate displacement of approx. 1 ⁇ m can be sufficient, compared to the electro-optical variant, significantly lower voltages can be used, particularly in the case of a counter-electrode close to the actuator, as is shown in FIG.
  • a dimension along the respective row direction x or column direction y of two adjacent movable elements is compared, for example a quotient thereof formed, with the larger dimension in the numerator and the smaller dimension in the denominator, for example y 4 /y 3 for the pair of movable elements 38I 6 ;38I 2 or x 3 /x 2 for the pair of movable elements 38i 5 ;38i 4 , so a quotient can form in each case, which has a quotient value.
  • a quotient of the dimension of any two adjacent movable elements 38 along the row direction (x) has a uniform quotient value.
  • a quotient of the dimension of any two electrodes 38 along the column direction (y) has the uniform quotient value.
  • the quotient value has a value within a value range of at least 1.5 and at most 10.
  • a clear or one-to-one assignment between the bit sequence of the input signal 44 and a local distribution of the effective refractive index of the light guide 16 can be achieved in this exemplary embodiment.
  • an unambiguous or one-to-one association between the bit sequence and the local intensity distribution of the light at the exit can be achieved.
  • the light can be coupled in at the input side 18 of the light guide 16 with respect to the y-direction, or a direction along which the photodetectors 126 can be arranged, at a central position of the input side 18 take place, or alternatively at a position deviating from the central position.
  • An asymmetry in the local intensity distribution on the output side 22 can be achieved by a position deviating from the central position, even if the arrangement 36 of the movable elements 38 is embodied symmetrically.
  • This also applies to exemplary embodiments with a number of light sources 32 . These can be coupled in symmetrically or asymmetrically on the input side 18 .
  • FIG. 14 shows a schematic top view of an arrangement of movable elements 36b of a multimode interferometer 14b, as can be used in the device 10 according to the exemplary embodiments described herein.
  • the movable elements 38i to 38ie are asymmetrical with regard to their surface geometry and each have a free-form surface. Lengths (dimensions along the x-direction) and widths (dimensions along the y-direction) of the movable elements can vary individually within the movable elements and lead to an individual surface geometry of the respective movable element 38i to 38ie.
  • movable elements can be set at different distances from the light guide according to their rows, in order to break the symmetry and obtain an asymmetry in the case of FIG. 15.
  • movable elements can be set to different, for example increasing, distances to the light guide 16 according to their column, which can produce a similar or the same effect as longer movable elements along the negative x-direction in Fig. 10 .
  • Bits Bi to Bie can be formed in the calculation device, which can combine the bit values.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)

Abstract

A device for generating a key comprises a multimode interferometer which is able to be coupled to a light source and which comprises a light guide. The light guide is designed to receive light at an input side and provide an output-side light at an output side depending on a propagation of the light in the light guide. Further, the device comprises a receiver apparatus designed to receive the output-side light at the output side. The device further comprises an evaluation apparatus designed to carry out an evaluation on the basis of the output-side light and to generate the key on the basis of the evaluation. The device is designed to locally vary a refractive index in surroundings of the light guide in order to locally vary an effective refractive index that acts on the propagation of the light in the light guide.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines Schlüssels Device and method for generating a key
Beschreibung description
Technisches Gebiet technical field
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. Embodiments of the present invention relate to an apparatus for generating a key, such as a bit sequence, using a multimode interferometer. Further embodiments relate to a method for generating a key. Some embodiments relate to an electromechanically programmable multimode interferometer as a cryptographic key or cryptographic hardware key.
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. There is a need for key derivation concepts for authentication and/or encryption purposes. For this purpose, physical effects can be used, for example, which can only be imaged inadequately by software or hardware-based algorithms, that is to say with insufficient accuracy and/or with excessive computing effort.
Zusammenfassung summary
Eine Anforderung für die Erzeugung von Schlüsseln ist eine hohe Genauigkeit, eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Bitrate. A requirement for key generation is high accuracy, high reliability, and high bit rate.
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. Embodiments of the present invention are based on the idea of generating a key based on a propagation of light in an optical fiber of a multimode interferometer. For this purpose, a refractive index is locally varied in an area surrounding the light guide in order to locally vary an effective refractive index, which acts on the propagation of the light in the light guide. The inventors have found that varying the index of refraction in the vicinity of the light guide allows for accurate, reliable, and large variation in the effective index of refraction of the light guide. A large variation in the effective refractive index enables the generation of secure keys. Furthermore, the refractive index in the vicinity of the light guide can be varied comparatively precisely, reproducibly and with little implementation effort, resulting in a variation of the effective Refractive index by varying the refractive index of the environment allows for high reliability and accuracy and a small size of the device.
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. Embodiments of the present invention provide an apparatus for generating a key. The device has a multimode interferometer that can be coupled to a light source and includes a light guide. The light guide is designed to receive light on an input side and to provide an output side light on an output side depending on a propagation of the light in the light guide. Furthermore, the device has a receiving device which is designed to receive the light on the output side on the output side. The device also includes an evaluation device which is designed to carry out an evaluation based on the exit-side light and to generate the key based on the evaluation. The device is designed to locally vary a refractive index in an area surrounding the light guide in order to locally vary an effective refractive index, which acts on the propagation of the light in the light guide.
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. According to one exemplary embodiment, the device is designed to locally vary the refractive index within an area adjoining the light guide in order to locally vary the effective refractive index. The area adjoining the light guide is an area of a penetration depth of an evanescent field of the light propagating in the light guide. For example, the area between the input side and the output side of the light guide is arranged along the light guide. For example, the region has a thickness, that is, a dimension perpendicular to an interface between the light guide and the adjacent region, of a wavelength or less than a wavelength of light propagating in the light guide. In other examples, the penetration depth can be more than one wavelength, e.g., up to two or three wavelengths. A variation of the refractive index in a region of an evanescent field of the light propagating in the light guide enables an effective variation of the effective refractive index for the light propagating in the light guide. Thus, a large change in propagation of light in the light guide can be achieved.
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. According to one exemplary embodiment, the receiving device has a plurality of photodetectors, each of which is connected to a respective output of the light guide on the output side in order to determine a local intensity distribution of the light on the output side on the output side. For example, the outlets are arranged adjacent to or spaced apart from one another on the outlet side. The evaluation device is designed according to these exemplary embodiments to generate the key based on the local intensity distribution. Based on the local variation of the effective refractive index and the determination of the local intensity distribution of the light on the exit side, a plurality of bits for the key can be determined at the same time. A high bit rate can thus be achieved.
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. According to one embodiment, the key includes a plurality of key sections. Each of the key sections is associated with one of the exits. According to this exemplary embodiment, the evaluation device is designed to determine each of the key sections based on the intensity of the output-side light at the output associated with the key section. The assignment of the key sections to one output in each case enables a simple evaluation of the light on the output side and a simple implementation of the evaluation device. According to one exemplary embodiment, the evaluation device is designed to carry out a threshold value decision for each of the photodetectors as to whether a variable detected in the respective photodetector is to be converted into a binary 0 or a binary 1, and to obtain a bit sequence for the key by arranging the threshold value decision . The use of threshold decisions for the key makes it possible to implement the photodetectors easily, since these z. B. do not necessarily require a high resolution with respect to an intensity measured by the photodetectors.
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. According to one exemplary embodiment, the device has a plurality of MEMS actuators (MEMS: micro-electro-mechanical system). The MEMS actuators are designed to move a movable element, which is arranged opposite a surface region of the light guide arranged between the input side and the output side, in order to vary a distance between the movable element and the light guide and thus the refractive index in the To vary locally around the light guide. MEMS actuators make it possible to position the moving element precisely, quickly and in an energy-efficient manner. Thus, accurate generation of the key with a high bit rate can be enabled. For example, there can be a gap between the movable element and the light guide at least in a positioning state of the movable element. A refractive index of a material of the movable element can differ from a refractive index of a medium located in the gap, for example air, so that by varying the gap size between the movable element and the Light guide, the refractive index can be varied in an area adjacent to the light guide and opposite the movable element. The effective refractive index of the light guide can thus be varied locally, for example in an area opposite the movable element.
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. According to one embodiment, the MEMS actuators are electrostatic, electromagnetic, piezoelectric, or thermoelectric actuators. Thermal actuators can be designed as thermal bimorphs, for example. Another alternative for the MEMS actuators are structures designed to move the movable element 38 by bending deformation of long beams. These types of MEMS actuators allow precise adjustment of the distance between the respective movable elements and the light guide.
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 Werte bereich des Schlüssels erhalten wird. According to one embodiment, the movable elements of the MEMS actuators are arranged in a two-dimensional array. According to this exemplary embodiment, the movable elements are formed asymmetrically with respect to at least one direction (x, y) of the two-dimensional array. This can be carried out to such an extent that each movable element, by changing its position, produces a unique change in the exit light, for example in the local intensity distribution of the exit light. This means that the asymmetrical formation of the movable elements allows the refractive index in the vicinity of the light guide to be varied locally by positioning the movable elements in such a way that a pattern in the effective refractive index of the light guide is assigned to a pattern in the local intensity distribution of the light on the exit side unambiguously or one-to-one . It is advantageous that a high entropy can be obtained in the key and a high value range of the key is obtained.
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. According to one embodiment, the movable elements each have a layer opposite the surface regions of the light guide. The layer has a refractive index of more than 1.3, or a refractive index in a range from 1.3 to 3.6. The more the refractive index of the layer opposite the light guide differs from a refractive index of a medium in which the movable element moves, the more effective the refractive index in the vicinity of the light guide can be, and thus the effective refractive index for the propagation of the light in the light guide be varied. If the movable element moves in air or in a medium with a similar refractive index, ie with a refractive index of approximately 1, a refractive index of 1.3 or more can be used the layer opposite the light guide ensure a large local variation of effective refractive index in the light guide and thus ensure accurate and reliable generation of the key. For very high refractive indices, the light from the light guide can lead to light losses in the light guide if the distances between the light guide and the layer opposite the light guide are small, which means that a refractive index of 3.6 or less is advantageous.
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. According to one exemplary embodiment, the layer of the respective MEMS actuator is at least partially within a region of a penetration depth of an evanescent field of the light propagating in the light guide adjoining the light guide in a positioning state. Thus, at least in this one positioning state, the layer can influence the effective refractive index of the light guide in a region of the light guide opposite the layer and thus influence the propagation of the light in the light guide. For example, the layer is in a further positioning state of the respective MEMS actuator outside the region of the penetration depth of the evanescent field adjacent to the light guide, so that the light guide has a first effective refractive index in a region opposite the layer when the layer is in the at least is in a positioning state and has a second refractive index when the layer is in the second positioning state.
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. According to one embodiment, the movable elements of the MEMS actuators have an electrically conductive layer. According to this exemplary embodiment, the device also has an electrode which is mechanically fixed with respect to the light guide and is arranged opposite the movable elements. According to this exemplary embodiment, the device is designed to apply an electrical voltage between one of the conductive layers of the movable elements of the MEMS actuators and the electrode in order to vary the distance between the respective movable element and the light guide. Applying a voltage between the conductive layer and the electrode enables a stepless, fast and energy-efficient, as well as precise adjustment of the distance between the respective movable element and the light guide.
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, According to one exemplary embodiment, the MEMS actuators are designed to adjust their respective movable element to one of at least a first and a second position depending on an actuating signal. In the first position that is movable element positioned less far from the light guide than in the second position. According to this exemplary embodiment, the device has a mechanical stop in order to determine the respective first position of the movable elements. Alternatively or additionally, the device has a mechanical stop in order to fix the respective second position of the movable elements. A mechanical stop allows a position to be set very precisely, for example, without relying on feedback in which the position of the movable element must be read out accurately. Especially in the first position, where the moveable element is positioned less far from the light guide, a small change in position can lead to a large change in the effective refractive index, since the evanescent field of the light in the light guide outside the light guide can fall off exponentially. By implementing a mechanical stop for the first position, an exact setting of the effective refractive index can be achieved in a simple way,
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. According to one embodiment, the MEMS actuators each have a position determining device, such as a piezoresistive or a capacitive position determining device, to determine an adjusted position of their respective movable element. According to this embodiment, the device is designed to use the adjusted position determined for a movable element to regulate the distance between the movable element and the optical fiber. Regulating the distance between the movable element and the light guide based on the determined position enables the distance between the movable element and the light guide to be set precisely, in particular for a large number of different positions, in particular also for a number of more than two different positions. The possibility of adjusting the distance to a large number of different positions makes it possible to generate a relatively large number of different intensity distributions of the output-side light at the output side of the light guide with a relatively small number of MEMS actuators.
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. According to one embodiment, the device has a control device that is designed to control the MEMS actuators based on an input signal in order to generate a positioning pattern of the movable elements with regard to the distances between the movable elements and the light guide, so that each positioning pattern has a pattern in a local intensity distribution of the output light is assigned uniquely or one-to-one. By evaluating the local intensity distribution of the output-side light by means of the receiving device and the evaluation device, it is thus possible to convert an input signal into an output signal unambiguously or one-to-one.
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. According to one exemplary embodiment, the device has a control device. The control device is designed to receive a digital input signal with a bit sequence. In this case, each bit of the bit sequence is assigned to one of the MEMS actuators. According to this exemplary embodiment, the control device is designed to control each of the MEMS actuators based on the bit assigned to the MEMS actuator. For example, the control is carried out in such a way that each representation of the bit sequence is assigned a pattern in a local intensity distribution of the light on the exit side in a unique or one-to-one way. For example, according to this exemplary embodiment, the control device can be configured to control each of the MEMS actuators in such a way that the MEMS actuator sets its movable element to a first position when the bit assigned to the MEMS actuator indicates a first value, and to a second Set position when the bit associated with the MEMS actuator indicates a second value. Because each bit of the bit sequence is assigned one of the MEMS actuators, the control device can be implemented very easily. In this case, for example, the control device can control the MEMS actuators with a digital signal, ie with a signal that can have two different values.
