本发明涉及一种使用多模干涉仪产生密钥(例如比特序列)的设备。本发明还涉及一种用于提供密钥的方法，并且涉及一种密码多模干涉仪或电光可编程多模干涉仪作为密码密钥。
背景技术：
需要一种技术，用于出于认证和/或加密的目的而得到密钥。例如，可以使用密码或其他共享秘密，其允许确定相应的通信伙伴是否拥有所需的知识。
公知的用于执行加密的基于软件或硬件的算法只能被不足地映射(即精度不足)，和/或具有太高的计算复杂度。
因此，需要一种用于生成密钥的技术，其能够以高精度和低计算复杂度生成密钥。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是提供一种用于生成密钥的设备和一种用于生成密钥的方法，其允许以高精度和低计算复杂度生成密钥。
该目的是通过独立权利要求的主题来实现的。
本发明的一个发现已经认识到，通过使用多模干涉仪，可以在硬件的基础上，即在低计算复杂度的情况下生成密钥，这可以通过利用多模干涉仪的光学特性以高精度来获得。
根据一个实施例，一种用于生成密钥的设备，包括多模干涉仪，该多模干涉仪能够与光源耦合并且包括光路，该光路包括具有能够受控制的折射率的材料，该光路被配置为在输入侧获取光，在该材料的局部变化的折射率的影响下影响光，并在输出侧提供受影响的光。此外，该设备包括接收装置，该接收装置被配置为在输出侧接收受影响的光，并且该设备包括评估装置，该评估装置被配置为基于受影响的光来执行评估，并且基于该评估来生成密钥。
根据一个实施例，该设备被配置为基于局部变化的折射率获取对光的局部变化的影响。这允许通过材料内折射率的局部变化来获得密钥，这可以以低计算复杂度和高精度来获得密钥。
根据一个实施例，该设备包括光源，所述光源连接到所述光路并被配置为发射光。这允许获得光源和材料相互匹配的功能集成电路。
根据一个实施例，光源是窄带光源，例如激光器或具有滤波器的光源，其可以接收宽带光并输出窄带部分。
根据一个实施例，所述接收装置包括滤波器，所述滤波器被配置为对所述受影响的光进行滤波并且在所述滤波器输出处提供窄带的滤波光，所述评估装置被配置为基于所述窄带的滤波光执行所述评估。这允许使用相对较宽的宽带光源，允许简单的技术设计，并过滤在接收装置处使用的光，从而可以以不变的高精度获得具有不变的高精度的密钥。
根据一个实施例，所述评估装置被配置为确定所述受影响的光或滤波光的局部强度分布，并且基于所述局部强度分布来生成所述密钥。在此有利的是，可以以低计算复杂度来确定强度分布，例如使用阈值。
根据一个实施例，评估装置被配置为在光路的全部区域中的互不相同的子区域中执行局部强度分布。该密钥包括多个密钥部分，其中每个密钥部分与子区域相关联。这允许以低的系统复杂度获得复杂的密钥。
根据一个实施例，该设备包括电极布置，该电极布置被配置为基于该电极布置的局部变化的电场来产生材料的局部变化的折射率。该电极布置可以是多模干涉仪的一部分。在此有利的是，可以以高精度、高再现性和低技术复杂度产生电场。
根据一个实施例，电极装置包括多个在空间上分离的即相互绝缘的电极元件，它们被配置为以在空间上分离的方式影响材料的折射率。该设备包括驱动装置，该驱动装置被配置为驱动电极元件，使得受影响的光中的样式与电极装置的受驱动电极的每个样式明确地相关联。有利的是，用于驱动电极的驱动信号可以明确地转换为受影响的光的样式。
根据一个实施例，电极装置包括以二维阵列布置的多个在空间上分离的电极元件。关于对通过光路导引的光的影响，电极形成为相对于二维阵列的至少一个方向不对称。可以做到这样的程度，使得每个电极在受影响的光中产生明确的影响，和/或受驱动的电极元件的每个组合产生明确的样式。
在此有利的是，可以在密钥中获得高的熵并且获得密钥的值的高范围。
根据一个实施例，该设备被配置为：通过相互不同的电极几何形状和/或通过所述电极元件上相互不同的电压，相对于所述二维阵列的至少一个方向，产生对通过所述光路导引的光的不对称影响。这允许以低复杂度来驱动电极，例如通过预先配置的电极几何形状和/或施加恒定且相互不同或变化的电压，就计算而言这很简单。
根据一个实施例，电极装置包括多个在空间上分离的电极元件，这些电极元件布置成二维阵列的行和列。行内的电极包括沿着行方向的在所述行内明确的互不相同的尺寸。替代地或附加地，列内的电极包括沿着列方向的在该列内明确的互不相同的尺寸。这些标准可以适用于一个、几个或所有行和/或列。在此有利的是，可以获得电极几何形状的紧凑的布置。
根据一个实施例，沿行方向的任意两个相邻电极的尺寸的商包括均一的商值，和/或沿列方向的任意两个电极的尺寸的商包括均一的商值。这允许容易地获得各个电极元件。
根据一个实施例，所述商值包括在至少1.5且至多10的值的范围内的值，例如至少2的值，例如2。与另一电极相比，沿列方向或行方向的相邻电极示例性地包括一半尺寸。这样的商值对于设计各个电极元件特别有利。
根据一个实施例，所述多模干涉仪被配置为：基于包括第一比特数的比特序列，以局部变化的方式改变所述材料的折射率。所述评估装置被配置为：为所述密钥提供具有所述密钥的所述第一比特数的比特序列序列。这允许基于多模干涉仪的n比特驱动来获取n比特密钥。
根据一个实施例，该设备被配置为在信号输出处提供所述比特序列，并在信号输入处接收包括参考密钥的输入信号，所述设备被配置为：将所述参考密钥与所述密钥进行比较，并基于所述比较的结果评估所述输入信号的发送器的身份。这允许检查其他设备是否知道共享机密。替代地或附加地，该设备可以被配置为基于所获得的比特序列来得到密钥并提供该密钥，使得接收该密钥的设备可以检查该设备的身份。
