Cybersicherheit Photonische Verschlüsselung soll Kommunikation sicherer machen

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Es gibt immer mehr Cyber-Kriminalität. Betroffen von den Attacken sind neben kritischen Infrastrukturen auch Industrie und private Haushalte. In einem Projekt arbeiten die Forscher an einer verschlüsselten Datenübertragung. Im Mittelpunkt steht die verlustarme Lichtübertragung.

Cyberangriffe auf kritische Infrastrukturen wie der Bahn oder Kraftwerke zeigen, wie verwundbar viele Systeme sind. Gerade in Zeiten mit ihren globalen Krisen und Kriegen gehören Cyberangriffe dazu. Doch auch die Industrie mit ihren vernetzen Prozessen und Abläufen, Stichwort Industrie 4.0, muss vor Cyberangriffen geschützt werden.

Hier ist zuverlässige Elektronik gefragt. Ihre Entwicklung wird vom BMBF mit der Initiative „Vertrauenswürdige Elektronik“ gefördert. Als eine vielversprechende Entwicklung zeichnen sich lichtbasierte Übertragungskanäle ab. Sie sind deutlich abhörsicherer und lassen mehr Rechengeschwindigkeit zu. Um sicherheitskritische Informationen als photonische Signale zu übermitteln, hat das Forschungskonsortium sich im Projekt „Silhouette“ zum Ziel gesetzt, eine modulare Plattform zu entwickeln und zu standardisieren.

Elektrische Daten in optische umwandeln

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

Das Team rund um Dr.-Ing. Hermann Oppermann am Fraunhofer IZM ist verantwortlich für die Entwicklung und Integration der mikro- und optoelektronischen Bauteile im Interposer. Als Träger der Lichtsignale dienen 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 technischen 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 Dr. Oppermann.

Photonische Schaltkreise in Massenfertigung

Diese hochgenaue Selbstjustage der Komponenten lässt sich durch Vertiefungen, sogenannte Kavitäten, im Interposer umsetzen: Durch die rund zehn Mikrometer messenden Vertiefungen entstehen mechanische Anschläge im System. Um die filigranen Strukturen schonend an die 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.

Die elektrischen Anschlüsse entwickelt

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 voranbringt und damit eine zuverlässigen Datensicherheit gewährleistet.

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