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. According to one exemplary embodiment, the device has a control device that is designed to receive a digital input signal with a bit sequence that includes a plurality of bit sequence sections. One or more of the MEMS actuators are assigned to each of the bit sequence sections. According to this exemplary embodiment, the control device is designed to set the MEMS actuators to one of more than two different positions based on the bit sequence sections respectively assigned to them. For example, the more than two different positions can be adjusted in such a way that a pattern in a local intensity distribution of the light on the output side is unambiguously assigned to each representation of the bit sequence. By setting a MEMS actuator to one of more than two different positions based on a bit string section, a unique or one-to-one intensity distribution of the output light can be generated with respect to the digital input signal, even if the number of MEMS actuators or movable elements is smaller than the number of bits in the bit string. A space-saving and relatively simple implementation can thus be made possible. According to one exemplary embodiment, the device is designed to locally vary the refractive index in the vicinity of the light guide based on a digital input signal with a bit sequence. According to this exemplary embodiment, the evaluation device is designed to provide a bit sequence for the key, the length of the bit sequence provided by the evaluation device corresponding to the length of the bit sequence of the input signal. The device can thus convert an n-bit input signal into an n-bit output signal. The device can thus be implemented particularly efficiently for applications which require a one-to-one conversion of the input signal into the output signal.
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. According to one embodiment, the device is configured to continuously modulate one or more of the MEMS actuators in order to continuously modulate the output-side light. According to this exemplary embodiment, the device is designed to determine a plurality of sampling times based on an input signal and to evaluate the output-side light at the sampling times in order to generate the key. This implementation offers the advantage that complex keys can also be generated with a small number of MEMS actuators, since over time another dimension is added to the intensity distribution of the light on the output side.
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. According to one exemplary embodiment, the light guide has a plurality of outputs that are spatially spaced apart from one another on the output side. According to this exemplary embodiment, the receiving device is designed to determine an intensity of the output-side light at the outputs. The determination of a respective intensity at each of the outputs enables a local intensity distribution of the light on the output side to be determined on the output side of the light guide.
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. According to one exemplary embodiment, the device has a light source which is connected to the light guide and which is designed to emit the light. The light source can be narrow band in examples. For example, the light source can be a laser or a light source with a narrow band filter.
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. In accordance with one exemplary embodiment, the receiving device has a filter which is designed to filter the light on the output side before it is received. Through a Stray light can be filtered by filtering the light on the output side, so that the key can be generated particularly reliably.
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. According to one embodiment, the device is configured to receive a reference input signal, which has a reference key, at a signal output. According to this exemplary embodiment, the device is designed to compare the reference key with the key and to assess an identity of a transmitter of the input signal based on a comparison result. This allows checking whether the other device knows the shared secret. Alternatively or additionally, the device can be designed to derive the key based on a received bit sequence and to provide the key, so that the device receiving the key can check the identity of the device.
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. According to one embodiment, the key is a first key. The device is configured to direct a first light through the light path during a first time interval to obtain the first key and to direct a second light through the light path during a second time interval to obtain a second key. The evaluation device is configured to combine the first key and the second key to form an overall key. This enables a synergetic repeated use of the multimode interferometer, which can excite different modes or propagate in different modes in interaction with different light, e.g. in different wavelengths, and can thus generate different patterns in the affected light, so that the type of light used or light source is another degree of freedom that can be used to increase the bits used or generated in the key while maintaining high entropy.
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. According to one embodiment, the device has an output interface that is designed to provide the key. This enables the key to be sent to another device, for example.
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. According to an embodiment, the multimode interferometer (MMI) is a first MMI and the device has at least one second MMI. The light on the input side of the first MMI is provided by an output-side light of the second MMI provided on an output side of the second MMI. This allows the input side Light from the first MMI can be light influenced by the second MMI. This enables the generated key to be highly robust.
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. Further exemplary embodiments of the invention provide a method for generating a key. The method includes directing light from an input side of a light guide to an output side of the light guide to provide an output side light at an output side depending on a propagation of the light in the light guide. Furthermore, the method includes locally varying a refractive index in an area surrounding the light guide in order to locally vary an effective refractive index, which acts on the propagation of the light in the light guide. The method further includes receiving the exit light at the exit side and performing an evaluation based on the exit light. The method also includes generating the key based on the evaluation.
Kurzbeschreibunq der Figuren Brief description of the characters
Beispiele der Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen: Examples of the invention are described below with reference to the attached figures. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen einesFig. 1 is a schematic representation of a device for generating a
Schlüssels gemäß einem Ausführungsbeispiel, key according to an embodiment,
Fig. 2 eine schematische Aufsicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels, 2 shows a schematic plan view of an embodiment of the device for generating a key,
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels mit MEMS-Aktuatoren, 3 shows a schematic sectional view of a further exemplary embodiment of the device for generating a key with MEMS actuators,
Fig. 4 eine schematische Aufsicht beweglicher Elemente gemäß einemFig. 4 is a schematic plan view of moving elements according to a
Ausführungsbeispiel, embodiment,
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels mit elektrostatischen MEMS-Aktuatoren, Fig. 6 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels mit elektrostatischen MEMS- Aktuatoren, 5 shows a schematic sectional view of an embodiment of the device for generating a key with electrostatic MEMS actuators, 6 shows a schematic sectional view of a further exemplary embodiment of the device for generating a key with electrostatic MEMS actuators,
Fig. 7 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels mit elektrostatischen MEMS- Aktuatoren und Aktor-naher Gegenelektrode, 7 shows a schematic sectional view of a further exemplary embodiment of the device for generating a key with electrostatic MEMS actuators and a counter-electrode close to the actuator,
Fig. 8 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels mit elektrostatischen MEMS- Aktuatoren und mechanischem Anschlag, 8 shows a schematic sectional view of a further exemplary embodiment of the device for generating a key with electrostatic MEMS actuators and a mechanical stop,
Fig. 9 eine schematische Aufsicht eines MMIs gemäß einem Ausführungsbeispiel, 9 shows a schematic plan view of an MMI according to an embodiment,
Fig. 10 eine schematische Aufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Erzeugen eines Schlüssels, 10 shows a schematic plan view of a further exemplary embodiment of the device for generating a key,
Fig. 11 eine schematische Darstellung der Ausgangsseite gemäß einem Ausführungsbeispiel, 11 shows a schematic representation of the output side according to an embodiment,
Fig. 12 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, die mit einer weiteren Vorrichtung kommuniziert, 12 shows a schematic block diagram of a device according to an embodiment, which communicates with a further device,
Fig. 13 eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung beweglicher Elemente eines MMIs gemäß einem Ausführungsbeispiel, 13 shows a schematic plan view of an arrangement of movable elements of an MMI according to an embodiment,
Fig. 14 eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung beweglicher Elemente eines MMIs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, 14 shows a schematic top view of an arrangement of movable elements of an MMI according to a further exemplary embodiment,
Fig. 15 eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung beweglicher Elemente eines MMIs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, 15 shows a schematic top view of an arrangement of movable elements of an MMI according to a further exemplary embodiment,
Fig. 16 eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung beweglicher Elemente eines MMIs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, Fig. 17 eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einem16 shows a schematic top view of an arrangement of movable elements of an MMI according to a further exemplary embodiment, Fig. 17 is a schematic plan view of a device according to a
Ausführungsbeispiel, die eine Ansteuereinrichtung und Auswerteeinrichtung aufweist, Embodiment, which has a control device and evaluation device,
Fig. 18 eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einemFig. 18 is a schematic plan view of a device according to a
Ausführungsbeispiel, die zumindest ein erstes Multimode-Interferometer und ein zweites, seriell angeordnetes Multimode-Interferometer aufweist; Embodiment having at least a first multimode interferometer and a second, serially arranged multimode interferometer;
Fig. 19 eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einemFig. 19 is a schematic plan view of a device according to a
Ausführungsbeispiel, bei der ein Multimode-Interferometer verschachtelt in einem weiteren Multimode-Interferometer angeordnet ist, Embodiment in which a multimode interferometer is nested in another multimode interferometer,
Fig. 20 ein Diagramm das einen Zusammenhang zwischen Spaltgröße und effektiver Brechzahl gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, 20 shows a diagram showing a relationship between gap size and effective refractive index according to an embodiment,
Fig. 21 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines Schlüssels gemäß einem Ausführungsbeispiel. 21 shows a flow chart of a method for generating a key according to an embodiment.
Detaillierte Beschreibung Detailed description
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. In the following, examples of the present disclosure are described in detail and using the accompanying descriptions. In the following description, many details are set forth in order to provide a more thorough explanation of examples of the disclosure. However, it will be apparent to those skilled in the art that other examples can be implemented without these specific details. Features of the different examples described can be combined with one another, unless features of a corresponding combination are mutually exclusive or such a combination is expressly excluded.
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. It should be noted that the same or similar elements or elements that have the same functionality can be provided with the same or similar reference numbers or are referred to in the same way, with a repeated description of elements provided with the same or similar reference numbers or being the same are denoted, is typically omitted. Descriptions of elements that have the same or similar reference numerals or are labeled the same are interchangeable. The following exemplary embodiments relate to a device with a multimode interferometer. A multimode interferometer can be designed to direct light from an input side to an output side of a light guide. Within the light guide, the light can propagate in several modes. In this case, the modes can depend on a geometry of the light guide and on an effective refractive index for the propagation of light in the light guide. In this case, the effective refractive index can be wavelength-dependent. That is, the effective refractive index can be specific to the wavelength of the light. The effective refractive index of the light guide may depend on a refractive index of one or more materials in the light guide and may also depend on a refractive index in an environment of the light guide. An electromagnetic field of the light propagating in the light guide does not have to be limited to the light guide, but can reach into an environment of the light guide. In other words, an evanescent field of the light propagating in the light guide can form in the vicinity of the light guide. Thus, an index of refraction in the vicinity of the light guide can affect the effective index of refraction for propagation of light in the light guide. A change in the effective refractive index can be ascertained by a change in an amplitude, phase, intensity or intensity distribution of the light on the exit side on the exit side of the light path.
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. Electro-optical cryptographic hardware keys use electro-optically programmable multimode interferometers (MMI) as a core component (WO 2019/048024 A1), in which the effective refractive index of a light guide of the MMI can be varied by using electro-optical materials. In contrast to this, the effective refractive index in the exemplary embodiments described below is varied by varying the refractive index in the area surrounding the light guide of the MMI. In contrast to hardware keys, which use an electro-optical variation in the refractive index of the light guide and can therefore suffer from degeneration of the electro-optical materials, exemplary embodiments of the present invention are characterized by high reliability. Some exemplary embodiments therefore relate to a programmable MMI, the core of which has been replaced by a MEMS variant (microelectromechanical system) compared to the electro-optical variants, and high reliability and performance can thus be achieved.
Fig. 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. 1 shows a schematic representation of a device 10 for generating a key 12 according to an embodiment. The device 10 includes a Multimode interferometer 14 which can be coupled to a light source. The multimode interferometer 14 includes a light guide 16. The light guide 16 is designed to receive light at an input side 18. FIG. For example, a light source or a light guide connected to a light source can be coupled or connected at the input side 18 to receive the light. The light guide 16 is designed to provide an output-side light on an output side 22 of the light guide 16 for the light received on the input side 18 depending on a propagation of the light in the light guide. The propagation of the light in the light guide 16 may depend on an effective refractive index of the light guide for the propagation of the light in the light guide. As previously mentioned, the effective refractive index can be specific to the wavelength of the light.
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 Fig. 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. Fig. 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 Fig. 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. The device 10 is designed to locally vary a refractive index n in an environment 20 of the light guide in order to locally vary an effective refractive index, which acts on the propagation of the light in the light guide. For example, the environment 20 can denote an area along a propagation direction of the light from the input side 18 to the output side 22 . 1 shows a Cartesian coordinate system by way of example, according to which a direction from the input side 18 to the output side 22 of the light guide 16 is arranged along the x-direction. In examples, light guide 16 may be bounded by the surface region connecting input side 18 and output side 22, and environment 20 may refer to an area outside of that surface region, which area may be contiguous with the surface region connecting input side 18 and output side 22. 1 shows an area 24 in the environment 20, which is arranged opposite the light guide 16 and optionally adjacent to it. The device 10 can be designed to vary the refractive index n in the region 24 in order to locally vary the effective refractive index of the light guide 16 in a region of the light guide 16 opposite the region 24 . The variation of the refractive index n in the area 20 can be locally different. This means that the environment 20 can have a plurality of areas in which the refractive index can be individually varied in order to locally vary the refractive index in the environment 20 . The areas in the environment 20 in which the refractive index can be individually varied can be arranged along the propagation direction from the input side 18 to the output side 22 and/or arranged next to one another in a direction perpendicular to the propagation direction (y-direction in FIG. 1). be. The variation in the refractive index in the areas of the environment 20 can cause a variation in the effective refractive index in the respective areas of the Environment 20 opposite areas of the light guide 16 cause. The effective refractive index of the light guide 16 can thus be varied locally.
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. The device 10 also includes a receiving device 26 which is designed to receive the light on the output side on the output side 22 . For example, the receiving direction 26 can have photodetectors or the like. Alternatively, other photosensitive elements or materials may be used, such as photoresist elements.