根据一个实施例，该密钥是第一密钥。所述设备被配置为：在第一时间间隔期间导引第一光通过所述光路以便获得所述第一密钥，并且在第二时间间隔期间导引第二光通过所述光路以便获得第二密钥。评估装置被配置为将所述第一密钥和所述第二密钥组合以形成总密钥。这允许协同地、重复地使用多模干涉仪，该多模干涉仪与不同光(例如不同波长的光)相互作用，可以激发不同的模式或以不同的模式传播，从而在受影响的光中生成不同的样式，从而使所使用的光源或光源类型是另一个自由度，可用于增加密钥中使用的或生成的比特，同时保持较高的熵。
根据一个实施例，所述多模干涉仪是第一多模干涉仪。所述设备至少包括与所述光路的输出耦合的第二多模干涉仪。这允许在第二多模干涉仪中进一步影响已经受到影响的光，从而使生成的密钥具有高鲁棒性。
根据一个实施例，所述设备至少包括第三多模干涉仪，所述第三多模干涉仪与所述第二多模干涉仪并联地耦合到所述光路的输出，并被配置为获得与所述第一多模干涉仪不同的、所述光路的局部强度分布。这意味着第一多模干涉仪的输出可以被分配到至少两个另外的多模干涉仪，这些另外的多模干涉仪获得彼此至少部分分离的信息并且继续影响该信息。这允许基于第二和第三多模干涉仪的输出，使生成的密钥具有进一步增强的鲁棒性。
根据一个实施例，所述多模干涉仪是第一多模干涉仪，所述第一多模干涉仪被布置为与第二多模干涉仪交织。这允许所生成的密钥具有高复杂性，并且因此允许所生成的密钥具有高鲁棒性。
根据一个实施例，所述光路是第一光路，并且包括所述光路的至少两个在空间上间隔开的输出，所述至少两个在空间上间隔开的输出被配置为输出所述光路的不同的空间强度分布所述在空间上间隔开的输出在不同的横向位置处耦合到所述第二多模干涉仪的第二光路的输入。这意味着第二多模干涉仪的光路可以获得在横向不同位置受到不同影响的光，从而可以在第二多模干涉仪的输出处获得受到高度复杂程度影响的光，从而可以得到健壮的密钥。
根据一个实施例，所述材料是电光材料、磁光材料、热光材料和电压光学材料中的至少一种。
根据一个实施例，所述材料是电光材料，并且包括β硼酸钡、铌酸锂、锆钛酸镧铅以及液晶和硝基苯材料中的至少一种，其可以提供具有标记的克尔效应的液体。这些材料可实现精确的驱动，且几乎没有老化效果，并且精度很高。
根据一个实施例，一种用于生成密钥的方法包括：将光从光路的输入侧导引到光路的输出侧，同时影响光路的具有能够受控制的折射率的材料的局部变化的折射率。该方法包括在输出侧提供受影响的光，以及在输出侧接收受影响的光。另外，该方法包括：基于受影响的光来执行评估；以及基于评估来生成密钥。
其他有利的实施方式是其他从属权利要求的主题。
附图说明
随后将参考附图详细说明本发明的优选实施例，其中：
图1是根据实施例的用于生成密钥的设备的示意性框图；
图2a是根据实施例的设备的示意性俯视图，该设备包括连接至光导的光源；
图2b是沿着图2a所示剖面线截面的、图2a的设备的示意性截面侧视图；
图2c是根据实施例的与图2b相比修改的设备的示意性截面侧视图，其中电极和对电极布置在光芯的同一侧；
图3是根据实施例的设备的输出侧的示意图，其被细分为不同的子区域；
图4是根据实施例的与另一设备通信的设备的示意性框图；
图5a至图5d是可以在根据实施例的设备中使用的多模干涉仪的电极布置的示意性俯视图；
图6是根据实施例的设备的示意性俯视图，该设备包括驱动装置和评估单元；
图7是根据实施例的设备的示意性俯视图，该设备至少包括串联布置的第一多模干涉仪和第二多模干涉仪；
图8是根据实施例的设备的示意性俯视图，其中，将多模干涉仪布置成与另一多模干涉仪交织；以及
图9是根据实施例的方法的示意性流程图。
具体实施方式
在下面参考附图更详细地讨论本发明的实施例之前要指出的是，相同的元件、对象和/或结构，或功能相同或作用相同的元件、对象和/或结构，在不同的附图中具有相同的附图标记，因此在不同实施例中示出的这些元件的描述是可互换或可相互应用的。
以下实施例涉及包括多模干涉仪的设备。多模干涉仪可以被配置为将光从光路的输入侧导引到输出侧。在光路内，光可以以几种模式传播，每种模式都会影响光。这种影响可以通过光路输出侧的可变幅度、相位或强度分布来确定。
以下实施例结合电光材料来讨论，该电光材料可以包括取决于电场的、局部变化的光学折射率。尽管实施例结合电光材料进行讨论，但是实施例不限于此，而是还涉及折射率变化的其他材料。这些材料有：利用基于磁场的磁光效应的磁光材料、利用基于可变温度的热光效应的热光材料、和/或利用基于电压的电压光学效应的电压光学材料。替代地或附加地，可以使用例如由gaas/algaas半导体产生的多量子阱结构。
为了影响例如电光材料中的不同模式，可以利用电光材料的折射率的局部变化。实施例在电光材料中的不同位置处施加电场，以便影响(即改变)电光材料在电场位置处的折射率。电光材料中的空间缺陷可以通过变化的折射率获得，这允许相应模式的特征影响。在此，模式可以受到通过光路传播的光的波长、缺陷的位置和/或空间扩展的影响。这意味着模式的影响可以取决于光的波长。
图1示出了根据一个实施例的用于生成密钥12的设备10的示意性框图。设备10包括可以耦合到光源的多模干涉仪14。示例性地，多模干涉仪14包括光路16，光可以通过该光路迁移或被导引并且可以受到影响。为了获得光，可以在输入侧18处耦合或连接光源或连接到光源的光导。光路16在其从输入侧到输出侧22的过程中的不同位置处可以包括不同的折射率n1和n2，其中可以存在任何数量、位置和/或几何形状的区域24，其与其他区域相比包括不同的折射率n2。特别地，可以在多模干涉仪14中实现大于2个相互不同的折射率n1或n2。这意味着可能存在两个以上具有不同折射率的不同区域。
