Università degli Studi di Pavia Laboratorio di Elettroottica Confronto sperimentale fra tecniche di...

Università degli Studi di Pavia

Laboratorio di Elettroottica

Confronto sperimentale fra tecniche

di codifica di segnale su portante

ottica caotica

Tesi di Laurea di Biagio Provinzano

Relatore: Prof. V. Annovazzi LodiCorrelatore: Ing. Mauro Benedetti

Lavoro svolto nell’ambito del progetto europeo OCCULT

Obiettivo Studio di tecniche di crittografia caotica con laser DFB in

terza finestra utilizzando schemi tutto-ottici

Analisi sperimentale di specifiche tecniche di mascheratura caotica a modulazione di ampiezza

Attività svolta

• Additive Chaos Masking (ACM)

•Chaos Modulation (CM)

• Chaos Shift Keying (CSK)

Analisi sperimentale di schemi a codifica di fase con un modulatore bulk in LiTaO3

• Phase Modulation (PM)

• On-Off Phase Shift Keying (OOPSK)

Analizzatore di spettro RF

Amplificatore RF

Cavità CORTA (in aria) Lcavità < lunghezza di rilassamento (fr = 5GHz)

2 ÷ 5 cm

Cavità CORTA

1550 nm DFB LD

Attenuatore / Controllore di polarizzazione

Cavità LUNGA / LUNGHISSIMA

Fibra SMRPD

Fotodiodo veloce (8 GHz)

Cavità LUNGA (in fibra) lunghezza di rilassamento < Lcavità< lunghezza di coerenza

2 ÷ 10 m Cavità LUNGHISSIMA (in fibra)

Lcavità> lunghezza di coerenzaoltre 10 m

Generazione del caos perretroriflessione ottica

Oscilloscopio real time

Generazione del caos per retroriflessione ottica

1550 nm DFB LD

Cavità lunga L = 2 – 40 m

PD

1550 nm DFB LD

Cavità corta

L = 2 - 5 cm

PD

10º

10º

Evita retroriflessioni dalla prima interfaccia

La riflettività dovuta al taglio diritto sulla fibra è tale da condurre il laser al caos

Evita retroriflessioni dalla seconda interfaccia

Frequenza [MHz]

Pote

nza

[dB

m]

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

Cavità di 2 m Cavità di 40 m

• Lo spettro tipico è uno spettro a righe

Frequenza [MHz]

Pote

nza

[dB

m]

• La complessità del caos aumenta con la lunghezza

Frequenza [MHz]

Pote

nza

[dB

m]

Regimi caotici caratteristici di cavità corta

Il caos è fortemente dipendente dalla fase del campo retroriflesso

• Chiusura del caos ciclicamente con periodo /2

• Spettri RF continui

• I diversi andamenti spettrali vengono ottenuti variando di frazioni di la lunghezza di cavità tramite un micro-posizionatore

Spettri RFL = 3 cm

Lcavita’ = L’

Lcavita’ = L’+/4

+ /2

Mascheratura di un segnale

Segnale

Segnale estratto

Trasmettitore Master

Ricevitore ‘gemello’ Slave

Segnale

Configurazione di base

DFB - LD

DFB - LDLinea di trasmissione

La chiave crittografica fisica unica si cela nell’accordo

strutturale tra la coppia di laser impiegata, ovvero nelle strette

tolleranze necessarie per i parametri relativi ai due sistemi,

come pure nelle particolari condizioni operative scelte

Schema di sincronizzazione back-to-back

FD1FD LASER

FD2FD LASER

SLAVE

Fotodiodo a larga banda

Amplificatore RF

MASTER

Giunti fusi Adattamento indice di rifrazione

Diodi Laser DFB ‘gemelli’ (close proximity)

Fibra SMR (~2 m)