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. The device 10 also includes an evaluation device 28 which is designed to carry out an evaluation based on the exit-side light and to generate the key based on the evaluation. For example, the evaluation device 28 can be designed to evaluate a pattern of the light on the output side 22 based on information received from the receiving device 26, for example with regard to a phase distribution, amplitude distribution and/or intensity distribution. This pattern may be translatable into the key 12 based on a predefined criterion. The evaluation device 28 can optionally have an output interface 88 which is designed to provide the key 12 .
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 Fig. 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. According to exemplary embodiments, the device 10 is designed to locally vary the refractive index n within a region adjoining the light guide in order to locally vary the effective refractive index. In these exemplary embodiments, the area 20 shown in FIG. 1 can represent the area adjoining the light guide 16 . According to these exemplary embodiments, the region 20 adjoining the light guide is a region of penetration depth of an evanescent field of the light propagating in the light guide. For example, the light guide 16 can have a surface region 132 connecting the input side 18 and the output side 22 and facing the area 20 . Light propagating in the light guide can form an electromagnetic field which can penetrate into the area 20 adjoining the light guide 16, wherein the electromagnetic field of the light propagating in the light guide 16 penetrating into the adjoining area 20 can be referred to as an evanescent field. A penetration depth of the evanescent field in the region 20 adjoining the light guide 16 can be of the order of magnitude of the wavelength of the light propagating in the light guide 16, more precisely, in the range of one or fewer wavelengths. In other words, the region 20 of the penetration depth of the evanescent field which adjoins the light guide 16 can extend in a direction perpendicular to the Interface 132 have a dimension 134 of less than three wavelengths of light, or less than two wavelengths of light, or one wavelength of light, or less than one wavelength of light. The range 24 within which the refractive index n is varied lies at least partially within the range 20 of the penetration depth of the evanescent field.
Fig. 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 Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Empfangseinrichtung 26 eine Mehrzahl von Photodetektoren 126 auf, in Fig. 2 durch Photodetektoren 126i und 1262 repräsentiert. Die Photodetektoren 126 sind mit einem jeweiligen Ausgang 122 des Lichtleiters 16 an der Ausgangsseite 22 verbunden, in Fig. 2 Photodetektor 126i mit Ausgang 122i 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. FIG. 2 shows a schematic plan view of an exemplary embodiment of the device 10. The device 10 is designed to vary the refractive index n in the region 24. FIG. Furthermore, the device 10 can be designed to vary the refractive index in other areas arranged in the surroundings 20 or the region 20 . According to the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the receiving device 26 has a plurality of photodetectors 126, represented in FIG. 2 by photodetectors 126i and 126 2 . The photodetectors 126 are connected to a respective output 122 of the light guide 16 on the output side 22, in FIG. The photodetectors 126 may be connected to their respective outputs by waveguides. For example, the local intensity distribution of the output-side light on the output side 22 can depend on a local distribution of the effective refractive index of the light guide between the input side 18 and the output side 22 . Thus, by locally varying the effective refractive index of the light guide 16, the local intensity distribution of the light on the exit side can be changed on the exit side 22. For example, the device 10 is designed to locally vary the effective refractive index in such a way that each pattern in the local distribution of the effective refractive index in the light guide 16 is uniquely or uniquely assigned a pattern in the local intensity distribution of the light on the output side on the output side 22. Unambiguousness or ambiguity can be achieved, for example, by a suitable arrangement and shaping of areas such as area 24 in surrounding area 20, within which the refractive index can be varied.
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 Fig. 2, angeordnet sein. Gemäß dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 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. The photodetectors 126 can be designed to determine an intensity of the output-side light at the output 122 respectively connected to them. The outputs 122 are arranged adjacent to or at a distance from one another on the output side 22 so that the receiving device 26 can determine a local intensity distribution based on the respective intensities determined at the outputs 122 . The photodetectors 126 may be arranged in a one-dimensional array along the output side 22, for example along the y-direction in FIG. According to that In the exemplary embodiment from FIG. 2, the evaluation device 28 is designed to generate the key 12 based on the local intensity distribution. The photodetectors 126 can be directly connected to the light guide 16, ie arranged directly at their respective associated output 122 of the light guide 16, or connected to their respective associated output 122 of the light guide 16 via respective waveguide elements (ie light guide elements). These waveguide elements can optionally be designed to focus the light received at the respective output 122 so that a large proportion of the light on the output side can be detected by the photodetectors 126 . Furthermore, the outlets 122 can be arranged regularly or irregularly on the outlet side 22 .
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. The evaluation device 28 can carry out a threshold value decision for each of the photodetectors as to whether the intensity detected in the respective photodetector is to be converted into a binary 0 or a binary 1. Alternatively, the evaluation device 28 can convert the intensity measured by the photodetector into a multi-bit signal for each of the photodetectors 126 . In further exemplary embodiments, the evaluation device 28 can determine a bit sequence section for the key 12 based on the measured intensities of a plurality of the photodetectors. A bit sequence can be obtained as a key 12 by lining up the threshold value decisions or the evaluations of the intensities of one or more of the photodetectors.
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. Accordingly, according to exemplary embodiments, the key 12 can comprise a plurality of key sections, with each key section being assigned to one of the outputs 122 . According to this exemplary embodiment, the evaluation device can be designed to determine each of the key sections based on the intensity of the output-side light at the output associated with the key section.
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. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 10. Gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel weist das MMI 14 eine Mehrzahl von MEMS-Aktuatoren 330 auf. Die Mehrzahl von MEMS-Aktuatoren 330 ist in Fig. 3 durch einen ersten MEMS-Aktuator 330i und einen zweiten MEMS-Aktuator 330 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 38i des MEMS-Aktuators 330i ein Abstand 334i zwischen dem beweglichen Element 38i und dem Lichtleiter 16 variiert werden, um so die Brechzahl in einem Bereich 24i 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 24i 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. Alternatively, other forms of deriving a bit sequence from the local intensity distribution are also possible in order to obtain the key 12. In addition to the derivations of the bits described, it is also possible to further process a bit sequence obtained in this way, for example by inversion, combination with other bits or sizes or the like. FIG. 3 shows a schematic representation of a further embodiment of the device 10. According to the example shown in FIG. The plurality of MEMS actuators 330 is represented in FIG. 3 by a first MEMS actuator 330i and a second MEMS actuator 330i. However, the plurality of MEMS actuators can have any number of further MEMS actuators. The MEMS actuators 330 are designed to move a movable element 38 which is arranged opposite a surface region 132 of the light guide 16 arranged between the input side 18 and the output side 22 . By moving the movable elements 38 of the MEMS actuators 330, a distance between the respective movable elements 38 and the light guide 16 can be varied in order to locally vary the refractive index in the vicinity of the light guide. For example, by moving a movable element 38i of the MEMS actuator 330i, a distance 334i between the movable element 38i and the light guide 16 can be varied in order to vary the refractive index in a region 24i in the vicinity 20 of the light guide 16. Similarly, by moving the moveable element 38 2 of the second MEMS actuator 330 2 , a distance 334 2 between the moveable element 38 2 and the light guide 16 can be varied so as to increase the refractive index in a region 24 2 in the vicinity 20 of the light guide vary. Regions 24i and 24 2 may be examples of region 24 previously described. In other words, each of the MEMS actuators 330 can be configured to vary the refractive index in a region 24 associated with it by changing a distance between the movable element 38 of the MEMS actuator 330 and the light guide 16 .
Beispielsweise wird durch eine Veränderung des Abstands 334i ein Spalt, welcher zwischen dem Lichtleiter 16 und dem beweglichen Element 38i angeordnet ist, verändert. Ein in dem Spalt befindliches Medium kann eine ersten Brechzahl m aufweisen. Bei Beispielen kann dies Luft oder ein anderes Gas sein und eine Brechzahl von 1 oder nahe 1 aufweisen. Das bewegliche Element 38i kann, zumindest in einem Teilbereich, welcher in zumindest einem Positionierungszustand des beweglichen Elements 38i innerhalb der Umgebung 20 angeordnet ist, ein Material aufweisen, welches eine Brechzahl n2 aufweist. Der Brechzahl n2 kann von der Brechzahl m 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 24i, beispielsweise eine über den Bereich 24i 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. For example, changing the distance 334i changes a gap arranged between the light guide 16 and the movable element 38i. A medium located in the gap can have a first refractive index m. In examples, this may be air or another gas and have a refractive index of 1 or close to 1. The movable element 38i can have a material which has a refractive index n 2 , at least in a partial region which is arranged within the surroundings 20 in at least one positioning state of the movable element 38i. The refractive index n 2 can be different from the refractive index m of the medium in the gap, so that changing the gap between the light guide and the movable element 38 changes the refractive index n of the region 24i, for example a refractive index averaged over the region 24i can. Optionally, the movable elements 38 each have a layer 336 opposite the surface region 132 of the light guide 16, the refractive index of which is different from 1. In examples, layer 336 has a refractive index of at least 1.3. In further examples, the refractive index of the layer 336 facing the light guide has a refractive index in a range from 1.3 to 3.6. Alternatively, however, the movable elements 38 can also be formed without a layer 336 dedicated to the adaptation of the refractive index.
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 24i unterschiedlich, je nachdem, ob sich der MEMS-Aktuator 33i in dem ersten Positionierungszustand oder dem zweiten Positionierungszustand befindet. The MEMS actuators 330 may be configured to continuously move their respective moveable element 38, or in alternative examples may be configured to adjust their respective moveable element 38 to discrete positions. In either case, the MEMS actuators 330 can be configured to adjust their respective moveable element 38 to at least two different positions. A position of the movable element 38 of the MEMS actuator 330 can be assigned to each positioning state of one of the MEMS actuators 330 . At least in a first positioning state, the movable element 38, and if present the layer 336, of a respective MEMS actuator is at least partially within the region 20 of the penetration depth of the evanescent field of the light propagating in the light guide, which adjoins the light guide 16. For example, in a second positioning state of the respective MEMS actuator 330, the movable element 38, and if present the layer 336, can be located to a lesser extent or not at all in the region 20 of the penetration depth of the evanescent field adjacent to the light guide 16. Thus, a refractive index of the area 24i is different depending on whether the MEMS actuator 33i is in the first positioning state or the second positioning state.
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 Fig. 3 dargestellte Position des beweglichen Elements 38i der ersten Position entsprechen und die dargestellte Position des beweglichen Elements 382 der zweiten Position entsprechen. According to one embodiment, the MEMS actuators 330 are designed to adjust their respective movable element 38 to one of at least a first and a second position depending on an actuating signal. In the first position, the moveable element is positioned less far from the light guide 16 than in the second position. For example, the position of movable element 38i illustrated in FIG. 3 may correspond to the first position and the illustrated position of movable element 38 2 may correspond to the second position.
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 Fig. 3 durch das Stellsignal 72i für den MEMS-Aktuator 330i und das Stellsignal 12z 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 Fig. 9 ausführlicher beschrieben. Beispiele der Vorrichtung 10 können also ein elektrisches digitales Eingangssignal 44 eineindeutig in ein elektrisches digitales Ausganssignal 12 wandeln. The device 10 can have a control device 42 which is designed to receive a digital input signal 44 . The control device is designed to Drive MEMS actuators 330 based on the input signal. For example, the control device 42 can provide an actuating signal for one or more of the MEMS actuators in order to set the MEMS actuators to a positioning state. In preferred exemplary embodiments, the control device provides an actuating signal for each of the MEMS actuators, as shown in FIG. 3 by actuating signal 72i for MEMS actuator 330i and actuating signal 12z for MEMS actuator 330 2 . A positioning pattern of the plurality of MEMS actuators can thus create a pattern in a local distribution of the effective refractive index of the light guide 16 . In preferred exemplary embodiments, a pattern in the local intensity distribution of the light on the exit side is uniquely or one-to-one assigned to each positioning pattern of the MEMS actuators. This can be achieved, in examples, by arranging the moveable elements 38 as described in more detail with respect to FIG. 9 . Thus, examples of apparatus 10 can convert an electrical digital input signal 44 into an electrical digital output signal 12 in a one-to-one manner.
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. According to one embodiment, the control device 42 is designed to receive a plurality of sampling times based on the input signal and to set the MEMS actuators, based on the input signal, to a respective position state for each sampling time in order to set a positioning pattern of the MEMS actuators for the sampling time to create. According to these exemplary embodiments, the control device 42 provides the sampling times to the evaluation device 28, which evaluates the local intensity distribution of the outgoing light at the sampling times and provides a key section for the key 12 for each of the sampling times. As a result, a comparatively long key can be generated with a comparatively small number of MEMS actuators.
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 Fig. 7 und Fig. 8 weiter beschrieben. According to one exemplary embodiment, the device 10 has a mechanical stop in order to determine the respective first position of the movable elements 38 . Alternatively or additionally, the device 10 can have a mechanical stop in order to define the respective second position of the movable elements 38 . For example, the light guide 16 can serve as a mechanical stop for the first position. Further advantageous examples for the arrangement of such mechanical stops are described further with reference to FIGS. 7 and 8 .
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. In alternative embodiments, the MEMS actuators 330 each have a position determining device to determine an adjusted position of their respective one movable element 330 to certain. According to these embodiments, the device 10 is configured to use the adjusted position determined for a moveable element 330 to regulate the distance between the moveable element and the light guide. For example, the position determination device can determine the set position piezoresistively or capacitively. A capacitive determination of the position is particularly advantageous in combination with capacitively operated MEMS actuators. A piezoresistive determination of the position can enable a very precise position determination and can be advantageous in particular in combination with exemplary embodiments in which the MEMS actuators can be set to more than two different positions and/or the positions are not fixed by means of mechanical stops.