被配置为响应于施加的电场而改变其折射率的电光材料可以被布置在光路16中。这种电光材料的例子是β硼酸钡、铌酸锂、锆钛酸镧铅、向列液晶和/或准向列液晶。替代地，可以使用其折射率可以变化的其他材料，例如，利用磁光效应的材料(磁光材料)、利用热光效应的材料(热光材料)、和/或利用电压光学效应的材料(电压光学材料)。替代地或附加地，可以使用例如由gaas/algaas半导体产生的多量子阱结构。这意味着可以在mmi中使用其他改变折射率的机制。尽管以下实施例涉及被配置为向电光材料施加电场的电极布置，但是根据其他实施例，可以使用不同的材料。在这些实施例中，将其他物理量(例如磁场、电压或温度)应用于材料以便影响折射率，例如可以通过在相应情况下布置的电极或其他的物理量产生器来完成该操作。
电光材料可以基于空间变化的电场而包括不同的折射率n1和/或n2，从而允许通过光路16导引的光的局部变化的影响，从而允许光以不同或变化的模式传播。类似地，磁光材料可以基于空间变化的电场、电压光学材料可以基于空间变化的电压、热光材料可以基于空间变化的温度，而包括不同的折射率n1和/或n2。在输出侧22的受影响的光中，所形成的模式可以包括或提供与输入侧18不同的相位分布、振幅分布或强度分布。
设备10包括接收装置26，该接收装置被配置为接收输出侧22的受影响的光。示例性地，接收装置26可以包括光电检测器等。可替代地，可以使用其他光敏元件或材料，例如用不同电阻值对入射光做出反应的电阻器元件。
另外，设备10包括评估装置28，该评估装置被配置为基于受影响的光来执行评估并且基于该评估来生成密钥12。示例性地，评估装置28可以被配置为基于从接收装置26获得的信息(例如关于相位分布、幅度分布和/或强度分布的信息)，来评估输出侧22处的光的样式。可以基于预定的标准将该样式转换到密钥12上。根据一个实施例，接收装置26可以包括光电检测器的一维或二维阵列。评估装置28可以针对每个光电检测器执行阈值判定，该阈值判定是关于在各个光电检测器中检测到的量(例如强度)是要转换为二进制0还是二进制1。通过排列各个判定，可以获得比特序列作为密钥12。
可替代地，为了获得密钥12，以其他类型得出比特序列也是可能的。除了从阈值判定中得出比特之外，还可以进一步处理这样获得的比特序列，例如通过反转、与其他比特或量组合等。
图2a示出了根据一个实施例的设备20的示意性俯视图，其可以具有与设备10类似的设置。设备20包括多模干涉仪14。当与设备10相比时，设备20包括连接至光导34的光源32，该光导被配置为将由光源32提供的光提供给输入侧18。替代地，光源32也可以直接连接到输入侧18，使得设置光导34是可选的。光导34例如可以是光波导或光纤等。光源32可以是任何光源。然而，由接收装置26或评估装置28基于窄带光来执行检测和/或评估可能是有利的。例如，以下波长范围δλ可以被认为是窄带：最多10nm，优选最多1nm，特别优选在1至10pm的值的范围内。此时可以同时考虑到以下事实：多模干涉仪或光路中的干涉是根据波长产生的，从而使用窄带光对于各个模式之间的干涉可能是有利的。因此，设计标准可以是：将光路的相干长度实现为使得以良好的对比度获得输出侧22的干涉，从而可以执行包含尽可能少的误差的评估。
诸如窄带发光二极管(led)或激光器之类的窄带光源可以用于获得窄带光。替代地或附加地，光源32还可包括滤波器，该滤波器被配置为对光产生元件的宽带光、或包括至少更高的波长变化的光进行过滤，并在滤波器的输出处提供可以被导引至多模干涉仪的窄带光。替代地或附加地，接收装置26还可以包括这样的滤波器，该滤波器被配置为对受影响的光进行过滤，并且从输出侧22的可能的宽带信号中仅过滤出窄带信号，以便在滤波器输出处提供窄带的过滤后的光。评估装置28可以被配置为基于窄带光来执行评估。
设备20可以包括电极布置36，该电极布置36被配置为基于电极布置36的局部变化的电场来产生局部变化的折射率。在此，电极布置36可以包括多个或多种电极381至3816。电极381至3816可以由设备20的驱动装置42分别驱动。驱动装置42可被配置为在一个时间点驱动单个电极381至3816，或至少两个、至少三个或更高数量甚至所有电极381至3816的任意组合。这里，驱动装置42可以向电极381至3816施加相等的电压，但也可以施加互不相同的电压，从而在考虑或忽略电极381至3816到各自或公共的参考电极的电极距离时，在多模干涉仪的光路的电光材料中可以产生相等的电场，但也可以产生互不相同的电场。
尽管设备20被示为使得电极布置36包括16个电极，但是可以使用任何其他数量的电极，例如至少一个、至少两个、至少五个、至少十个、至少16个、至少64个、至少256个或更多数量的电极。
电极381至3816可以被布置为在空间上彼此分离，这意味着彼此电绝缘。分别驱动电极381至3816可以在空间上分别影响多模干涉仪的电光材料的折射率，例如在电极381至3816的各个位置处。与没有电场的情况相比，即与不驱动各个电极381至3816的情况相比，此处的影响可以与电场的存在、电场的强度和/或质量有关。替代地，可以通过获得不同的场强来实现影响，例如将电极381至3816的电压值从不等于0的第一值改变为不等于0的第二值。替代地或附加地，也可以通过不存在电场来实现影响，这意味着参考状态可以指电场的存在。
