Technologie

Photonische Verschlüsselungen für höhere Cybersicherheit

21.10.2022 - Projekt „Silhouette“ entwickelt Verschlüsselungslösungen für die Datenübertragung in der optischen Domäne.

Um sensible Daten, besonders in offenen Prozess­systemen, zu schützen, bedarf es zuverlässiger Elektronik, deren Entwicklung das BMBF mit der Initiative „Vertrauens­würdige Elektronik“ fördert. Als viel­ver­sprechende Lösung zeichnen sich dabei licht­basierte Über­tragungs­kanäle aus, da diese als deutlich abhör­sicherer gelten und zudem mehr Rechen­geschwin­dig­keit zulassen. Um sicherheits­kritische Informationen als photonische Signale zu übermitteln, hat ein Konsortium aus Forschungs­einrich­tungen, Industrie und Universitäten sich im Projekt „Silhouette“ zum Ziel gesetzt, eine modulare Plattform zu entwickeln und zu standardi­sieren.

Mit dem elektro-optischen Interposer bildet die Plattform die Schnittstelle, die elektrische Daten in optische umwandelt, zum Empfänger weiter­leitet, validiert und schließlich wieder in elektrische Signale zurück­über­setzt. Dabei folgen die Expert dem Anspruch, die neuartige Prozess­techno­logie kompatibel mit bereits bestehenden Hardware-Lösungen zu gestalten und somit in Zukunft hybride Systeme der Verschlüsselung zu implementieren.

Ein Team um Hermann Oppermann vom Fraunhofer-Institut für Zuver­läs­sig­keit und Mikro­inte­gration ist verantwortlich für die Entwicklung und Integration der mikro- und opto­elektro­nischen Bauteile im Interposer. Als Träger der Lichtsignale dienen dabei optische Wellenleiter, die im Vergleich zu Linsen oder Spiegeln eine hohe Übertragungs­effizienz sicher­stellen. Diese müssen allerdings hochgenau gekoppelt werden, damit das Licht verlustarm geführt und dann zum Beispiel als Rechnung des optischen Datenpakets verarbeitet werden kann.

Genau diese sensible Verbindung stellt in ihrer techno­logischen Umsetzung eine Hürde dar. „Die Wellenleiter auf den optischen integrierten Schaltkreisen sind mit unter einem Mikrometer Durchmesser extrem klein. Bei solchen Größen­ordnungen erweist sich eine aktive Justage der Komponenten als viel zu aufwändig und kosten­intensiv. Deswegen entwickeln wir eine passive Alternative, durch die photonische Schaltkreise in Massen­fertigung kosten­günstig hergestellt und auch für mittel­ständische Unternehmen realisierbar werden“, erklärt Oppermann.

Diese hochgenaue Selbstjustage der Komponenten lässt sich durch Kavitäten im Interposer bewerk­stelligen. Durch die rund zehn Mikrometer messenden Vertiefungen entstehen mechanische Anschläge im System. Um die filigranen Strukturen schonend an diese Stopper und damit an ihre vorab determinierte Position zu bringen, werden in den Kavitäten Lotkontakte platziert. Sobald das Lot aufgeschmolzen wird, benetzt es die Laserdiode mit den integrierten Wellenleitern, sodass diese durch die entstehende Ober­flächen­spannung in die Anschlag­position gezogen wird.

Erste Methodentests zeigten, dass mithilfe der Selbstjustage im Lötprozess mehrere hundert Dioden gleichzeitig integriert werden können. In der industriellen Fertigung angewandt, kann dieser parallele Massen-Reflow von Laserdioden die Produktions­kosten des Interposers um bis zu 95 Prozent senken.

In den ersten Schritten wurden die Einzelteile in ihrem Design präzise aufeinander abgestimmt und die elektrischen Anschlüsse entwickelt. Bis zum Projekt­abschluss im Jahr 2024 werden die Komponenten und Lothügel gefertigt, der Technologie­demonstrator montiert und die Koppel­effizienz des Gesamt­systems getestet. Die bisherigen Ergebnisse der Technologie deuten bereits darauf hin, dass der Einsatz des Interposers in Schlüssel­generatoren und Analog­multipli­zierern die verschlüsselte Kommunikation und damit die Gewähr­leistung einer zuverlässigen Daten­sicher­heit einen großen Schritt weiter bringen wird.

Das Projekt „Silhouette“ umfasst ein Budget von über 15 Millionen Euro, wovon über 12 Millionen Euro aus Förder­mitteln des BMBF stammen. Der Forschungs­zeitraum soll sich von 2021 bis 2024 erstrecken.

Fh.-IZM / RK

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