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 Fig. 4 bis Fig. 8 ausführlicher beschrieben. According to embodiments, the MEMS actuators 330 are electrostatic, electromagnetic, piezoelectric, or thermoelectric actuators. Embodiments using electrostatic actuators are easy to implement, allow precise adjustment of the position of the moving elements, and in examples can be operated with a relatively low voltage, for example compared to piezoelectric actuators. As a result, the requirements and the control device 42 and the power consumption of the device can be kept low. Embodiments with electrostatic MEMS actuators are described in more detail with reference to FIGS. 4 to 8 .
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 Dl 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. Optionally, the device 10 includes a light source 32 connected to a light guide 34 configured to deliver light provided by the light source 32 to the input side 18 . Alternatively, the light source 32 can also be connected directly to the input side 18, so that the arrangement of the light guide 34 is optional. The light guide 34 can be, for example, an optical waveguide or the like, which can optionally be designed to expand the light from the light source 32 in order to illuminate the light guide 16 as broadly as possible. The light source 32 can be any light source. However, it can be advantageous for the detection and/or the evaluation to be carried out by the receiving device 26 or the evaluation device 28 on the basis of a narrow-band light. A wavelength range D1 can be understood as narrow-band, for example, which is at most 10 nm, preferably at most 1 nm and particularly preferably in a value range from 1 to 10 μm. This can be done taking into account that interferences in the multimode interferometer or the light path are generated depending on the wavelength, see above that it can be advantageous for interference between individual modes to use narrow-band light. A design criterion can therefore be that a coherence length of the light path is designed in such a way that interferences on the output side 22 are obtained with a good contrast, so that an evaluation that is as error-free as possible is made possible. Examples with multiple light sources 32 are also possible, which can be coupled in at different positions or at a common position on the input side 18 . The light sources can provide light of different wavelengths. Since the effective refractive index can be wavelength-dependent, different local intensity distributions can be generated on the output side 22 with a positioning pattern of the MEMS actuators. Exemplary embodiments have a plurality of waveguides for coupling in the light from one or more light sources, which can be attached symmetrically or asymmetrically to the input side 18 .
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. A narrow-band light source such as a narrow-band light-emitting diode (LED) or a laser can be used to obtain the narrow-band light. Alternatively or additionally, the light source 32 can also have a filter that is configured to filter broadband light or at least one that has a higher wavelength fluctuation from a light-generating element and to provide the narrow-band light at the output of the filter, which can be routed to the multimode interferometer. Alternatively or additionally, it is also possible for the receiving device 26 to have such a filter, which is configured to filter the affected light and to filter out only a narrow-band signal from a possibly broad-band signal on the output side 22 in order to produce a narrow-band filtered light provide at a filter output. The evaluation device 28 can be designed to carry out the evaluation based on the narrow-band light.
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 Fig. 1 implementiert werden. The implementation of the light source 32 and the filters of the light source and the receiving device can also be implemented in the exemplary embodiment in FIG. 1 independently of the implementation of the MMI 14 .
Bei einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 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 Fig. 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 Figuren 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. In an alternative embodiment of the device 10 according to FIG. 3 , the device 10 is designed to continuously modulate one or more or all of the MEMS actuators 330 in order to continuously modulate the output-side light. Furthermore, the device 10 according to this example is designed to determine a plurality of sampling times based on an input signal and the Evaluation device 28 is designed to evaluate the light on the output side at the sampling times in order to generate the key 12 . For example, the control device 42 according to this embodiment can be designed to determine sampling times 92 based on the input signal 44 , which are shown as an optional element in FIG. 3 , and to make these available to the evaluation device 28 . By modulating the MEMS actuators, the pattern of the local intensity distribution is continuously modulated, so that the local intensity distribution can differ at two different sampling times. Based on the local intensity distribution of the light on the exit side, the evaluation device 28 can generate a contribution for the key 12 at each of the sampling times. For example, the MEMS actuators can be modulated with a periodic signal, for example a sinusoidal signal or a triangular signal. In this case, the frequency for the individual MEMS actuators can be individual or uniform, it being possible for a respective phase to be individual or uniform for a uniform frequency for the MEMS actuators. By generating the key based on sampling times, a longer key can be generated with a specific number of MEMS actuators, which can be set to a specific number of positions based on the input signal, than by deriving a specific position pattern from the input signal. In other words, by using the time domain with the same number of MEMS actuators or detectors, the key length can be increased significantly. According to a preferred exemplary embodiment, control unit 42 is designed to provide sampling times 92 based on input signal 44 and also to select one or more of MEMS actuators 330 based on input signal 44 and to continuously modulate the selected MEMS actuators. The key can thus be generated depending on the selection of the selected MEMS actuators and the sampling times. Multiple MEMS actuators are preferably modulated at the same time in order to achieve a high degree of robustness of the key. The continuous modulation of the MEMS actuators and the generation of the key based on the sampling times can be combined with the embodiments described with reference to FIGS adjustable positions, the number of photodetectors and the length of the key can be different, taking into account the number of sampling times signaled in the input signal. For example, the control unit based on a first bit sequence section of the input signal Select MEMS actuators for the modulation and determine the sampling times based on a second bit sequence section of the input signal.
Fig. 4 zeigt eine schematische Aufsicht der beweglichen Elemente 38 der Mehrzahl von MEMS-Aktuatoren 330 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 sind die beweglichen Elemente 38I-4 von MEMS-Aktuatoren 330I-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 38I-4 können beispielsweise mittels einer elektrostatischen Kraft bewegt werden, wie im Folgenden in Hinblick auf Fig. 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. 4 shows a schematic top view of the movable elements 38 of the plurality of MEMS actuators 330 according to an embodiment. According to the exemplary embodiment in FIG. 4 , the movable elements 38I- 4 of MEMS actuators 330I- 4 are fastened to a frame 442 by means of spring elements 438 and are therefore arranged so as to be movable relative to the frame 442 . Frame 442 may be mechanically fixed with respect to light guide 16 . The movable elements 38I- 4 can be moved, for example, by means of an electrostatic force, as described below with regard to FIG. It is noted that, for example, an index 1-4 designates all elements provided with the respective reference number with index 1 through index 4.
Fig. 5 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines Ausführungsbeispiels des Vorrichtung 10 mit elektrostatischen MEMS-Aktuatoren. Fig. 5 kann eine Schnittansicht eines Beispiels der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung 10 darstellen. Gemäß dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel weist die Vorrichtung 10 eine Mehrzahl von MEMS-Aktuatoren mit jeweiligen beweglichen Elementen 38 auf, welche in Fig. 5 durch die beweglichen Elemente 38i, 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 T räger 442 verbunden. Der T räger 442 kann zum Beispiel dem in Fig. 4 gezeigten Rahmen 442 entsprechen. Die jeweiligen leitfähigen Schichten 550 der beweglichen Elemente 381-4 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 Fig. 2 beschrieben. Beispielsweise ist die Schicht 336 zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht 550 und dem Lichtleiter 16 angeordnet. 5 shows a schematic side sectional view of an embodiment of the device 10 with electrostatic MEMS actuators. FIG. 5 may depict a sectional view of an example of the device 10 shown in FIG. 4 . According to the example shown in FIG. 5, the device 10 has a plurality of MEMS actuators with respective movable elements 38, which are represented in FIG. 5 by the movable elements 38i, 38 2 , 38 3 , 38 4 . The movable elements 38 each have an electrically conductive layer 550 which is arranged opposite the light guide 16 . The electrically conductive layer 550 is movably connected to a carrier 442 fixed relative to the light guide 16 . The carrier 442 may correspond to the frame 442 shown in FIG. 4, for example. The respective conductive layers 550 of the movable elements 38 1-4 may be electrically isolated from each other such that an individual voltage may be applied to each of the conductive layers. Movable elements 38 also include layer 336 as described with respect to FIG. For example, the layer 336 is arranged between the electrically conductive layer 550 and the light guide 16 .
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel also auf einem der beweglichen Elemente 38 und der Elektrode 544 basieren. According to the exemplary embodiment in FIG. 5 , the device 10 also has an electrode 544 which is mechanically fixed with respect to the light guide 16 and is arranged opposite the movable elements 38 . In the example shown in FIG. 5 , the light guide 16 is arranged between the movable elements 38 and the electrode 544 . The device 10 can be configured to apply a voltage between each of the conductive layers 550 of the movable elements 38 and the electrode 544 . Based on a resulting from the tension electrostatic force, the distance between the movable element 38 and the electrode 544, and thus the light guide 16, can be adjusted, and thus the size of a gap 552 (in the z-direction) between the light guide 16 and the layer 336 of the movable element 38 to be changed. For example, the electrically conductive layers 550 each have an electrical contact to which the device 10 can apply an individual voltage for the respective movable element 38 . In examples, the voltage is applied between the electrical contact of electrically conductive layer 550 and electrode 544 . In alternative examples, as shown in FIG. 5, the voltage is applied between the electrical contact of the conductive layer 550 and a reference potential, such as ground, and the electrode 554 is electrically connected to the reference potential. Each of the MEMS actuators 330 can thus be based on one of the movable elements 38 and the electrode 544 according to the exemplary embodiment shown in FIG. 5 .
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. Optionally, the moveable elements 38 may include a cladding layer 548 disposed between the electrically conductive layer 550 and the layer 336 . Cladding layer 548 may have a lower refractive index than layer 336 . As a result, light which is coupled into the layer 336 by the light guide 16 can be efficiently reflected at an interface between the layer 336 and the cladding layer 548, so that losses of the light when passing through the light guide 16 can be kept low.
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. According to one exemplary embodiment, the device 10 also has a light guide jacket 517 adjoining the light guide 16 . The optical fiber jacket 517 is arranged opposite to the movable elements 38 so that the optical fiber 16 is arranged between the movable elements and the optical fiber jacket 517 . In other words, the light guide 16 can have a first main surface and a second main surface opposite the first main surface. The light guide jacket 517 can be arranged on the first main surface of the light guide 16 . The movable elements 38 can be arranged opposite the second main surface of the light guide 16 . The light guide cladding 517 may have a lower refractive index than the light guide 16 such that light propagating in the light guide 16 reflects efficiently through the first major surface of the light guide 16, i.e. at an interface between the light guide 16 and the light guide cladding 517 can be, so that losses of light when passing through the light guide 16 can be kept low. For example, the light guide jacket 517 can be arranged between the electrode 544 and the light guide 16 .
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. It should be noted that the implementation of the light guide cladding 517 as well as the cladding layer 548 of the movable elements 38 is independent of the implementation of the MEMS actuators as electrostatic MEMS actuators.
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. Device 10 may optionally include a substrate 552 disposed opposite light guide 16 such that light guide 16 is positioned between moveable elements 38 and substrate 552 .
Fig. 6 zeigt eine schematische Aufsicht einer alternativen Ausführungsform des in Fig. 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. 6 shows a schematic plan view of an alternative embodiment of the example of device 10 shown in FIG. 5. In this embodiment, substrate 552 is electrically conductive and performs the function of electrode 544. Thus, no additional layer for electrode 544 is necessary. For example, according to this embodiment, the substrate 552 may include a metal or a doped semiconductor material, such as doped silicon.
Fig. 7 zeigt eine schematische Aufsicht einer weiteren alternativen Ausführungsform des in Fig. 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. 7 shows a schematic plan view of another alternative embodiment of the example of device 10 shown in FIG. This allows the electrode 544 to be placed very close to the electrically conductive layers 550 of the movable elements 38 . Thus, small stresses may be sufficient to change the distance between the moveable elements 38 and the light guide 16.
Fig. 8 zeigt eine schematische Aufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 10. Das in Fig. 8 gezeigte Ausführungsbeispiel kann optional einem der in Fig. 5 bis Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiele entsprechen. Gemäß dem in Fig. 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 Fig. 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, 38i 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 Fig. 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 Fig. 8 gezeigten Ausführungsform kann die Vorrichtung 10 ferner einen mechanischen Anschlag für die zweite Position aufweisen. In Kombination mit der in Fig. 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. FIG. 8 shows a schematic plan view of a further exemplary embodiment of the device 10. The exemplary embodiment shown in FIG. 8 can optionally correspond to one of the exemplary embodiments shown in FIGS. 5 to 7. According to the exemplary embodiment shown in FIG. 8 , the device 10 has a mechanical stop 856 in order to define a first position of the movable elements 38 . For example, the MEMS actuators can be designed to set their respective movable element 38 to one of at least a first and a second position depending on a control signal, for example an applied voltage. In the condition of the device 10 shown in Fig. 8, the position of the movable element 383 can correspond to the first position and the position of the movable elements 384, 382, 38i to the second match position. Thus, in the first position, the moveable member 38 is positioned a lesser distance from the light guide than in the second position. According to FIG. 8 , the mechanical stop 856 is implemented as a layer adjacent to a first main surface of the light guide 16 , the first main surface being a surface region of the light guide 16 facing the movable elements 38 . The first position of the movable elements 38 can be set precisely by the mechanical stop 856, even if the actuating signal is relatively imprecise, or a mechanical resistance to moving the movable elements 38 varies between the movable elements 38 or over time. As an alternative or in addition to the embodiment shown in FIG. 8, the device 10 can also have a mechanical stop for the second position. In combination with the embodiment shown in FIG. 7 , the mechanical stop for the second position can be implemented, for example, by a layer arranged between the electrode 544 and the electrical layers 550 . In this case, the mechanical stop is preferably electrically insulating, and can either be arranged mechanically fixed with respect to the electrode 544, or be part of the movable elements 38.