驱动装置42可被配置为驱动电极装置36的电极381至3816，使得受影响的光中的相应样式和/或密钥12明确地与驱动电极的每个样式相关联。示例性地，驱动装置42的输入信号44可以包括一条信息或比特序列，其明确地指示要驱动电极381至3816中的哪些和/或驱动到什么程度。例如，如果驱动装置42被配置为以二进制方式驱动16个电极381至3816，则这意味着在第一电压值与例如开/关的电压值之间进行改变，以便输入信号44可以包括相应数量(例如16)的比特。输入信号44的每个比特因此可以明确地与电极381至3816中的一个电极和/或电极381至3816中的至少两个电极的组合相关联，并指示是否以及如何驱动这些电极。基于驱动电极381至3816的每个样式，在输出侧22获得明确的样式，由此可以获得明确的密钥12，其示例性地包括与输入信号44相等的位长。这意味着密钥12可以与输出侧22的每个样式相关联。密钥12可以示例性地与每个输入信号44相关联和/或输入信号可以与每个密钥相关联。通过引入冗余、代码等，可以获得较少数量的比特。
对于每个密钥12与输入信号44或被驱动的电极381至3816的样式之间的明确关联而言，电极布置36中的不对称是有利的。例如，当在理论实验中仅考虑电极3816时，通过驱动该电极而获得的对光的影响可以相同或至少几乎相同，而与电极16沿x方向与多模干涉仪14的光路相邻的的位置无关。相反，沿y方向的位置可能是相关的，电极3816沿y方向的位置y的改变可能会导致影响改变。然而，该影响可以相对于光源的光被导引到多模干涉仪14中的位置(光的中心轴线)对称。基于这种对称性，电极3816的最大y值处的布置和最小y值处的布置可对输出侧22产生相同或几乎相同的影响。电极布置36沿方向x和/或y的不对称因此可以提供关于在输出侧22获得的样式的明确性的优点。
电极381至3816可以被布置成二维阵列，并且被形成为关于二维阵列内的至少一个方向不对称。
根据图2a的电极布置36示出了特别优选的实施例，其中电极381至3816被形成为沿着二维阵列的两个方向x和y不对称。电极381至3816可以以行和列布置，其中行可以示例性地包括电极384、383、382和381；388、387、386和385；3812、3811、3810和389；以及3816、3815、3814和3813。列可以示例性地包括电极384、388、3812和3816；383、387、3811和3815；382、386、3810和3814；以及381、385、389和3813。
列内的电极可以沿列方向(例如y)排列。行内的电极可以沿着行方向(例如x)排列。应当理解，可以通过在空间中的方向的任何其他指定和/或通过在空间中旋转设备20，来获得与这些方向的任何其他关联。
行内的电极可以沿着行方向x具有相互不同的尺寸。在此，各个电极沿行方向x的尺寸可以是明确的。这里，“明确”可以指这样的事实：每个电极就其尺寸而言是单独实现的，并且示例性地包括彼此不同的尺寸x1、x2、x3或x4。然而，“明确性”也可以指这样的事实：各个尺寸x1至x4不能通过相应行内的其他电极的组合来获得。对光路中的光的影响可以取决于由电场产生的缺陷的空间扩展，即变化的折射率。通过这种明确性，即，尺寸x1至x4不能通各个其他值x1、x2、x3和/或x4的组合来获得，可以避免在同一行中获得类似的缺陷。
替代地或附加地，列内的电极的尺寸可以包括彼此不同的尺寸，该尺寸沿列方向y在列内明确。
根据一个非限制性实施例，可以应用以下式子：
x1<x2<x3<x4；以及
y1<y2<y3y4。
当比较两个相邻电极沿相应行方向x或列方向y的尺寸时，例如当计算商时，其中较大的尺寸在分子中，较小的尺寸在分母中，例如电极对3816；3812的y4/y3，或者电极对3815；3814的x3/x2，可以计算出包括商值的商。根据一个实施例，例如可以应用以下式子：x4＝2*x3，x3＝2*x2，x2＝2*x1以及y4＝2*y3，y3＝2*y2，y2＝2*y1。在此，例如可以获得商值2，该商值在每一列和每一行内是恒定的。这意味着沿行方向和/或列方向的任意两个相邻电极的尺寸的商可以包括均一的商值。该商值可以例如是在以下范围内的值：至少1.5和至多10，至少2和至多8,和/或至少2和至多3，例如2。对于具有介于1与2之间的值的商，可能存在两个电极长度之和对应于第三电极长度的值，关于明确性可以避免这种情况。对于大于或等于2的值，不再能够通过其他电极的长度的总和来获得第三电极的长度，从而商的值至少为2是有利的。
尽管描述了电极布置36使得电极或阵列形成为相对于两个方向x和y均不对称，但是关于一个方向的不对称可能就足够了。尽管描述了电极布置36的阵列使得一行和一列内的商是恒定的，但是根据其他实施例，阵列可以实现为使得一行内的电极可以沿着行方向x具有彼此不同的尺寸，在一行内明确。替代地或附加地，一列内的电极可以沿着列方向y具有彼此不同的尺寸，在一列内明确。可替代地，可以存在可能相同实施的电极或影响折射率的量的对称布置或实现。
在一般形式中，电极装置38可以关于二维阵列实现，使得电极381至3816被形成为：关于对由光路导引的光的影响，相对于二维阵列的至少一个方向x或y不对称。这可以被实现为使得每个电极381至3816产生对输出侧22的光的明确的影响。可以通过相互不同的电极几何形状和/或通过电极381至3816上相互不同的电压，关于所述二维阵列的至少一个方向x或y，产生对通过所述光路导引的光的不对称影响。
电极381至3816的参考电极未在图2a中示出。
