Bild links: Das Gehäuse der VCSELLaserdioden mit integrierter Temperaturkontrolle ist äußerst kompakt. © Fraunhofer IOF 12 wie eine gute Polarisationsqualität. Das System ist speziell für sichere Verbindungen von Satelliten zur Bodenstation entwickelt. Ununterscheidbare Photonen und Decoy States Die neue Photonenquelle nutzt ein Galliumarsenid (GaAs)-Substrat für acht VCSEL bei 850 nm mit lithographisch strukturierten Polarisatoren, die an der Universität Stuttgart entwickelt wurden. Mit diesen integrierten Komponenten kann die Quelle vier Polarisationszustände (H/V/D/A) für Signale nach dem BB84 Protokoll aus einer ultrakompakten Box liefern. Die Temperaturabweichungen der einzelnen VCSEL sind deutlich kleiner als 0,5 K. Dadurch können die Wellenlängenunterschiede der polarisierten Photonenpakete < 40 pm gehalten werden. Vorläufige Daten zeigen, dass die On-Chip-Polarisatoren ein Extinktionsverhältnis von mindestens 12 dB in diagonaler und mindestens 20 dB in horizontaler oder vertikaler Richtung erreichen. Vier der acht VCSEL-Kanäle liefern Decoy States, indem ein Dämpfungsglied (~4 dB) verwendet wird. Das erhöht die Gesamtsicherheit der Quantenkommunikationsverbindung, da im System sowohl Signal- als auch Täuschungspulse spektral und zeitlich ununterscheidbar erzeugt werden. Die integrierte Digital-Analog-Wandlung, entwickelt in Kooperation mit der TU Ilmenau, erlaubt eine Pulsfolgefrequenz von bis zu 5 GHz. Es wird erwartet, dass dieses Signal von einem zusätzlichen Quantenzufallszahlengenerator stammt. Das optische System der Quelle ist in einer KOVAR-Box mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten untergebracht. Die VCSEL-Quelle für die BB84-basierte Quantenschlüsselverteilung mit Decoy States passt dank der integrierten Komponenten in ein Volumen von 40 × 40 × 43 mm³. Die Signale der acht separaten Kanäle unterscheiden sich spektral weniger als 50 pm und haben Unterschiede in der Zeitverzögerung von <1 ps. Damit ist die Quelle ein aussichtsreicher Kandidat für eine Weltraummission auf einem Mikrosatelliten (Cubesat). Alle Technologien wurden so ausgewählt, dass sie für eine künftige Qualifikation im Weltraum bereit sind. ⯀ WISSENSCHAFTLICHER KONTAKT Dr. Erik Beckert Abteilungsleiter Opto-mechatronische Komponenten und Systeme ☎ +49 3641 807-338 erik.beckert@iof.fraunhofer.de
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