Fig. 9 zeigt eine schematische Aufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 10. Das in Fig. 8 gezeigte Ausführungsbeispiel kann optional einem der in Fig. 3 bis Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiele entsprechen, insbesondere einem der Ausführungsbeispiele der Fig. 4 bis Fig. 8. Fig. 4 bis Fig. 8 können eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A von Beispielen der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 9 darstellen. Gemäß dem in Fig. 9 gezeigten Beispiel weist das MMI 14 eine Anordnung beweglicher Elemente 38M6 auf. Bei weiteren Bespielen kann die Anzahl der beweglichen Elemente von 16 verschieden sein. Jedes der beweglichen Elemente 38I-I6 ist Teil eines ihm zugeordneten MEMS-Aktuators. Die beweglichen Elemente 38M6 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. Fig. 9 shows a schematic plan view of a further exemplary embodiment of the device 10. The exemplary embodiment shown in Fig. 8 can optionally correspond to one of the exemplary embodiments shown in Fig. 3 to 8, in particular to one of the exemplary embodiments in Fig. 4 to 8. FIGS. 4 through 8 may illustrate a sectional view along section line A of examples of the device 10 of FIG. 9 . According to the example shown in FIG. 9, the MMI 14 has an array of movable elements 38 M6 . In other examples, the number of moveable elements may be other than 16. Each of the movable elements 38 I-I6 is part of a MEMS actuator associated with it. The movable elements 38 M6 can be controlled individually by the control device 42, so that a pattern can be generated in the local distribution of the effective refractive index of the light guide 16 by setting individual distances between the respective movable elements and the light guide. Depending on the local distribution of the effective refractive index of the light guide 16, a pattern can be set on the output side 22 in the local intensity distribution of the light on the output side.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind die beweglichen Elemente 38I-I6 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 38ie 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 38i6 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 38I6 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 38ie 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. According to embodiments, the movable elements 38 I-I6 are arranged such that a pattern in the control of the MEMS actuators, and thus a pattern in the local distribution of the effective refractive index of the light guide 16, a pattern in the local Intensity distribution of the output-side light at the output side 22 is clearly assigned. An asymmetry in the arrangement of the movable elements 38 can be advantageous for an unambiguous association of each key 12 with an input signal 44 or a pattern of driven movable elements 38 . If, for example, only the movable element 38ie is considered within a thought experiment, a change in the local intensity distribution of the light on the exit side obtained through its activation can be identical or at least almost identical, regardless of where the movable element 38i 6 is adjacent to along the x-direction the light guide 16 of the multimode interferometer 14 is located. On the other hand, a position along the y-direction can be relevant and a changed position y of the movable element 38I 6 along the y-direction can lead to a changed local intensity distribution. However, the change may be symmetrical with respect to a location where the light source light is directed into the multimode interferometer 14, such as a central axis. An arrangement with a maximum y-value and an arrangement with a minimum y-value of the movable element 38ie can lead to an identical or almost identical local intensity distribution on the output side 22 based on such a symmetry. An asymmetry in the arrangement of the movable elements along the x and/or y directions can therefore offer advantages in terms of the uniqueness of the patterns obtained on the output side 22 .
Gemäß dem in Fig. 9 gezeigten Beispiel können die beweglichen Elemente 38i-ie in einem zweidimensionalen Array zwischen der Eingangsseite 18 und der Ausgansseite 22 des Lichtleiters 16 angeordnet sein, und die beweglichen Elemente 38i-ie bezüglich zumindest einer Richtung (x, y) des zweidimensionalen Arrays asymmetrisch gebildet sein. Bei dem in Fig. 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 38M6 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 = 2 mm auf, und in y-Richtung eine Länge von Ly = 0,2 mm auf. According to the example shown in Fig. 9, the movable elements 38i-ie can be arranged in a two-dimensional array between the input side 18 and the output side 22 of the light guide 16, and the movable elements 38i-ie with respect to at least one direction (x, y) of the two-dimensional arrays can be formed asymmetrically. In the example shown in Fig. 9, the movable members are formed asymmetrically with respect to both directions x and y. Unambiguity or ambiguity of the local intensity distribution on the output side 22 can also be achieved in examples in which the movable elements 38M 6 are formed asymmetrically in only one of the two directions x and y, for example in the y direction has a length of L=2 mm in the x-direction, and a length of L y =0.2 mm in the y-direction.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, welches auf einer der Ausführungsformen gemäß Fig. 5 bis Fig. 8, insbesondere auf der Ausführungsform gemäß Fig. 6, basieren kann, in Kombination mit der in Fig. 9 gezeigten Anordnung der beweglichen Elemente 38i. 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 (S13N4), 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 (S1O2) 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 pm aufweisen, der Lichtleiter eine Dicke von 0,22 pm, die Schicht 336 der beweglichen Elemente eine Dicke von 0,3 pm, und die Mantelschicht 548 eine Dicke von 1 ,5 pm. Der Rahmen 442 und die elektrisch leitfähige Schicht 550 kann eine Dicke von 75 pm aufweisen. Beispielsweise können die MEMS-Aktuatoren ausgebildet sein um den Spalt 552 auf Dicken von 0,01 pm bis 1 pm einzustellen, oder auf eine erste Dicke von 0,01 pm und eine zweite Dicke von 1 pm. Die Abhängigkeit zwischen Spaltdicke und effektiver Brechzahl des Lichtleiters 16 dieses Ausführungsbeispiels kann beispielsweise der in Fig. 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 pm 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. According to a preferred embodiment, which can be based on one of the embodiments according to FIGS. 5 to 8, in particular on the embodiment according to FIG. 6, in combination with the arrangement of the movable elements 38i shown in FIG. 16 , the substrate 552 comprises silicon, for example with a refractive index of 3.48. That Silicon can be doped to serve as a counter electrode for the moving elements. Furthermore, the light guide 16, which can also be referred to as the core, and the layer 336 of the movable elements 38, also referred to as the actuator core, have silicon nitride (S13N4), for example with a refractive index of 1.97. Furthermore, the light guide cladding 517, also referred to as waveguide cladding, and the cladding layer 548, also referred to as actuator cladding, have silicon dioxide (S1O2), for example with a refractive index of 1.44. The gap 552 can be formed by air with a refractive index of 1, for example. The light guide cladding 517 may have a thickness of 3 μm, the light guide a thickness of 0.22 μm, the movable element layer 336 a thickness of 0.3 μm, and the cladding layer 548 a thickness of 1.5 μm. The frame 442 and the electrically conductive layer 550 can have a thickness of 75 μm. For example, the MEMS actuators can be configured to adjust the gap 552 to thicknesses of 0.01 pm to 1 pm, or to a first thickness of 0.01 pm and a second thickness of 1 pm. The dependency between the gap thickness and the effective refractive index of the light guide 16 in this exemplary embodiment can follow the dependency described in FIG. 20, for example. The thicknesses given may refer to respective dimensions along a direction from the light guide 16 to the movable elements 38, for example perpendicular to the light guide 16 along the z-direction. For example, such an implementation can be particularly advantageous in connection with the use of light with a wavelength of 1.55 pm. Other exemplary embodiments with the material selection mentioned can advantageously be implemented for a wavelength of light in the visible (VIS) and in the infrared (NIR) spectral range, for example by adjusting the thicknesses of the individual components. Further exemplary embodiments use other material combinations.
In anderen Worten, die Vorrichtung 10 der Fig. 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. Fig. 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 Fig. 4 bis Fig. 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. In other words, the device 10 of FIGS. 3 to 9, which in examples can also be referred to as a MEMS crypto-MMI, can convert an electrical n-bit input signal into an electrical n-bit output signal. In examples (see eg FIG. 17) n=16. For this purpose, an n-bit input signal can be converted in the control electronics 42 by means of a D/A converter into a voltage signal (digital or analog) corresponding to the respective bit value, with which the associated MEMS actuators are controlled. The MEMS actuators can, for example, as shown in FIGS. 4 to 9 , be plates 550 which are connected to a frame 442 by means of spring elements 438 and are deflected towards the counter electrode under the effect of the electrostatic force between plates 550 and counter electrode 544 . Due to the core 16 approaching Plates 550, or the layers 336 optionally located thereon, the effective refractive index of the core 16 acting on the light is varied, so that a distribution of the effective refractive index results in the MMI, which corresponds to the pattern of the controlled actuators 38. Similar to a hologram, the refractive index distribution within the MMI influences the phase of the light radiated into the MMI by a laser, so that an intensity distribution that is characteristic of each digital input signal occurs on the output waveguides of the MMI. This intensity distribution is finally recorded by means of photodetectors 126, the signals of which can be converted into a digital output signal by means of an A/D converter.
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. Fig. 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 pm ausreichend sein kann, können, vergleichen mit der elektrooptischen Variante, deutlich geringere Spannungen verwendet werden, besonders im Falle einer aktornahen Gegenelektrode, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. In comparison with electro-optical embodiments of crypto-MMIs, the MEMS variant described here has the same characteristics that are favorable for encryption. Compared to the electro-optical variant, the influence of the plates approaching the MMI core on the effective refractive index of the core can be one to two orders of magnitude greater than the effect of the electro-optical effect, so that the light at the output of the MMI changes more or the Size of the MMI can be reduced. Furthermore, in examples, the distance between the plate and the core can be controlled by position detection by means of e.g. capacitive back measurement or piezoresistive position sensors or by an additional mechanical stop (cf. Fig. 8), so that the change in the effective refractive index brought about is reproducible and not subject to drift. Since a plate displacement of approx. 1 μm can be sufficient, compared to the electro-optical variant, significantly lower voltages can be used, particularly in the case of a counter-electrode close to the actuator, as is shown in FIG.
Fig. 10 zeigt eine schematische Aufsicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 gemäß Fig. 10 umfasst das Multimode-Interferometer 14 mit Lichtleiter 16. Ferner umfasst die Vorrichtung 10 eine Anordnung 36 beweglicher Elemente 38i-ie jeweiliger MEMS-Aktuatoren. Die Anordnung 36 beweglicher Elemente gemäß Fig. 10 kann der Anordnung beweglicher Elemente aus Fig. 9 entsprechen und zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform, bei der die beweglichen Elemente 38i bis 38ie entlang beider Richtungen x und y des zweidimensionalen Arrays asymmetrisch gebildet sind. Die beweglichen Elemente 38i bis 38ie können in Zeilen und Spalten angeordnet sein, wobei eine Zeile beispielsweise die beweglichen Elemente 384, 383, 382 und 38i ; 388, 38z, 38e und 385; 3812, 38II, 38IO und 38g bzw. 38ie, 38is, 38M und 38M aufweisen. Eine Spalte kann beispielsweise die beweglichen Elemente 384, 38a, 38I2 und 38I6; 383, 387, 38n und 38I5; 382, 386, 38io und 38™ bzw. 38i, 38s, 38g und 38I3 aufweisen. FIG. 10 shows a schematic plan view of an exemplary embodiment of the device 10. The device 10 according to FIG. 10 includes the multimode interferometer 14 with an optical fiber 16. The device 10 also includes an arrangement 36 of movable elements 38i-ie of respective MEMS actuators. The arrangement 36 of movable elements according to FIG. 10 can correspond to the arrangement of movable elements of FIG. 9 and shows a particularly preferred embodiment in which the movable elements 38i to 38ie are formed asymmetrically along both directions x and y of the two-dimensional array. The movable elements 38i to 38ie can be arranged in rows and columns, a row containing, for example, the movable elements 38 4 , 38 3 , 38 2 and 38i ; 388, 38z , 38e and 385; 3812, 38II, 38IO and 38g and 38ie , 38is, 38M and 38M, respectively. A column can for example, the movable elements 38 4 , 38a, 38I 2 and 38I 6 ; 38 3 , 38 7 , 38n and 38I 5 ; 38 2 , 38 6 , 38io and 38™ and 38i, 38s, 38g and 38I 3 , respectively.
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. Movable elements within a column may be arranged along a column direction, e.g. y. Movable elements within a row can be arranged along a row direction, for example x. It goes without saying that any other assignment to the directions can be obtained by any other designation of the directions in space and/or by rotating the device 20 in space.
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 Xi, x2, x3 oder x aufweist, die jeweils voneinander verschieden sind. Die Eindeutigkeit kann sich jedoch auch darauf beziehen, dass die jeweilige Abmessung Xi 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 Xi bis x4 nicht durch eine Kombination jeweils anderer Werte Xi, x2, x3 und/oder x4 erhalten werden kann, kann vermieden werden, dass eine ähnliche Störstelle in der gleichen Zeile erhalten wird. Movable elements within a row can have different dimensions along the row direction x. In this case, the dimension of the respective movable element can be unambiguous along the row direction x. Unambiguous here can refer to the fact that each movable element is designed individually with regard to its dimensions and has, for example, a dimension Xi, x 2 , x 3 or x, which are different from one another in each case. However, the clarity can also refer to the fact that the respective dimension Xi to x 4 cannot be obtained by a combination of other movable elements within the respective row. The influencing of the light in the light path can depend on a spatial extent of the defect generated by the electric field, ie the variable refractive index. By being so unique that a dimension Xi to x 4 cannot be obtained by a combination of other values Xi, x 2 , x 3 and/or x 4 , respectively, it can be avoided that a similar defect is obtained in the same row.
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. Alternatively or additionally, a dimension of movable elements within a column can have a dimension that differs from one another and is unique within the column along the column direction y.