图2b示出了沿着图2a中相应示出的截面线的截面a-a’的、设备20的示意性截面侧视图。可以将参考电极38r布置为在截面线a-a’内与电极384、388、3812和3816相对，从而将多模干涉仪的电光材料46布置在电极布置36的电极384、388、3812和3816或更多甚至全部电极与参考电极38r之间。参考电极38r可以是与整个电极布置36相对的单个电极，但是也可以以多个电极的形式实现。在图2b的图示中，可以例如通过借助于驱动装置42进行驱动，将电压施加到电极3812上。在以这种方式获得的电场e的区域中，电光材料46的折射率可以改变，并且示例性地为n2，而折射率n1可以存在于该电场外部。电光材料46可以由包层48包围，该包层48可以减少或防止光从电光材料46中射出，或者允许电极阵列36的电极相对于参考电极38r进行电绝缘。设备20可以包括至少部分地支撑设备20的基板52。
输出侧22可以具有与所示的电光材料46的横截面区域相似的几何形状，其中可以通过沿着光路改变电光材料46的几何形状来获得不同的横截面区域。沿着这样的区域，评估装置28可以被配置为确定受影响的光或经滤波的光的局部强度分布，并且基于该局部强度分布来生成密钥12。
换句话说，建议的密码多模干涉仪(密码mmi)将n比特电输入信号转换为m比特电输出信号，其中可以应用n≥m，因此n＝m，例如n,m＝16。首先，例如通过驱动电子装置将n比特输入信号的每个比特转换成与相应比特值相对应的电压值，通过该电压值驱动与相应比特相关联的电极。
从图2b中可以看到，该图显示了mmi的截面，由于电极和对电极之间的电场e，电光芯材料的折射率发生了变化，因此mmi中的结果是由受驱动的整个电极分布产生的折射指数分布。mmi内的折射率分布与全息图相似，当被通过时，会影响从激光器(光源)入射到mmi中的光的相位，因此每个数字输入信号的结果是mmi的输出处的特征性强度分布。mmi输出处的强度分布由检测设备(接收装置)检测，并通过评估电子设备(评估装置)转换为n比特输出信号。这样的mmi表现出适合于加密的特性。因此，当适当地选择电极的形状和布置时，将输入信号转换为输出信号是明确的。这可以通过电极的不对称布置来实现。因此，不能通过统计方法推断该转换函数。此外，就计算而言，加密mmi的计算模型过于不精确和/或过于复杂，无法映射其行为。
图2c示出了沿截面线a-a’的、与设备20相比修改的设备20’的示意性截面侧视图。设备20’被修改为：电极38i和至少一个对电极布置在材料46的同一侧。与设备20中的情况一样，例如，设置了公共对电极38r。可替代地，设置了几个公共的或可单独控制的对电极38ri。根据一个实施例，每一个对电极38ri与电极38i相关联，使得存在相应数量的驱动电极38和对电极38r。这样，密钥的每一比特可以表示为由电极38i和对电极38ri组成的对，并通过驱动该对而形成。
图3示出了输出侧22的示意图，该输出侧被细分为互不相同的子区域541至5416。输出侧22可以是光路的横截面区域，关于局部变化的影响对该光路的横截面区域进行评估。该设备的评估装置(例如评估装置28)可以被配置为在光路的全部区域(即输出区域22)中的相互不同的子区域541至5416中执行局部影响(例如局部强度分布)。生成的密钥可以包括多个密钥部分。每个密钥部分可以包括至少一个比特，但是也可以包括更多数目的比特。密钥12示例性地包括16个比特b1至b16。每个密钥部分b1至b17可以与子区域541至5416相关联，这意味着，基于对每个子区域541至5416的局部评估，可以得出密钥12的至少一比特信息。例如，如果对每个子区域541至5416执行二进制阈值判定，则可以为每个子区域541至5416获得一比特信息。如果存在多级阈值决定，则可以在每个子区域中安排更多比特数。
尽管输出侧22被表示为矩形，但是它可以包括任何其他形状，例如圆形、椭圆形、多边形、自由形式的区域或其组合。子区域541至5416中的每个可以形成为圆形、角形、多边形、椭圆形或自由形式的区域，并且可以包括相同的尺寸或不同于其他子区域的尺寸。特别地，可以将子区域541至5416的位置、类型和形状调整为所获得的光样式。
尽管将子区域541至5416示出为使它们在输出侧22形成单行阵列，但是可以选择任何布置，例如两行或多行阵列、或与要在输出侧22处检测到的效果相匹配的任何其他几何布置。
如结合图2a和图2b所讨论的，多模干涉仪可以被配置为基于输入信号44中的比特序列以局部改变的方式改变电光材料的折射率。输入信号44可以包括第一比特数，例如16。评估装置可以被配置为：为密钥12提供具有密钥12的相应比特数的比特序列。
图4示出了根据实施例的与另一设备57通信的设备40的示意框图。设备40可以具有与设备20类似的设置，并且可以包括物理或逻辑信号输入56。在信号输入56处，设备40可以以无线或有线方式接收示例性地包括输入信号44的比特序列。设备40可以包括逻辑或物理信号输出58，并且被配置为使用信号输出58来发送密钥12。信号输入56和信号输出58可以是分开的或共同的通信接口的部分。设备57可以被配置为将输入信号44发送给设备40。基于此，设备40可以形成密钥12，并将其发送回设备57。基于此，设备57可以检查设备40是否基于输入信号44的输入信息而知道共享机密以便生成匹配密钥12。代替密钥12，设备40还可以被配置为将使用密钥12编码或解码的消息发送给设备47。在这种情况下，加密或非加密的消息可以是共享机密。
替代地或附加地，设备40可以被配置为用信号输出58发送输入信号44，并且响应于此而接收密钥12。因此，设备40可以被配置为在信号输出58处提供输入信号44的比特序列，并且可以在信号输入56处接收包括参考密钥(即密钥12)的输入信号。在这种情况下，设备40可以被配置为将参考密钥与自身生成的密钥进行比较，并且基于比较的结果来评估设备57的身份。