50/50

Isolatore ottico


FD3

Linea RF a ritardo variabile

Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio real time

50/50


FD1FD LASER

FD2FD LASER

SLAVEFD3



Giunti fusi

Isolatore ottico


Amplificatore RF

MASTER

Adattamento indice di rifrazione


50/50

50/50

LA SINCRONIZZAZIONE DIPENDEUNICAMENTE DALL’ INIEZIONE

ANELLO APERTO:il master caotico inietta unidirezionalmente lo slave che inizialmente opera imperturbato (senza retroazione ottica locale)

ANELLO CHIUSO:lo slave è reso caotico grazie ad una opportuna retroazione ottica locale

Le lunghezze delle rispettive cavità corte in aria devono essere pareggiate

finemente

/10 a meno di multipli di /2entro 100 µm di differenza massima

LA SINCRONIZZAZIONE DIPENDESENSIBILMENTE ANCHE DA

smrel


FD1FD LASER

FD2FD LASER

SLAVEFD3



Giunti fusi

Isolatore ottico


Amplificatore RF

MASTER



50/50

50/50

Sincronizzazione back-to-back in Anello Chiuso e Cavità Corta

Connettori

FD1FD LASER

FD2FD LASER

SLAVEFD3


MASTER



Giunti fusi

50/50

Isolatore ottico


Amplificatore RF


Amplificatore ottico a semiconduttore :

aumenta l’iniezione e/o compensa le perdite ottiche

SOA

50/50

Correlazione ed ampiezza dei “buchi”

(Anello Chiuso e Cavità Corta)

~ 16 dB ~ 20 dB

Distanza somma-differenza senza l’utilizzo del SOA

Distanza somma-differenza con l’inserimento del SOA

Master

Sla

ve

5 ns

Diagramma di correlazione x-y dei due canali caotici fotorivelati

Sovrapposizione delle forme d’onda caotiche fotorivelate del master e dello slave

Tempo [ns]

Cor

rela

zion

e %

CORRELAZIONE TRA I DUE CANALI CAOTICIFOTORIVELATI DI CIRCA 82 %

Modulazione RF

Additive Chaos Masking (ACM)

FD LASER

FD2FD LASER

SLAVEFD3


Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio

Giunti fusi

Isolatore ottico


Amplificatore RFMASTER

Attenuatore / Controllore di polarizzazioneFD LASER

1550 nm DFB Diodo laser

50/50

50/50

FD1

Chaos Shift Keying (CSK)

FD1FD LASER

Modulazione RF

FD2FD LASER

SLAVEFD3



Giunti fusi

Isolatore ottico


Amplificatore RFMASTER



50/50

50/50

Chaos Modulation (CM)

FD3

FD2FD LASER



SLAVE

MASTER


FD1FD LASER

Amplificatore RF

Giunti a fusione

Adattamento di indice di rifrazione

Fibra connettorizzata

EOMSOA

Modulazione RF

Modulatore elettroottico

Amplificatore ottico

Attenuatore / Controllo polarizzazione

Isolatore ottico

50/50

50/50

Spettro del Master

Spettro della differenza

Mascheratura caotica ed estrazione del messaggio con tecnica ACM

Trasmissione di una portante sinusoidale a 3 GHz modulata AM con una sinusoide a 500 MHz

Portante

Righe laterali

Spettro del Master


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

Frequenza [MHz]

Pot

enza

[dB

m]

Spettro del Master (filtrato)

Spettro della differenza (filtrato)

Frequenza [MHz]

Pot

enza

[dB

m]

Spettro del Master


Mascheratura caotica ed estrazione del messaggio con tecnica CM

Trasmissione di una portante sinusoidale a 3 GHz modulata AM con una quadra a 100 MHz

Portante

Righe laterali

Portante

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 microstrisca (caos maggiormente correlato)

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 ottenereun 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

1550 nm DFB-LD

1550 nm DFB-LD

L

FD1

Fotodiodo veloce

Amplificatore RF

FD2

FD3

Linea di ritardo variabile

Isolatore ottico

Controllore di polarizzazione

L

Modulatore di fase

Lente

LiTaO3


SOAFibra SMR

(2 Km)