Gemäß einem nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel kann gelten, dass xi<x2<x3<x4; und yi<y2<y3<y4. According to a non-limiting embodiment, xi<x 2 <x 3 <x 4 ; and yi < 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 38I6;38I2 oder x3/x2 für das Paar beweglicher Elemente 38i5;38i4, so kann sich jeweils ein Quotient bilden, der einen Quotientenwert aufweist. Gemäß einer Ausführungsform kann beispielsweise gelten, dass X =2*X3, X3=2*X2 und x2=2*xi sowie y =2*y3, y3=2*y2 und y2=2*yi. 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. If a dimension along the respective row direction x or column direction y of two adjacent movable elements is compared, for example a quotient thereof formed, with the larger dimension in the numerator and the smaller dimension in the denominator, for example y 4 /y 3 for the pair of movable elements 38I 6 ;38I 2 or x 3 /x 2 for the pair of movable elements 38i 5 ;38i 4 , so a quotient can form in each case, which has a quotient value. For example, according to one embodiment, X =2*X 3 , X 3 =2*X 2 and x 2 =2 * xi and y =2*y 3 , y 3 =2 * y 2 and y 2 =2 * yy. Here, for example, a quotient value of 2 can be obtained, which is constant within each row and each column. This means that the quotient of the dimension of any two adjacent movable elements along the row direction and/or column direction can have a uniform quotient value. The quotient value can, for example, have a value within a value range of at least 1.5 and at most 10, at least 2 and at most 8 and/or at least 2 and at most 3, about 2. For quotients with a value between 1 and 2, values can exist for which the sum of the lengths of two movable elements corresponds to the length of a third movable element, which can be avoided for the sake of clarity. For values greater than or equal to 2, the length of a third movable element can no longer be achieved by the sum of the lengths of other movable elements, so that values of at least 2 are advantageous for the quotient.
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. According to exemplary embodiments, a quotient of the dimension of any two adjacent movable elements 38 along the row direction (x) has a uniform quotient value. Alternatively or additionally, a quotient of the dimension of any two electrodes 38 along the column direction (y) has the uniform quotient value. In some examples, the quotient value has a value within a value range of at least 1.5 and at most 10.
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. Although the arrangement 36 of movable elements is described in such a way that the movable elements or the array are formed asymmetrically with respect to both directions x and y, asymmetry with respect to one direction can already be sufficient. Although the array of moveable element assembly 36 is described as having a constant quotient within a row and a column, according to other embodiments, an array may be formed such that moveable elements within a row have a different and unique dimension along within the row have the row direction x. Alternatively or additionally, the movable elements within a column can have a different dimension along the column direction y that is unique within the column. Alternatively, a symmetrical arrangement or design of the possibly identically formed movable elements or the variable influencing the refractive index.
In einer allgemeinen Form kann die Anordnung 36 beweglicher Elemente bezüglich des zweidimensionalen Arrays so gebildet sein, dass die beweglichen Elemente 38i bis 38ie 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 38i bis 38I6 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 38i bis 38i6 erzeugt werden. In a general form, the arrangement 36 of movable elements with respect to the two-dimensional array can be formed such that the movable elements 38i to 38ie are formed asymmetrically with respect to influencing the light guided through the light path with respect to at least one direction x or y of the two-dimensional array. This can be implemented in such a way that each electrode 38i to 38I 6 causes a clear influencing of the light on the output side 22 . The asymmetrical influencing of the light guided through the light path with respect to at least one direction x or y of the two-dimensional array can be produced by different geometries of movable elements and/or by different electrical positions in the z-direction of the movable elements 38i to 38i 6 .
Im Folgenden wird näher auf die Ansteuereinrichtung 42 aus Fig. 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 Fig. 4 bis Fig. 10 beschrieben implementiert sein können. In the following, the control device 42 from Fig. 3 and its interaction with the MEMS actuators and the generation of the key 12 will be discussed in more detail, wherein the MEMS actuators or the movable elements as with reference to Fig. 4 to Fig. 10 described can be implemented.
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. According to one embodiment, the input signal 44 includes a bit sequence whose length, ie the number of bits, corresponds to the number of MEMS actuators. The control device 42 can be designed to control each of the MEMS actuators based on a bit of the bit sequence of the input signal 44 assigned to the respective MEMS actuator in order to set a distance of the respective MEMS actuator from the optical fiber 16 . According to this exemplary embodiment, the control device 42 can be designed to set the MEMS actuators to one of two different positions. In this case, the control device 42 can optionally control the MEMS actuators with a respective digital control signal, or alternatively with an analog control signal. This exemplary embodiment can be implemented particularly advantageously with the implementation of the mechanical stop 856 for at least one or both of the two positions. By assigning one bit of the bit sequence to one of the MEMS actuators, a clear or one-to-one assignment between the bit sequence of the input signal 44 and a local distribution of the effective refractive index of the light guide 16 can be achieved in this exemplary embodiment. In combination with an asymmetrical arrangement of the movable elements 38 can furthermore, an unambiguous or one-to-one association between the bit sequence and the local intensity distribution of the light at the exit can be achieved.
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 26I_2 der Empfangseinrichtung 26 bestimmte Information über Intensität des ausgangsseitigen Lichts an einem der Ausgänge 281-2 in einen Bitfolgenabschnitt, welcher mehrere Bits aufweist, für den Schlüssel 12 zu überführen. According to a further exemplary embodiment, the input signal 44 includes a bit sequence and the control device 42 is designed to control one or more of the MEMS actuators based on each of a plurality of bit sequence sections of the bit sequence. In other words, the bit sequence can have a plurality of bit sequence sections, each of which is assigned to one or more of the MEMS actuators. The control device 42 can be designed to set the MEMS actuators to one of more than two different positions based on the bit sequence section respectively assigned to them. For example, the driving device 42 can set a MEMS actuator to one of four positions based on a bit sequence section which has two bits. According to this exemplary embodiment, the control device 42 can control the MEMS actuators with an analog actuating signal, for example a voltage signal which is not necessarily limited to two voltage values, in order to set the MEMS actuators to their respective position. The possibility of setting a MEMS actuator to more than 2 different positions enables a unique or one-to-one association between the bit sequence and the local distribution of the effective refractive index of the light guide 16, even if the number of MEMS actuators is less than the number of bits the bit sequence. In this exemplary embodiment, the evaluation device 28 can optionally be configured to transfer information determined by one of the photodetectors 26I_ 2 of the receiving device 26 about the intensity of the light on the output side at one of the outputs 281-2 to a bit sequence section, which has a plurality of bits, for the key 12 convict.
Bei Beispielen kann die Ansteuereinrichtung 42 ein oder mehrere Digital-Analog-Wandler aufweisen, um jeweils ein analoges Stellsignal für jeden der MEMS-Aktuatoren bereitzustellen. In examples, the control device 42 can have one or more digital-to-analog converters in order to provide an analog actuating signal for each of the MEMS actuators.
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. According to one exemplary embodiment, the control device 42 can control a number of the MEMS actuators with a common control signal. As a result, complex patterns can be achieved in the local distribution of the effective refractive index of the light guide 16 and the robustness of the key 12 can thus be increased. According to a preferred embodiment, the length of the bit sequence of the input signal 44 corresponds to the length of the bit sequence for the key 12. As previously described, the number of MEMS actuators can optionally correspond to the number of bit sequences of the input signal 44 and the key 12. However, the number of MEMS actuators can also be less than the number of bits in the bit sequence, in particular in exemplary embodiments in which the MEMS actuators can be set to more than 2 different positions. In further examples, the number of MEMS actuators can be greater than the number of bits in the bit sequence, in particular in exemplary embodiments in which a number of MEMS actuators are controlled with a common actuating signal.
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 Fig. 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. Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung der Ausgangsseite 22, die in voneinander verschiedene Teilbereiche 54 bis 54I6 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 54i bis 54ie 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 Bi bis Bie. Jeder Schlüsselabschnitt
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bis Bie kann einem Teilbereich 54 bis 54i6 zugeordnet sein, das bedeutet, basierend auf der lokalen Auswertung jedes Teilbereichs 54i bis 54ie können zumindest ein Bit an Informationen für den Schlüssel 12 abgeleitet werden. Wird für jeden Teilbereich 54i bis 54ie beispielsweise eine binäre Schwellwertentscheidung vorgenommen, so kann für jeden Teilbereich 54i bis 54ie ein Bit an Information gewonnen werden. Erfolgt eine mehrstufige Schwellwertentscheidung, so kann auch eine höhere Anzahl von Bits je Teilbereich angeordnet werden. In other words, a proposed cryptographic multimode interferometer (crypto-MMI) converts an electrical n-bit input signal into an electrical m-bit output signal, it being the case that n>m and consequently n=m, for example n, m=16 First, each bit of the n-bit input signal is converted by the control electronics into a voltage value corresponding to the respective bit value, with which a MEMS actuator assigned to the respective bit is set to a respective position state. As can be seen from FIGS. 2, 3 and 5 to 8, which show a section through the MMI, the effective refractive index in the light guide 16 changes locally due to the positions of the movable elements of the MEMS actuators, so that in MMI results in a refractive index distribution, which results from the totality of the controlled MEMS actuators. Similar to a hologram, the refractive index distribution within the MMI influences the phase of the light radiated into the MMI from a laser (light source) as it passes through, so that a characteristic intensity distribution occurs at the output of the MMI for each digital input signal. This intensity distribution at the output of the MMI is recorded by a device for detection (receiving device) and converted into an n-bit output signal by means of evaluation electronics (evaluation device). Such an MMI shows favorable characteristics for encryption. With a suitable choice of shape and arrangement of the movable elements, the conversion of the input signal into the output signal is clear. This can be obtained by an asymmetrical arrangement of the movable elements. The transfer function can therefore not be extrapolated using statistical methods. Furthermore, computational models of the crypto-MMI are too imprecise and/or too computationally expensive to depict its behavior. FIG. 11 shows a schematic representation of the output side 22, which is subdivided into mutually different partial areas 54 to 5416 . The output side 22 can be a cross-sectional area of the light guide 16, for example an area in the zy plane, which is evaluated with regard to the local intensity distribution of the light on the output side. The evaluation device 28 of the device 10 can be designed to evaluate the local intensity distribution in partial regions 54i to 54ie of the output surface 22 that differ from one another. The generated key 12 may have a plurality of key portions. Each key section can contain at least one bit but also a higher number of bits. For example, the key 12 includes a number of 16 bits Bi to Bie. Each key section
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to Bie can be assigned to a sub-area 54 to 54i 6 , which means that at least one bit of information for the key 12 can be derived based on the local evaluation of each sub-area 54i to 54ie. If, for example, a binary threshold value decision is made for each sub-area 54i to 54ie, one bit of information can be obtained for each sub-area 54i to 54ie. If a multi-stage threshold value decision is made, then a higher number of bits can also be arranged per sub-area.
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 54 bis 54ie 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 54i bis 54I6 an die erhaltenen Lichtmuster angepasst werden. Although shown as a rectangle, exit face 22 may have any other shape, such as circular, elliptical, polygonal, freeform, or a combination thereof. Each of the partial areas 54 to 54ie can be round, angular, polygonal, elliptical or formed as a free-form surface and can have the same dimensions or dimensions that differ from other partial areas. In particular, a position and type and shape of the partial areas 54i to 54I 6 can be adapted to the light pattern obtained.
Obwohl die Teilbereiche 54 bis 54I6 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. Although portions 54-54I 6 are shown as forming a single-row array at output side 22, any arrangement may be chosen, such as a two- or multi-row array, or any other geometric arrangement consistent with the data to be detected Effects on the output side 22 is available.
Obwohl die Teilbereiche 54 bis 54ie 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 Fig. 2 und Fig. 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. Although the sections 54 to 54ie are shown arranged symmetrically with respect to the exit side 22, in other examples they may be arranged asymmetrically. In general, the outputs associated with the photodetectors 126, 78 on the output side 22 of Figures 2 and 17 may be arranged symmetrically or asymmetrically with respect to the output side. Unambiguousness can be achieved through an asymmetrical arrangement in examples, this can also be achieved when the arrangement 36 of the movable elements 38 is symmetrical.
Wie es im Zusammenhang mit den Fig. 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. As explained in connection with FIGS. 1 to 10, the device 10 can be designed to vary the effective refractive index of the light path 16 based on a bit sequence in the input signal 44. FIG. The input signal 44 can have a first number of bits, for example 16. The evaluation device can be designed to provide a bit sequence for the key 12 with a corresponding number of bits for the key 12 .
Fig. 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. FIG. 12 shows a schematic block diagram of a device 40 according to an embodiment, which communicates with a further device 57 . The device 40 can be constructed similarly to or correspond to the device 10 and can have a physical or logical signal input 56 . At the signal input 56, the device 40 can receive a bit sequence, which includes the input signal 44, for example, in a wireless or wired manner. The device 40 may have a logical or physical signal output 58 and configured to transmit the key 12 using the signal output 58 . The signal input 56 and the signal output 58 can be parts of separate or a common communication interface. The device 57 can be designed to send the input signal 44 to the device 40 . Based on this, the device 40 can create the key 12 and send it back to the device 57 . Based on this, the device 57 can check whether the device 40 knows the shared secret in order to generate the appropriate key 12 based on the input information of the input signal 44 . Instead of the key 12, the device 40 can also be designed to send a message encoded or decoded using the key 12 to the device 57. In this case, the encrypted or unencrypted message can be the shared secret.
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. Alternatively or additionally, the device 40 can be designed to send the input signal 44 with the signal output 58 and to receive the key 12 in response thereto. The device 40 can thus be designed to provide the bit sequence of the input signal 44 at the signal output 58 and can receive an input signal at the signal input 56 which has a reference key, the key 12 . The device 40 can be designed in this case to the To compare reference key with the self-generated key, and to assess an identity of the device 57 based on a comparison result.
Unter erneuter Bezugnahme auf die Fig. 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. Referring again to Figures 1-3 and 10, the device 10 may be configured to direct a first and a different second light through the light path at different time intervals. The light settings that differ from one another can, for example, involve wavelengths that differ from one another. Based on each different wavelength, a different interference pattern, i.e. a different local intensity distribution, can be obtained on the output side 22 of the light path, so that different keys can be provided by the evaluation device 28 based on different wavelengths. The evaluation device can be configured to combine the keys obtained in this way to form an overall key, for example by adding or linking the individual bits together.
