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Università degli Studi di Pavia Laboratorio di Elettroottica Confronto sperimentale fra tecniche di codifica di segnale su portante ottica caotica Lavoro svolto nell’ambito del progetto europeo OCCULT Relatore: Prof. V. Annovazzi Lodi Correlatore: Ing. Mauro Benedetti Tesi di Laurea di Biagio Provinzano Obiettivo Studio di tecniche di crittografia caotica con laser DFB in terza finestra utilizzando schemi tutto-ottici Attività svolta Analisi sperimentale di specifiche tecniche di mascheratura caotica a modulazione di ampiezza • Additive Chaos Masking (ACM) • Chaos Shift Keying (CSK) • Chaos Modulation (CM) Analisi sperimentale di schemi a codifica di fase con un modulatore bulk in LiTaO3 • On-Off Phase Shift Keying (OOPSK) • Phase Modulation (PM) Generazione del caos per retroriflessione ottica Fotodiodo veloce (8 GHz) Fibra SMR 1550 nm DFB LD Amplificatore RF PD Cavità CORTA Attenuatore / Controllore di polarizzazione Cavità LUNGA / LUNGHISSIMA Analizzatore di spettro RF Cavità CORTA (in aria) Lcavità < lunghezza di rilassamento (fr = 5GHz) 2 ÷ 5 cm Cavità LUNGA (in fibra) lunghezza di rilassamento < Lcavità< lunghezza di coerenza 2 ÷ 10 m Cavità LUNGHISSIMA (in fibra) Lcavità> lunghezza di coerenza oltre 10 m Oscilloscopio real time Generazione del caos per retroriflessione ottica Evita retroriflessioni dalla prima interfaccia Cavità lunga L = 2 – 40 m 1550 nm DFB LD 10º La riflettività dovuta al taglio diritto sulla fibra è tale da condurre il laser al caos 1550 nm DFB LD Cavità corta L = 2 - 5 cm 10º Evita retroriflessioni dalla seconda interfaccia Regimi caotici caratteristici di cavità lunga Il caos generato dai laser selezionati è analizzato nel dominio della frequenza al variare della corrente di alimentazione e della potenza retroiniettata • Lo spettro tipico è uno spettro a righe • La complessità del caos aumenta con la lunghezza Cavità di 40 m Potenza [dBm] Potenza [dBm] Cavità di 2 m Frequenza [MHz] Frequenza [MHz] Regimi caotici caratteristici di cavità corta Il caos è fortemente dipendente dalla fase del campo retroriflesso Spettri RF Potenza [dBm] L = 3 cm • I diversi andamenti spettrali vengono ottenuti variando di frazioni di la lunghezza di cavità tramite un micro-posizionatore Lcavita’ = L’+/4 • Spettri RF continui Lcavita’ = L’ + /2 • Chiusura del caos ciclicamente con periodo /2 Frequenza [MHz] Mascheratura di un segnale Configurazione di base La chiave crittografica fisica unica si cela nell’accordo strutturale tra la Trasmettitore Master coppia Segnale di laser impiegata, ovvero nelle strette tolleranze necessarie per Ricevitore ‘gemello’ Slave i parametri relativi ai due sistemi, come pure nelle particolari condizioni operative scelte DFB - LD Linea di trasmissione DFB - LD Segnale estratto Segnale Schema di sincronizzazione back-to-back Fotodiodo a larga banda 50/50 FD Amplificatore RF FD1 LASER Isolatore ottico MASTER Fibra SMR (~2 m) Diodi Laser DFB ‘gemelli’ (close proximity) Attenuatore / Controllore di polarizzazione Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio real time 50/50 FD FD2 LASER SLAVE FD3 Giunti fusi Adattamento indice di rifrazione Linea RF a ritardo variabile Schema di sincronizzazione back-to-back Fotodiodo a larga banda 50/50 FD LASER FD1 Amplificatore RF Isolatore ottico MASTER ANELLO APERTO: il master caotico inietta unidirezionalmente lo slave che inizialmente opera imperturbato (senza retroazione ottica locale) Attenuatore / Controllore di polarizzazione LA SINCRONIZZAZIONE