再次参考图2a和图2b，设备20可以被配置为在时间上不同的时间间隔中通过光路导引第一光和与第一光不同的第二光。相互不同的光设置可以例如是相互不同的波长。基于互不相同的波长中的每个波长，可以在光路的输出侧22获得互不相同的干涉样式，从而可以由评估装置28基于不同的波长提供不同的密钥。评估装置可以被配置为组合以这种方式获得的密钥以形成总密钥，例如通过将各个比特彼此联接或连接。
图5a示出了可以在本发明的设备中使用的多模干涉仪14a的电极布置36a的示意性俯视图。电极布置36a包括布置成四列的至少256个电极，其中，在相应列内的电极的尺寸是相等的，并且取决于列，可以为x1、x2、x3或x4。256个电极例如可以通过包括至少256比特的信号来驱动。可以使用不同数量的电极，该数量不受限制，例如多于10个，多于50个，多于100个或多于256个。例如电极381、382、383和384这样的行电极可以在x方向上包含不同的尺寸，在y方向上包含相同的尺寸。此外，一列内的电极，例如电极384、388、3812、……、38256，沿y方向可以包含相等的尺寸，例如尺寸y1。这意味着，与图2a相比，不对称性也可以仅在一个方向x或y上出现。可选地，电极384、388、3812、……、38256可以具有相同的宽度，但是，相对于mmi，它们可以仍然被布置为不对称的，例如通过y1中的偏移量或不同尺寸等。
图5b示出了多模式干涉仪14v的电极布置36b的示意性俯视图，其可以在根据本文描述的实施例的设备中使用。电极381至3816的表面几何形状是不对称的，并且每个电极都包含自由形式的表面。电极长度(沿x方向的尺寸)和电极宽度(沿y方向的尺寸)可以在电极内独自变化，并导致各个电极381至3816的独特的表面几何形状。
图5c示出了多模式干涉仪14c的电极布置36c的示意性俯视图，其可以在根据本文描述的实施例的设备中使用。电极布置36c包括关于所使用的几何形状对称的电极381至3812。电极381至3812可以布置成多行(例如3行)621至623。行621至623可以相对于轴向对称轴64对称地布置，轴向对称轴64可以描述例如光路16的中心光传播路径。因此，行621至623可以偏离对称轴64布置，但是关于电极宽度(即沿y方向的延伸)包括相同的尺寸y1。另外，行621和623可以在对称轴64两侧以距对称轴64相同的距离布置。例如，行622可以布置在对称轴64上并因此对称于对称轴64，并且沿y方向具有相等的尺寸或相应的偏离尺寸y2。驱动装置42可以被配置为例如向行621和行623施加相互不同的电压，从而以这种方式获得不对称性。这意味着电极381至3812也可以形成为几何对称的，并且可以通过非对称地驱动这些电极来获得不对称性。
图5d示出了多模式干涉仪14d的电极布置36d的示意性俯视图，其可以在根据本文描述的实施例的设备中使用。
电极381至38256可以布置成具有行和列的二维阵列，其中所有电极可以沿x方向具有相等的尺寸即x1，并沿y方向具有相等的尺寸即y1。通过互不相同地电驱动电极381至38256，可以获得不对称性。替代地或附加地，可以通过相对于对称轴64不对称地布置电极来获得不对称性。仅对不同的列661至664中的电极提供相互不同的电位可能就足够了。
可以相对于所示的电极381至38256且相对于对称轴64对称地布置其他电极。在这种情况下，在同一列661至664中，为对称布置的附加的电极提供不同的电位(尤其是相对于与其对称的电极)也可能是有利的。
换句话说，在图5c的情况下，可以对应于电极的行向电极提供不同的电压，以破坏对称性，并获得不对称性。在图5d的情况下，可以根据电极的列向电极提供不同的电压，例如增加的电压，这可以产生与沿图2a中的负x方向连续变长的电极所产生的相似或相等的效果。
图6示出了根据一个实施例的设备60的示意性俯视图，其设置可以与设备20相似。设备60可以包括驱动装置42’，该驱动装置42’被配置为驱动相应数量的数模转换器681至6816，它们的模拟输出信号721至7216用于基于例如具有16比特的输入信号44来驱动电极381至3816。波导741至7416可以在输出侧22处连接至多模干涉仪14，并且被配置为从输出侧22耦合出相应的光信号。示例性地，波导741至7416之一可以连接至按照图3的子区域541至5416。设备60的计算装置76可以包括接收装置26，该接收装置26可以例如包括光电检测器781至7816的阵列以分别接收波导741至7416的信号之一。可替代地，可以布置较少数量的光电检测器，并且这些光电检测器可以例如以时分复用方式使用。
计算装置76可以包括多个模数转换器821至8216，其中每个可以耦合到光电检测器781至7816，其中在此也可以使用多路复用技术。基于对单个波导741至7416或子范围的光信号进行的转换，可以获得密钥12的相应的比特b1至b16。
比特b1至b16的形成可以在计算装置中发生，该计算装置可以组合位值。
图7示出了根据实施例的设备70的示意性俯视图，该设备至少包括第一多模干涉仪141和第二多模干涉仪142，这些多模干涉仪可以分别形成为彼此相同或彼此不同，并且可以分别根据例如在多模干涉仪14、14a、14b、14c和/或14d的上下文中的讨论来形成。多模干涉仪142在其输入侧182耦合到多模干涉仪141的输出侧221，其中多模干涉仪142可以部分或完全获得输出侧221的干涉样式。输出侧221和输入侧182之间的连接可以经由波导74。这意味着多模干涉仪142可以获得已经受影响的光作为输入信号，并继续影响该光。一个或几个另外的多模干涉仪143可以可选地设置，并且与多模干涉仪142平行地布置。示例性地，多模干涉仪143可以例如基于根据图3的相互不同的子区域58，来获得与多模干涉仪142不同的局部强度分布的部分。因此，可以与第二多模干涉仪142并联地与光路16的输出耦合的第三多模干涉仪143可以配置为获得与第二多模干涉仪142不同的、该光路的局部强度分布。这意味着输出侧221的不同子区域可以耦合到不同多模干涉仪的不同输入侧182或183。换句话说，图7示出了多模干涉仪的级联。