Ebenfalls mit Bezug auf die Fig. 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. Also with reference to FIGS. 1 to 3 and 10, the light can be coupled in at the input side 18 of the light guide 16 with respect to the y-direction, or a direction along which the photodetectors 126 can be arranged, at a central position of the input side 18 take place, or alternatively at a position deviating from the central position. An asymmetry in the local intensity distribution on the output side 22 can be achieved by a position deviating from the central position, even if the arrangement 36 of the movable elements 38 is embodied symmetrically. This also applies to exemplary embodiments with a number of light sources 32 . These can be coupled in symmetrically or asymmetrically on the input side 18 .
Fig. 13 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Anordnung 36a beweglicher Elemente 38I-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 Xi, 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 38i, 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, 38s, 38i2, ... , 38256 eine gleiche Abmessung entlang der y-Richtung aufweisen, etwa die Abmessung yi. Das bedeutet, verglichen mit der Fig. 2a kann die Asymmetrie auch lediglich einer der Richtungen x oder y vorherrschen. Optional können die beweglichen Elemente 384, 38e,13 shows a schematic plan view of an arrangement 36a of movable elements 38I- 256 of a multimode interferometer 14a, as can be used in devices 10 according to the invention. The array 36a of movable elements comprises a number of at least 256 movable elements arranged in four columns, the dimensions of the movable elements being the same within the respective column and depending on the column may be Xi, X2, X3 or X4. A number of 256 movable elements can be controlled, for example, by means of a signal comprising at least 256 bits. Other numbers of moveable elements may be used without limitation, such as more than 10, more than 50, more than 100, or more than 256. The movable elements of a row, for example the movable elements 38i, 38 2 , 38 3 and 38 4 can thus have different dimensions in the x-direction and the same dimensions along the y-direction. Furthermore, the movable elements within a column, for example the movable elements 38 4 , 38 s , 38 i 2 , . This means that, compared to FIG. 2a, the asymmetry can also prevail in only one of the directions x or y. Optionally, the movable elements 38 4 , 38e,
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 yi oder dergleichen. 38 12 . 38 256 may have the same width, but still be arranged asymmetrically in relation to the MMI, for example due to an offset or a different dimension in yi or the like.
Gemäß Ausführungsbeispielen, wie den in Fig. 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. According to exemplary embodiments such as those shown in Fig. 9, 10 and 13, the device 10 is configured to produce an asymmetrical local intensity distribution of the output-side light on the output side 22 by geometries of the asymmetrical with respect to at least one direction (x, y) of the two-dimensional array movable elements 38 and/or by means of electrical distances between the movable elements and the light guide 16 which differ from one another.
Fig. 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 38i, bis 38ie 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 38i bis 38ie führen. FIG. 14 shows a schematic top view of an arrangement of movable elements 36b of a multimode interferometer 14b, as can be used in the device 10 according to the exemplary embodiments described herein. The movable elements 38i to 38ie are asymmetrical with regard to their surface geometry and each have a free-form surface. Lengths (dimensions along the x-direction) and widths (dimensions along the y-direction) of the movable elements can vary individually within the movable elements and lead to an individual surface geometry of the respective movable element 38i to 38ie.
Fig. 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 38i bis 3812 auf. Die beweglichen Elemente 38i bis 3812 können in einer Anzahl von Zeilen 62i bis 623 angeordnet sein, beispielsweise drei. Die Zeilen 62i 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 62i 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 yi aufweisen. Ferner können Zeilen 62i 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 38i bis 38I2 auch geometrisch symmetrisch gebildet sein können und eine Asymmetrie mit einer asymmetrischen Ansteuerung der beweglichen Elemente erhalten werden kann. FIG. 15 shows a schematic top view of an arrangement 36c of movable elements of a multimode interferometer 14c, as can be used in the device 10 according to the exemplary embodiments described herein. The array 36c of movable elements has movable elements 38i to 3812 which are symmetrical with respect to the geometry used. The movable elements 38i to 38 12 can be arranged in a number of rows 62i to 62 3 , for example three. The rows 62i to 62 3 can be arranged symmetrically with respect to an axial axis of symmetry 64, which can describe a central light propagation path of the light path 16, for example. Thus, the rows 62i and 62 3 can be arranged off the axis of symmetry 64 but with respect to the widths of the movable elements, ie extension along the y-direction, have an identical dimension yi. Furthermore, rows 62i and 62 3 can be arranged at an equal distance from the axis of symmetry 64 on either side thereof. The row 62 2 can be arranged, for example, on and consequently symmetrically to the axis of symmetry 64 and can have the same dimension along the y-direction or a dimension y 2 that differs therefrom. The control device 42 can be designed to adjust the movable elements of the rows 62 1 and 62 3 , for example, to different distances from the light guide 16 in order to obtain an asymmetry in this way. This means that the movable elements 38i to 38I 2 can also be formed geometrically symmetrically and an asymmetry can be obtained with an asymmetrical control of the movable elements.
Gemäß Ausführungsbeispielen, wie den in Fig. 15 und 16 gezeigten, weist das MM1 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 (ci, 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. Thus, according to embodiments such as that shown in Figures 15 and 16, MM1 14 comprises an array 36 of a plurality of spatially separated movable elements 38 arranged in rows 62 and columns 66 of a two-dimensional array. Movable elements 38 can have different dimensions within a row 62 along a column direction (y) and within the row can have unique dimensions (ci, X 4 ) along a row direction (x), and/or can have different dimensions within a column 66 along a row (x) direction and within the column (66) having unique dimensions along a column (y) direction.
Fig. 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. FIG. 16 shows a schematic top view of an arrangement of movable elements 36d of a multimode interferometer 14d, as can be used in devices 10 according to exemplary embodiments.
Die beweglichen Elemente 38i bis 3825e können in einem zweidimensionalen Array mit Zeilen und Spalten angeordnet sein, wobei sämtliche beweglichen Elemente eine gleiche Abmessung entlang der x-Richtung, d. h. Xi und entlang der y-Richtung, d. h. yi aufweisen können. Eine Asymmetrie kann durch eine elektrisch voneinander verschiedene Ansteuerung der beweglichen Elemente 38i bis 3825b 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 38i 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. The movable elements 38i to 3825e can be arranged in a two-dimensional array with rows and columns, where all movable elements can have an equal dimension along the x-direction, ie Xi, and along the y-direction, ie yi. An asymmetry can be obtained by driving the movable elements 38i to 38b electrically differently from one another. Alternatively or additionally, an asymmetry can be obtained by arranging the movable elements asymmetrically with respect to the axis of symmetry 64 . It may be sufficient to merely set the movable elements in different gaps 66 1 to 66 4 to different positions with respect to the z-direction. Further movable elements can be arranged, approximately symmetrically in relation to the illustrated movable elements 38i to 38 256 and in relation to the axis of symmetry 64. In this case it can also be advantageous to move the additionally symmetrically arranged movable elements to different z-positions, ie distances to the light guide 16, in particular with respect to a movable element symmetrical thereto within the same gaps 661 to 664.
In anderen Worten können bewegliche Elemente entsprechend ihren Zeile auf unterschiedliche Abstände zu dem Lichtleiter eingestellt werden, um im Fall der Fig. 15 die Symmetrie zu brechen und eine Asymmetrie zu erhalten. Im Fall der Fig. 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 Fig. 10. In other words, movable elements can be set at different distances from the light guide according to their rows, in order to break the symmetry and obtain an asymmetry in the case of FIG. 15. In the case of Fig. 16, movable elements can be set to different, for example increasing, distances to the light guide 16 according to their column, which can produce a similar or the same effect as longer movable elements along the negative x-direction in Fig. 10 .
Fig. 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 72i bis 72I6 verwendet werden, um die beweglichen Elemente 38i bis 38I6 anzusteuern. An der Ausgangsseite 22 können Wellenleiter 74i bis 74ie 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 74i bis 74I6 mit einem Teilbereich 54i bis 54ie gemäß Fig. 11 verbunden sein. Eine Berechnungseinrichtung 76 der Vorrichtung 60 kann die Empfangseinrichtung 26 aufweisen, die beispielsweise ein Array von Photodetektoren 78i bis 78ie aufweisen kann, um jeweils eines der Signale der Wellenleiter 74i bis 74ie ZU empfangen Die Photodetektoren 78i bis 78I6 können optional den Photodetektoren 126 wie im Hinblick auf Fig. 2 beschrieben entsprechen. Alternativ kann auch eine geringere Zahl von Photodetektoren angeordnet sein und diese beispielsweise in einem Zeitmultiplex genutzt werden. FIG. 17 shows a schematic plan view of a device 60 according to an exemplary embodiment, which can be constructed similarly to the device 10 or can correspond to it. The device 60 can have a control device 42', which is configured to control a corresponding number of digital-to-analog converters 68 1 to 68 16 based on the input signal 44 with a number of, for example, 16 bits, whose analog output signals 72i to 72I 6 can be used to drive the movable elements 38i to 38I 6 . Waveguides 74i to 74ie can be connected to the multimode interferometer 14 on the output side 22 and can be designed to couple out a light signal from the output side 22 in each case. For example, one of the waveguides 74i to 74I 6 can be connected to a partial area 54i to 54ie according to FIG. A computing device 76 of the device 60 can have the receiving device 26, which can have an array of photodetectors 78i to 78ie, for example, in order to receive one of the signals from the waveguides 74i to 74ie. The photodetectors 78i to 78I 6 can optionally the photodetectors 126 as with regard correspond to those described on FIG. Alternatively, a smaller number of photodetectors can also be arranged and these can be used, for example, in a time-division multiplex.
Die Berechnungseinrichtung 76 kann eine Anzahl von Analog-Digital-Wandlern 82i bis 82ie aufweisen, von denen jeweils einer mit einem Photodetektor 78i bis 78ie gekoppelt sein kann, wobei auch hier Multiplex-Konzepte zum Einsatz kommen können. Basierend auf einer Wandlung des Lichtsignals eines einzelnen Wellenleiters 74i bis 74I6 bzw. eines Teilbereichs kann jeweils ein Bit Bi bis Bie des Schlüssels 12 erhalten werden. The calculation device 76 can have a number of analog/digital converters 82i to 82ie, one of which can be coupled to a photodetector 78i to 78ie, in which case multiplex concepts can also be used here. Based on A conversion of the light signal of an individual waveguide 74i to 74I 6 or a sub-area can in each case contain one bit Bi to Bie of the key 12 .
Das Bilden der Bits Bi bis Bie kann in der Berechnungseinrichtung erfolgen, die die Bitwerte zusammensetzen kann. Bits Bi to Bie can be formed in the calculation device, which can combine the bit values.
Fig. 18 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung 70 gemäß einem Ausführungsbeispiel, die zumindest ein erstes Multimode-Interferometer 14i 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 14i ist an seiner Eingangsseite 18i mit einer Ausgangsseite 222 des Multimode-Interferometers 142 gekoppelt, wobei das Multimode- Interferometer 14i die Interferenzmuster an der Ausgangsseite 222 teilweise oder vollständig erhalten kann. Eine Verbindung zwischen der Ausgangsseite 222 und der Eingangsseite 18i kann über Wellenleiter 74 erfolgen. Das bedeutet, dass das Multimode- Interferometer 14i 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 14i angeordnet sein. Beispielsweise kann das Multimode-Interferometer 143 einen anderen Anteil der lokalen Intensitätsverteilung erhalten als das Multimode-Interferometer 14i, etwa basierend auf voneinander verschiedenen Teilbereichen 58 gemäß Fig. 3. Das dritte Multimode-Interferometer 143, das parallel zu dem ersten Multimode-Interferometer 14i mit dem Ausgang des Lichtleiters 16 gekoppelt sein kann, kann deshalb ausgebildet sein, um eine von dem ersten Multimode-Interferometer 14i verschiedene lokale Intensitätsverteilung des Lichtpfades zu erhalten. Das bedeutet, dass unterschiedliche Teilbereiche der Ausgangsseite 222 mit unterschiedlichen Eingangsseiten 18i oder 183 unterschiedlicher Multimode-Interferometer gekoppelt sein können. In anderen Worten zeigt Fig. 18 eine Kaskadierung von Multimode-Interferometern. Fig. 18 shows a schematic top view of a device 70 according to an exemplary embodiment, which has at least a first multimode interferometer 14i and a second multimode interferometer 14 2 , which can each be formed identically or differently from one another and in each case, for example, in accordance with the explanations in connection can be formed with the multimode interferometer 14, 14a, 14b, 14c and/or 14d. The multimode interferometer 14i is coupled at its input side 18i to an output side 22 2 of the multimode interferometer 14 2 , the multimode interferometer 14i being able to partially or fully receive the interference patterns at the output side 22 2 . A connection between the output side 22 2 and the input side 18i can be made via waveguides 74 . This means that the multimode interferometer 14i can receive already affected light as an input signal and can further affect this light. One or more further multimode interferometers 14 3 can optionally be arranged and arranged in parallel to the multimode interferometer 14i. For example, the multimode interferometer 14 3 can receive a different proportion of the local intensity distribution than the multimode interferometer 14i , for example based on mutually different partial areas 58 according to FIG 14i can be coupled to the output of the light guide 16, can therefore be designed to obtain a local intensity distribution of the light path that is different from the first multimode interferometer 14i. This means that different partial areas of the output side 22 2 can be coupled to different input sides 18i or 18 3 of different multimode interferometers. In other words, FIG. 18 shows a cascading of multimode interferometers.