DIPENDE UNICAMENTE DALL’ INIEZIONE Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio real time 50/50 FD FD2 LASER SLAVE FD3 Giunti fusi Adattamento indice di rifrazione Linea RF a ritardo variabile Schema di sincronizzazione back-to-back Fotodiodo a larga banda 50/50 FD LASER FD1 Amplificatore RF Isolatore ottico MASTER LeANELLO lunghezze delle rispettive cavità CHIUSO: corte in aria devono essere pareggiate lo slave è reso caotico grazie ad una LA SINCRONIZZAZIONE DIPENDE finementeottica opportuna retroazione locale SENSIBILMENTE ANCHE DA rel m s Attenuatore / Controllore di polarizzazione /10 a meno di multipli di /2 Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio real time entro 100 µm di differenza massima 50/50 FD FD2 LASER SLAVE FD3 Giunti fusi Adattamento indice di rifrazione Linea RF a ritardo variabile Sincronizzazione back-to-back in Anello Chiuso e Cavità Corta 50/50 FD LASER Fotodiodo a larga banda Amplificatore RF FD1 Isolatore ottico MASTER SOA Amplificatore ottico a semiconduttore : aumenta l’iniezione e/o compensa le perdite ottiche Attenuatore / Controllore di polarizzazione Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio real time 50/50 FD FD2 LASE R SLAVE FD3 Giunti fusi Connettori Adattamento indice di rifrazione Linea RF a ritardo variabile Correlazione ed ampiezza dei “buchi” (Anello Chiuso e Cavità Corta) Slave Correlazione % Distanza somma-differenza DistanzaCAOTICI somma-differenza Diagramma diCORRELAZIONE correlazionesenza x-y TRASovrapposizione delle forme d’onda con caotiche I DUE CANALI del SOA l’inserimento SOAslave dei due l’utilizzo canali caotici fotorivelati fotorivelate e dello FOTORIVELATI DI CIRCA 82 %del masterdel ~ 16 dB ~ 20 dB 5 ns Master Tempo [ns] Additive Chaos Masking (ACM) 50/50 FD LASER Fotodiodo a larga banda FD1 Amplificatore RF MASTER Modulazione RF FD Isolatore ottico Attenuatore / Controllore di polarizzazione LASER 1550 nm DFB Diodo laser Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio 50/50 FD LASER FD2 SLAVE FD3 Giunti fusi Linea RF a ritardo variabile Modulazione RF Chaos Shift Keying (CSK) 50/50 FD LASER Fotodiodo a larga banda FD1 Amplificatore RF MASTER Isolatore ottico Attenuatore / Controllore di polarizzazione Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio 50/50 FD FD2 LASER SLAVE FD3 Giunti fusi Adattamento indice di rifrazione Linea RF a ritardo variabile Chaos Modulation (CM) Modulazione RF Fotodiodo a larga banda 50/50 FD FD1 LASER Amplificatore RF MASTER Isolatore ottico Modulatore elettroottico Amplificatore ottico SOA Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio EOM Attenuatore / Controllo polarizzazione 50/50 FD FD2 LASER SLAVE FD3 Giunti a fusione Fibra connettorizzata Adattamento di indice di rifrazione Linea RF a ritardo variabile Mascheratura caotica ed estrazione del messaggio con tecnica ACM Trasmissione di una singola portante sinusoidale a 3 GHz occultata nel caos del master ed estratta nel dominio delle frequenze per differenza al nodo Trasmissione di unadi portante sinusoidale a 3 GHz modulata AM con ricombinazione passiva una sinusoide a 500 MHz Portante Spettrodel delMaster Master Spettro Portante Righe laterali Spettro della differenza Spettro della differenza Mascheratura caotica ed estrazione del messaggio con tecnica CM Trasmissione di una singola portante sinusoidale a 3 GHz occultata nel caos del master ed estratta per differenza al nodo di ricombinazione utilizzando il filtro passa-banda in sinusoidale microstriscaa(caos Trasmissione di una portante 3 