图8示出了根据实施例的设备80的示意性俯视图，其中，多模干涉仪141被布置为交织在另一多模干涉仪142中。多模干涉仪141可以被实现为使得光路包括两个或更多个输出841至843。这些输出可以基于输出侧22的彼此不同的子区域来输出光路的不同空间强度分布，并且可以在不同的横向位置处耦合到多模干涉仪142的输入或者耦合到其光路162中。这意味着内部多模干涉仪142的不同空间强度分布可以在不同的横向位置处耦合到外部多模干涉仪142的光路162。光路162可以由特殊的阵列或特殊的电极布置362驱动，以便影响从输出841至843获得的子信号。将波导耦合到相应的多模干涉仪的位置可以改变并且可以位于中心，但是不一定是这种情况。
设备70和80(即几个多模干涉仪的组合)允许增大密钥的鲁棒性，因为可能的影响以及因此要考虑的计算操作增加，并且对密钥的再现或推断相应地变得更加复杂。
尽管图7中的mmi的串行连接或级联和图6中的交织被描述为相互独立地实现，但是两者也可以以组合的方式布置，即级联的mmi可以被交织和/或交织的mmi可以被级联。
除了采用多模干涉仪之外，实施例还包括可以在不存在波导的情况下连接到光源(例如激光器)的多模干涉仪。另外，实施例还涉及包括连续级联的mmi(参见设备70)和/或交织的mmi(参见设备80)的密码mmi。
实施例将包括电光可编程多模干涉仪在内的加密硬件密钥作为核心组件。实施例实现了能够以明确的方式将数字输入电信号转换为数字输出电信号的组件。这里，用于转换(即加密)输入信号的方法可以基于物理效应，与基于软件或基于硬件的算法相比这是有利的。实施例展示了电光可编程多模式干涉仪(mmi)作为加密硬件密钥的核心组件，其也可以称为加密mmi。
图9示出了根据实施例的方法100的示意性流程图。步骤110包括：在光路的材料的局部变化的折射率的影响下，将光从光路的输入侧导引到光路的输出侧，所述材料包括能够受控制的折射率。这可以包括控制折射率以使得材料的折射率局部地变化。步骤120包括在光路的输出侧提供受影响的光。步骤130包括在输出侧接收受影响的光。步骤140包括基于受影响的光执行评估。步骤150包括基于评估生成密钥。
尽管本文描述的实施例公开了一种具有12个、16个或256个电极的布置，并使用相应数量的比特来驱动，但是可以使用不同数量的电极和/或可以将与一比特不同的多个比特用于驱动电极。
尽管已经结合设备描述了一些方面，但是应当理解，这些方面也代表了对应方法的描述，使得设备的框或元件也应被理解为对应的方法步骤或方法步骤的特性。类似地，结合方法步骤或作为方法步骤描述的方面也代表了对相应设备的相应框或细节或特征的描述。
前面描述的实施例仅表示对本发明的原理的说明。应当理解，本文描述的布置和细节的修改和变形对于本领域的其他技术人员将是显而易见的。因此，本发明预期仅由下面权利要求的范围来限制，而非由借助对实施例的描述和讨论所提出的具体细节来限制。
1.一种用于生成密钥(12)的设备(10、20、40、60、70、80、90)，包括：
多模干涉仪(14；14a-d)，能够与光源(32)耦合并且包括光路(16)，所述光路(16)包括具有能够受控制的折射率的材料，所述光路(16)被配置为在输入侧(18)获取光，并且在所述材料(46)的局部变化的折射率(n1，n2)的影响下影响所述光，以便在输出侧(22)提供受影响的光；
接收装置(26)，被配置为在所述输出侧(22)接收所述受影响的光；以及
评估装置(28)，被配置为基于所述受影响的光来执行评估，并基于所述评估来生成所述密钥(12)。
2.根据权利要求1所述的设备，被配置为基于所述局部变化的折射率(n1，n2)获取对所述光的局部变化的影响。
3.根据权利要求1或2所述的设备，包括光源(32)，所述光源连接到所述光路(16)并被配置为发射光。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述光源(32)是窄带光源。
5.根据权利要求3或4所述的设备，其中，所述光源(32)包括激光器或滤波器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述接收装置(26)包括滤波器，所述滤波器被配置为对所述受影响的光进行滤波并且在所述滤波器输出处提供窄带滤波光，所述评估装置(28)被配置为基于所述窄带滤波光执行所述评估。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述评估装置(28)被配置为确定所述受影响的光或滤波光的局部强度分布，并且基于所述局部强度分布来生成所述密钥(12)。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述评估装置被配置为在所述光路(16)的全部区域中的互不相同的子区域(541，5416)中执行局部强度分布，其中所述密钥(12)包括多个密钥部分(b1，b16)，每个密钥部分与所述子区域(541，5416)相关联。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括电极布置(36；36a-d)，所述电极布置被配置为基于所述电极布置(36；36a-d)的局部变化的电场(e)产生所述局部变化的折射率(n1，n2)。