Fig. 19 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung 80 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der das Multimode-Interferometer 14i verschachtelt in einem weiteren Multimode-Interferometer 142 angeordnet ist. Das Multimode-Interferometer 14i kann so gebildet sein, dass der Lichtpfad zwei oder mehr Ausgänge 84i 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 841 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. FIG. 19 shows a schematic plan view of a device 80 according to an exemplary embodiment, in which the multimode interferometer 14i is nested in a further multimode interferometer 14 2 . The multimode interferometer 14i can be formed such that the light path has two or more outputs 84i to 84 3 . Based on partial areas of the output side 22 that differ from one another, these can output and apply different spatial intensity distributions of the light path different lateral points with an input of the multimode interferometer 142 couple or in the light path 162 couple. This means that different spatial intensity distributions of the inner multimode interferometer 142 can be coupled in at different lateral points of the light path 16 2 of the outer multimode interferometer 142 . The light path 162 can be driven by its own array or arrangement of movable elements 362 in order to influence the partial signals obtained from the outputs 84 1 to 84 3 . The position of the coupling of the waveguide to the respective multimode interferometer can be varied and can be central, although this is not required.
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. The devices 70 and 80, i. H. the combination of several multimode interferometers makes it possible to increase the robustness of the keys, since the possible influencing and thus the arithmetic operations to be taken into account increase and a simulation or extrapolation of the key becomes correspondingly more complex.
Obwohl die serielle Hintereinanderschaltung bzw. Kaskadierung von MMI in Fig. 18 und die Verschachtelung in Fig. 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. Although the serial cascading or cascading of MMI in Fig. 18 and the nesting in Fig. 19 are described as separate implementations, both can also be arranged in combination with one another, i.e. cascaded MMIs can be nested and/or nested MMIs can be cascaded will.
Fig. 20 zeigt ein Diagramm mit einem Beispiel einer Abhängigkeit der effektiven Brechzahl netf des Lichtleiters 16 von der Dicke d eines Luftspalts zwischen dem Lichtleiter 16 und einem dem Lichtleiter gegenüberliegend angeordneten beweglichen Element 38. 20 shows a diagram with an example of a dependency of the effective refractive index n etf of the light guide 16 on the thickness d of an air gap between the light guide 16 and a movable element 38 arranged opposite the light guide.
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. In addition to using a multimode interferometer, exemplary embodiments also include multimode interferometers which can be connected to the light source, such as a laser, in the absence of a waveguide. Embodiments also relate to crypto-MMI, which have MMIs that are cascaded one after the other, see device 70, and/or have MMIs that are nested in one another, see device 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. Exemplary embodiments relate to a cryptographic hardware key with an electro-optically programmable multimode interferometer as a core component. The exemplary embodiments enable a component which can unambiguously convert an electrical digital input signal into an electrical digital output signal. Here, the method for converting, ie encryption, the input signal on physical effects are based, which is advantageous over software or hardware-based algorithms. The exemplary embodiments show an electro-optically programmable multimode interferometer (MMI) as the core component of a cryptographic hardware key, which can also be referred to as a crypto-MMI.
Fig. 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. 21 shows a flowchart of a method 210 according to an embodiment. A step 211 includes guiding light from an input side 18 of a light guide 16 to an output side 22 of the light guide 16 in order to provide an output-side light at the output side 22 depending on a propagation of the light in the light guide 16 . A step 212 includes locally varying a refractive index in an environment 20 of the light guide 16 in order to locally vary an effective refractive index which acts on the propagation of the light in the light guide 16 . A step 213 comprises receiving the exit-side light at the exit side 22. A step 214 comprises carrying out an evaluation based on the exit-side light. A step 215 includes generating the key 12 based on the evaluation.
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. Although some aspects of the present disclosure have been described as features associated with an apparatus, it is clear that such a description can also be considered as a description of corresponding method features. Although some aspects have been described as features associated with a method, it is clear that such a description can also be regarded as a description of corresponding features of a device or the functionality of a device.
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. The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present disclosure. It is understood that modifications and variations to the arrangements and details described herein will occur to those skilled in the art. Therefore, it is intended that the disclosure be limited only by the scope of the following claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the exemplary embodiments herein.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. 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. A device (10) for generating a key (12), comprising: a multimode interferometer (14) which can be coupled to a light source and comprises a light guide (16), the light guide being designed to transmit light at an input side ( 18) and to provide an output side light at an output side (22) depending on a propagation of the light in the light guide (16); a receiving device (26) which is designed to receive the output-side light on the output side (22); and an evaluation device (28) which is designed to carry out an evaluation based on the exit-side light and to generate the key (12) based on the evaluation; wherein the device (10) is designed to locally vary a refractive index in an area surrounding the light guide (16) in order to locally vary an effective refractive index which acts on the propagation of the light in the light guide (16).
2. 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. 2. Device (10) according to claim 1, designed to locally vary the refractive index within an area (20) adjoining the light guide (16) in order to vary the effective refractive index locally, the area adjoining the light guide (16) being a Area of a penetration depth of an evanescent field of the light propagating in the light guide (16).
3. 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. 3. Device (10) according to one of claims 1 or 2, wherein the receiving device (26) has a plurality of photodetectors (78, 126), which are each connected to a respective output (122) of the light guide (16) on the output side (22 ) are connected to determine a local intensity distribution of the output-side light on the output side (22), and wherein the evaluation device is designed to generate the key (12) based on the local intensity distribution.
4. 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 der4. Device (10) according to claim 3, wherein the key (12) comprises a plurality of key sections, each key section being associated with one of the outputs (122), and wherein the evaluation device (28) is designed to each of the
Schlüsselabschnitte basierend auf der Intensität des ausgangsseitigen Lichts an dem dem Schlüsselabschnitt zugeordneten Ausgang (122) zu bestimmen. determine key sections based on the intensity of the exit light at the output (122) associated with the key section.
5. Vorrichtung (10) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Auswerteeinrichtung (28) ausgebildet ist, um für jeden der Photodetektoren (78, 126) eine5. Device (10) according to claim 3 or 4, wherein the evaluation device (28) is designed to for each of the photodetectors (78, 126).
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. carry out a threshold value decision as to whether a quantity detected in the respective photodetector (78, 126) is to be converted into a binary 0 or a binary 1, and in order to obtain a bit sequence for the key (12) by lining up the threshold value decisions.
6. 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. 6. Device (10) according to any one of the preceding claims, further comprising a plurality of MEMS actuators (330) which are configured to each have a movable element (38) which is one between the input side (18) and the output side ( 22) arranged surface region of the light guide (16), to vary a distance between the movable element (38) and the light guide (16) and thus to locally vary the refractive index in the vicinity of the light guide (16).
7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei die MEMS-Aktuatoren (330) elektrostatische, elektromagnetische, piezoelektrische oder thermoelektrische Aktuatoren sind. The device (10) of claim 6, wherein the MEMS actuators (330) are electrostatic, electromagnetic, piezoelectric, or thermoelectric actuators.
8. 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. 8. The device (10) according to claim 6 or 7, wherein the movable elements (38) of the MEMS actuators (330) are arranged in a two-dimensional array, the movable elements (38) with respect to at least one direction (x, y) of the two-dimensional arrays are formed asymmetrically.
9. 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. 9. Device (10) according to any one of claims 6 to 8, wherein the movable elements (38) each one of the surface region (132) of the light guide (16) have the opposite layer, which has a refractive index (n) of more than 1.3, or has a refractive index in a range from 1.3 to 3.6.
10. 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. 10. The device (10) according to claim 9, wherein the layer is at least partially within a region (20) adjoining the light guide (16) of a penetration depth of an evanescent field located in the light guide in a positioning state of the respective MEMS actuator (330). (16) propagating light.
11. 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. 11. The device (10) according to any one of claims 6 to 10, wherein the movable elements (38) of the MEMS actuators (330) have an electrically conductive layer (550), and wherein the device further has, in relation to the light guide (16 ) has a mechanically fixed electrode (544) arranged opposite the movable elements (38), the device being designed to apply an electrical voltage between one of the conductive layers (550) and the electrode (544) in order to increase the distance (334 ) between the respective movable element (38) and the light guide (16).
12. 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. 12. Device (10) according to any one of claims 6 to 11, wherein the MEMS actuators (330) are designed to adjust their respective movable element (38) depending on a control signal to one of at least a first and a second position, wherein the moveable element (38) is positioned a lesser distance from the light guide (16) in the first position than in the second position, the apparatus including a mechanical stop (856) for determining the respective first position of the moveable elements (38). and/or wherein the device has a mechanical stop in order to determine the respective second position of the movable elements (38).
13. 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. 13. Device (10) according to any one of claims 6 to 12, wherein the MEMS actuators (330) each have a position determination device to determine a set position of their respective movable element (38), and the device being adapted to use the adjusted position determined for a movable element (38) to regulate the distance between the movable element (38) and the light guide (16).
14. 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. 14. Device (10) according to any one of claims 6 to 13, wherein the device comprises a control device (42) which is designed to control the MEMS actuators (330) based on an input signal (44) to a positioning pattern of the movable To generate elements (38) with respect to the distances of the movable elements (38) from the light guide (16), so that each positioning pattern is clearly associated with a pattern in a local intensity distribution of the light at the exit.
15. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei die Vorrichtung eine15. Device (10) according to any one of claims 6 to 14, wherein the device a
Ansteuereinrichtung (42) aufweist, welche ausgebildet ist, um ein digitalesHaving control device (42), which is designed to a digital
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. Obtain input signal (44) with a bit sequence, wherein each bit of the bit sequence is assigned to one of the MEMS actuators (330), and wherein the control device (42) is designed to each of the MEMS actuators (330) based on the MEMS -Actuator (330) assigned bit to control.
16. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei die Vorrichtung eine16. Device (10) according to any one of claims 6 to 14, wherein the device a
Ansteuereinrichtung (42) aufweist, welche ausgebildet ist, um ein digitalesHaving control device (42), which is designed to a digital
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. Obtaining an input signal (44) with a bit sequence which comprises a plurality of bit sequence sections, one or more of the MEMS actuators (330) being assigned to each of the bit sequence sections, and the control device (42) being designed to activate the MEMS actuators ( 330) to one of more than two different positions based on the bit sequence sections assigned to them.
17. 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. 17. Device (10) according to one of the preceding claims, wherein the device is designed to locally vary the refractive index in the vicinity of the light guide (16) based on a digital input signal (44) with a bit sequence, and wherein the evaluation device (28) is designed to provide a bit sequence for the key (12), the length of the bit sequence provided by the evaluation device (28) corresponding to the length of the bit sequence of the input signal (44).
18. 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. 18. Device according to one of claims 6 to 13, wherein the device is designed to continuously modulate one or more of the MEMS actuators (330) to continuously modulate the output-side light, wherein the device is designed to based on a Input signal (44) to determine a plurality of sampling times, and wherein the evaluation device (28) is designed to evaluate the output-side light at the sampling times to generate the key (12).
19. 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. 19. Device (10) according to one of the preceding claims, wherein the light guide (16) on the output side (22) has a plurality of outputs spatially spaced apart from one another, and wherein the receiving device (26) is designed to measure an intensity of the light on the output side in each case to be determined at the exits.
20. 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. 20. Device (10) according to any one of the preceding claims, which comprises a light source which is connected to the light guide (16) and which is designed to emit the light.
21 . 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. 21 . Device (10) according to one of the preceding claims, in which the receiving device (26) has a filter which is designed to filter the output-side light before reception.
22. 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. 22. Device (40) according to one of the preceding claims, which is configured to receive a reference input signal at a signal input (56) that has a reference key, wherein the device is designed to compare the reference key with the key (12). , and to assess an identity of a transmitter of the input signal (44) based on a comparison result.
23. 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. The device (10) according to any one of the preceding claims, wherein the key (12) is a first key, the device being adapted to direct a first light through the light path during a first time interval to obtain the first key , and for directing a second light through the light path during a second time interval to obtain a second key, wherein the evaluation device (28) is configured to combine the first key and the second key into an overall key.
24. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Ausgangsschnittstelle (88) aufweist, die ausgebildet ist, um den Schlüssel (12) bereitzustellen. 24. Device (10) according to any one of the preceding claims, which has an output interface (88) which is designed to provide the key (12).
25. Vorrichtung (70, 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Multimode-Interferometer (MMI) ein erstes MMI (14i) ist, wobei die Vorrichtung zumindest ein zweites MMI (142) aufweist, wobei das Licht an der Eingangsseite (181) des ersten MMIs (14i) durch ein an einer Ausgangsseite (22S) des zweiten MMIs ( 2) bereitgestelltes ausgangsseitiges Licht des zweiten MMIs (M2) bereitgestellt wird. 25. Device (70, 80) according to one of the preceding claims, in which the multimode interferometer (MMI) is a first MMI (14i), the device having at least one second MMI (14 2 ), the light on the input side (18 1 ) of the first MMI (14i) by an output side light of the second MMI (M 2 ) provided on an output side (22S) of the second MMI ( 2 ).
26. Verfahren (210) zum Erzeugen eines Schlüssels (12) mit folgenden Schritten: 26. Method (210) for generating a key (12) with the following steps:
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; Conducting (211) light from an input side (18) of a light guide (16) to an output side (22) of the light guide (16), in order to produce an output-side light at the output side (22 ) to provide;
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; locally (212) varying a refractive index (n) in a vicinity (20) of the light guide (16) to locally vary an effective refractive index acting on the propagation of light in the light guide (16);
Empfangen (213) des ausgangsseitigen Lichts an der Ausgangsseite (22); receiving (213) the exit side light at the exit side (22);
Ausführen (214) einer Auswertung basierend auf dem ausgangsseitigen Licht; und performing (214) an evaluation based on the exit light; and
Erzeugen (215) des Schlüssels (12) basierend auf der Auswertung. generating (215) the key (12) based on the evaluation.
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