Adattamento d’indice di rifrazione

Connettori

Giunti a fusione

50/50

50/50LiTaO3

Vπ = 950 Volt

Modulazioni di fase(Demodulazione per Correlazione)

L’indice di modulazione di fase deve essere tale da non perturbare lo spettro del master

FD2

FD3

Oscilloscopio

Rivelatore di inviluppo

MW 750MHzFiltro Passa

Banda@ 3GHz

Slave Iniettato

Master

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

On-Off Phase Shift Keying - OOPSK On-Off Phase Shift Keying - OOPSK

PMPM

AMAM

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

Phase Modulation - PM Phase Modulation - PM Nodo di uscita

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 nel dominio delle frequenze Trasmissione di un’onda quadra ad 1 KHz con una variazione di Vpp= 40 Volt, estratta in ricezione nel dominio del tempo

Demodulazione al nodo di somma Demodulazione in uscita al Master

Ampio segnale impresso agli elettrodi del cristallo

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

Trasmissione di una portante sinusoidale a 18 KHz utilizzando un cammino di interconnessione tra il Master e lo Slave di circa 2 Km

Demodulazione di una portante sinusoidale a 3.7 KHz nel dominio del tempo

Segnale di modulazione

Segnale recuperato

Punta della fibra Lente

Box schermante

Ampio segnale

Montaggio del laser

Rivestimento caviin carta d’alluminio

Problematiche connesse alla modulazione in media-alta

frequenza

Box(Alluminio)

(LiTaO3)

CristalloPiano coprente

(Alluminio)

Connettori SMA Foglidi Indio

Cella Peltier

Finestre trasparenti(per il lancio del fascio)

Possibili soluzioni: (1)(1) Schermatura del cristalloSchermatura del cristallo (2)(2) Modulatore di fase in fibraModulatore di fase in fibra

Ampio segnale (OOPSK) Disturbi e.m.i principalmentesul laser Master

Modulatore di fase in fibra

1550 nm DFB-LD

1550 nm DFB-LD

Giunti a fusione

Adattamento d’indice di rifrazione

Connettori

FD1

Fotodiodo veloce

Amplificatore RF

FD2

FD3Linea di ritardo

variabile

50/50

50/50

Isolatore ottico

Controllore di polarizzazione

Analizzatore di spettro RF /

Oscilloscopio

Lente

Modulatore di fase in fibra

PM

Fibra compensativa della lunghezza di cavità

L

L

SOAFibra SMR

(2 Km)

V = 5 Volt

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

Trasmissione di una portante sinusoidale a 2 GHz modulata AM con un’onda quadra in bassa frequenza

(~ KHz) demodulata nel dominio del tempoFD2

FD3

Rivelatore d’inviluppo

(diodo BAT62)

MW 750MHzFiltro Passa

Banda@ 3GHzUscita Slave iniettato: CAOS

Uscita Master: CAOS + SEGNALE AM

Segnale recuperato dopo il nodo di ricombinazione

Segnale non riconoscibile

a partire dall’uscita del master

Cristallo elettroottico LiTaO3

V

pmr

ne

5.30

180.2

33

Asse ottico

Direzione di propagazione

del fascio

10 mm

l

1 mm

t

2 mm

d

LiTaO3

Indioen

k

)(tVext

0

)(tEext

)(TE

laserE

+ + + + + + +

- - - - - - - -

exteeexte ErnnEn 33

3

2

1)(

Voltnlr

dV

e

9503

33

V

pmr

ne

5.30

180.2

33

VoltV 4752

+

Spettro della somma di segnali ritardati

SSmm

SSss T

Analizzatore di spettro

SSmm+S+Ss s cos( cos(T/2)T/2)Frequenza [GHz]

Pote

nza

rela

tiva [

dB

m]

Correlazione %

Som

ma-D

iffere

nza

[d

B]SSm m e eiitt

SSs s e eii(t+T) (t+T)

Configurazione in Anello Chiuso e caos di Cavità Corta

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

Lo schema a cavità CORTA in anello CHIUSO è risultato essere il più promettente in quanto:

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

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