GHzmaggiormente modulata AMcorrelato) con una quadra a 100 MHz Spettro del Master (filtrato) Spettro del Master Portante Righe laterali [dBm] Potenza [dBm] Potenza Portante Spettro della differenza Spettro della differenza (filtrato) Frequenza Frequenza[MHz] [MHz] Confronti tra le tecniche di Mascheratura Si è osservata la sostanziale equivalenza dei procedimenti di codifica testati per quel che concerne la mascheratura di un segnale entro una portante caotica a larga banda CSK richiede il minor numero di componenti ACM ha un costo maggiore dato dal terzo laser, ma permette di ottenere un rapporto segnale-rumore migliore CM necessita dell’amplificatore ottico per sopperire alle perdite del modulatore, ma offre potenzialmente una maggiore velocità Schema sperimentale per le codifiche di fase OOPSK / PM Lente 1550 nm DFB-LD Vπ = 950 Volt 50/50 FD1 LiTaO3 Giunti a fusione Amplificatore RF Isolatore ottico Modulatore di fase Adattamento d’indice di rifrazione Fotodiodo veloce L Fibra SMR (2 Km) SOA Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio Connettori Controllore di polarizzazione 1550 nm DFB-LD LiTaO3 L 50/50 FD2 FD3 Linea di ritardo variabile Modulazioni di fase (Demodulazione per Correlazione) MW 750MHz Filtro Passa Banda @ 3GHz On-Off Phase Shift Keying - OOPSK Oscilloscopio Rivelatore di inviluppo Slave Iniettato FD2 PM FD3 AM Nodo di uscita Consiste in una variazione di fase considerevole (~ π/10) ma non visibile nello spettro ottico ed elettrico del Master, dovuta ad un ampio segnale digitale impresso al cristallo Phase Modulation - PM Consiste in una variazione di fase (~ π/40) minore rispetto all’OOPSK, impressa al cristallo con un piccolo segnale analogico sovraimposto ad una tensione di polarizzazione Master L’indice di modulazione di fase deve essere tale da non perturbare lo spettro del master Tecnica OOPSK Trasmissione di una singola portante sinusoidale in bassa frequenza (~ 2 KHz) con Vpp= 50 Volt, codificata con tecnica OOPSK ed estratta in ricezione nelad dominio delleuna frequenze Trasmissione di un’onda quadra 1 KHz con variazione di Vpp= 40 Volt, estratta in ricezione nel dominio del tempo Ampio segnale impresso agli elettrodi del cristallo Demodulazione al nodo di somma Demodulazione in uscita al Master Tecnica PM Trasmissione di una singola portante sinusoidale in bassa frequenza (~ 5 KHz) con Vpp= 20 Volt (attorno ad un valore di polarizzazione di 100 Volt), codificata con tecnica PM ed estratta in ricezione nel dominio delle frequenze Demodulazione di una portante sinusoidale a 3.7 KHz nel dominio del tempo Trasmissione di una portante sinusoidale a 18 KHz utilizzando un cammino di interconnessione tra il Master e lo Slave di circa 2 Km Segnale recuperato Segnale di modulazione Problematiche connesse alla modulazione in media-alta frequenza Disturbi e.m.i principalmente sul laser Master Ampio segnale (OOPSK) Possibili soluzioni: (1) Schermatura del cristallo (2) Modulatore di fase in fibra Ampio segnale Rivestimento cavi in carta d’alluminio Connettori SMA Fogli Cella Peltier di Indio Montaggio del laser Punta della fibra Lente Box schermante Finestre trasparenti (per il lancio del fascio) Box (Alluminio) (LiTaO3) Cristallo Piano coprente (Alluminio) Modulatore di fase in fibra Lente 1550 nm DFB-LD V = 5 Volt 50/50 FD1 PM Modulatore di fase in fibra Fotodiodo veloce Amplificatore RF Isolatore ottico L Adattamento d’indice di rifrazione Fibra SMR (2 Km) Giunti a fusione Connettori SOA Controllore di polarizzazione Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio 50/50 1550 nm DFB-LD FD2 Fibra compensativa della lunghezza di cavità L FD3 Linea di ritardo variabile Conclusioni E’ stata studiata la sincronizzazione back-to-back del caos in cavità corta nello schema ad anello chiuso (configurazione più promettente per gli scopi di crittografia) raggiungendo una correlazione dell’82% con l’ausilio di un amplificatore ottico a semiconduttore inserito nel setup e compatibile con tutti gli schemi di codifica proposti E’ stata sperimentata la codifica, la trasmissione e la decodifica di segnali modulati AM su portanti a frequenza di qualche GHz utilizzando le tecniche di mascheratura caotica ACM, CSK, CM con prestazioni in termini di rapporto segnale-rumore sostanzialmente equivalenti E’ stata sperimentata la codifica, la trasmissione e la decodifica di segnali ripetitivi in bassa frequenza utilizzando le tecniche a codifica di fase OOPSK, PM, che si avvalgono di un cristallo in LiTaO3, inserito nella cavità corta del Master Sviluppi futuri Nel corso dell’attività sperimentale svolta è stato evidenziato un ulteriore metodo di demodulazione di segnali codificati in fase osservando l’uscita del laser Slave. Tale possibilità, confermata da prime simulazioni numeriche, potrebbe costituire un metodo di estrazione del messaggio veloce e sicuro, oltre che facile da implementare Gli studi futuri continueranno ad orientarsi sulle tecniche a modulazione di fase, cercando di ottenere prestazioni sempre migliori in termini di banda utilizzabile e di rapporto segnale-rumore in ricezione (inoltre un modulatore di fase integrato in fibra ridurrebbe drasticamente le problematiche di e.m.i. riscontrate) Verranno approfonditi altri aspetti allo scopo di sperimentare in laboratorio la propagazione di segnali più complessi lungo reti reali (effetti di dispersione, effetti non lineari, ecc) Mascheratura caotica ed estrazione del messaggio con tecnica CSK Uscita Slave iniettato: CAOS MW 750MHz Filtro Passa Banda @ 3GHz FD2 FD3 Uscita Master: CAOS + SEGNALE AM Trasmissione di una portante sinusoidale a 2 GHz modulata AM con un’onda quadra in bassa frequenza (~ KHz) demodulata nel dominio del tempo Rivelatore Segnale non d’inviluppo Segnale recuperato (diodo BAT62) riconoscibile dopo ildall’uscita nodo di a partire ricombinazione del master Cristallo elettroottico LiTaO3 1 3 ne ( Eext ) ne ne r33 Eext 2 Vext (t ) Asse ottico Indio ne k +++++++ Eext (t ) 2 mm l Direzione di propagazione del fascio LiTaO3 d (TE ) Elaser nen 2.2180 .180 e -------1 mm t pm r33r 3030 .5.5 pm 33 VV d475 Volt V V 950 Volt 0 10 mm 2 lr33ne3 Spettro della somma di segnali ritardati Sm T Sm eit Ss ei(t+T) Sm+Ss cos(T/2) [dB] Somma-Differenza Potenza relativa [dBm] Ss + Analizzatore di spettro Frequenza Correlazione [GHz]% Configurazione in Anello Chiuso e caos di Cavità Corta Lo schema a cavità CORTA in anello CHIUSO è risultato essere il più promettente in quanto: Genera un caos continuo (senza risonanze) nel quale e’ più facile nascondere un segnale. Permette una sincronizzazione stabile, robusta e con transitori di risincronizzazione minori rispetto alla cavità lunga E’ sicura: i laser devono provenire dallo stesso wafer ed avere una stretta tolleranza dei parametri (chiave crittografica hardware) Si presta ad una realizzazione compatta Mascheratura caotica ed estrazione del messaggio con tecnica CSK Trasmissione di una singola portante sinusoidale a 3 GHz occultata nel caos del master ed estratta nel dominio delle frequenze per differenza al nodo di ricombinazione passiva Portante