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述电极布置包括多个在空间上分离的电极元件(381-38256)，所述电极元件被配置为以在空间上分离的方式影响所述材料(46)的折射率(n1，n2)；以及所述设备包括驱动装置(42，42’)，所述驱动装置被配置为驱动所述电极元件(381-38256)，使得所述受影响的光中的样式与受驱动电极(381-38256)的每个样式明确地相关联。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其中，所述电极布置包括以二维阵列布置的多个在空间上分离的电极元件(381-38256)，其中，关于影响通过所述光路导引的光，所述电极形成为相对于所述二维阵列的至少一个方向(x，y)不对称。
12.根据权利要求11所述的设备，被配置为：通过相互不同的电极几何形状和/或通过所述电极元件(381-38256)上相互不同的电压，相对于所述二维阵列的至少一个方向(x，y)，产生对通过所述光路(16)导引的光的不对称影响。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的设备，其中，所述电极布置包括多个在空间上分离的电极元件(38)，所述电极元件布置成二维阵列的行(62)和列(66)；
其中，一行(62)内的电极(38)包括沿着行方向(x)的在所述行内明确的互不相同的尺寸(x1,x4)；和/或
其中，一列(66)内的电极(38)包括沿着列方向(y)的在所述列内(66)明确的互不相同的尺寸。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，沿所述行方向(x)的任意两个相邻电极(38)的尺寸的商包括均一的商值；和/或
其中，沿所述列方向(y)的任意两个电极(38)的尺寸的商包括所述均一的商值。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述商值包括在至少1.5且至多10的值的范围内的值。
16.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述多模干涉仪(14；14a-c)被配置为：基于包括第一比特数(n)的比特序列(46)，以局部变化的方式改变所述材料(46)的折射率(n1，n2)，其中所述评估装置(28)被配置为：为所述密钥(12)提供具有用于所述密钥的所述第一比特数(n)的比特序列。
17.根据权利要求16所述的设备，被配置为在信号输出(58)处提供所述比特序列(44)，并在信号输入(56)处接收包括参考密钥的输入信号，所述设备被配置为：将所述参考密钥与所述密钥(12)进行比较，并基于所述比较的结果评估所述输入信号的发送器(57)的身份。
18.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述密钥是第一密钥(12)，所述设备被配置为：在第一时间间隔期间导引第一光通过所述光路(16)以便获得所述第一密钥，并且在第二时间间隔期间导引第二光通过所述光路(16)以便获得第二密钥，其中所述评估装置(28)被配置为将所述第一密钥和所述第二密钥组合以形成总密钥。
19.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述多模干涉仪是第一多模干涉仪(141))，所述设备至少包括与所述光路(16)的输出耦合的第二多模干涉仪(142)。
20.根据权利要求19所述的设备，至少包括第三多模干涉仪(143)，所述第三多模干涉仪(143)与所述第二多模干涉仪(142)并联地耦合到所述光路(16)的输出，并被配置为获得与所述第二多模干涉仪不同的、所述光路的局部强度分布。
21.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述多模干涉仪是第一多模干涉仪(141)，所述第一多模干涉仪被布置为交织在第二多模干涉仪(142)中。
22.根据权利要求21所述的设备，其中，所述光路(16)是第一光路并且包括所述光路(16)的至少两个在空间上间隔开的输出(84)，所述至少两个在空间上间隔开的输出(84)被配置为输出所述光路(16)的不同的空间强度分布，并且在不同的横向位置处耦合到所述第二多模干涉仪(142)的第二光路(162)的输入。
23.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括被配置为提供所述密钥(12)的输出接口(58)。
24.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述材料(46)包括电光材料、磁光材料、热光材料和电压光学材料中的至少一种。
25.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述材料(46)是电光材料并且包括β硼酸钡、铌酸锂、锆钛酸镧铅和液晶中的至少一种。
26.一种用于生成密钥(12)的方法(100)，包括以下步骤：
在光路的材料的局部变化的折射率的影响下，将光从所述光路的输入侧导引(110)到所述光路的输出侧，所述材料具有能够受控制的折射率；
在所述输出侧提供(120)受影响的光；
在所述输出侧接收(130)所述受影响的光；
基于所述受影响的光执行(140)评估；以及
基于所述评估生成(150)所述密钥。
技术总结