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Università degli Studi di Pavia Laboratorio di Elettroottica Confronto sperimentale fra tecniche di codifica di segnale su portante ottica caotica Tesi.

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Presentazione sul tema: "Università degli Studi di Pavia Laboratorio di Elettroottica Confronto sperimentale fra tecniche di codifica di segnale su portante ottica caotica Tesi."— Transcript della presentazione:

1 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 Lodi Correlatore: Ing. Mauro Benedetti Lavoro svolto nell’ambito del progetto europeo OCCULT

2 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 LiTaO 3 Phase Modulation (PM) On-Off Phase Shift Keying (OOPSK)

3 Analizzatore di spettro RF Amplificatore RF  Cavità CORTA (in aria) L cavità < lunghezza di rilassamento (f r = 5GHz) 2 ÷ 5 cm Cavità CORTA 1550 nm DFB LD Attenuatore / Controllore di polarizzazione Cavità LUNGA / LUNGHISSIMA Fibra SMR PD Fotodiodo veloce (8 GHz)  Cavità LUNGA (in fibra) lunghezza di rilassamento < L cavità < lunghezza di coerenza 2 ÷ 10 m  Cavità LUNGHISSIMA (in fibra) L cavità > lunghezza di coerenza oltre 10 m Generazione del caos per retroriflessione ottica Oscilloscopio real time

4 Generazione del caos per retroriflessione ottica 1550 nm DFB LD Cavità lunga L = 2 – 40 m PD 1550 nm DFB LD Cavità corta L = cm PD 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

5 Frequenza [MHz] Potenza [dBm] 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] Potenza [dBm] La complessità del caos aumenta con la lunghezza

6 Frequenza [MHz] Potenza [dBm] 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 RF L = 3 cm L cavita’ = L’ L cavita’ = L’+ /4 + /2

7 Mascheratura di un segnale Segnale Segnale estratto Trasmettitore Master Ricevitore ‘gemello’ Slave Segnale Configurazione di base DFB - LD Linea 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

8 Schema di sincronizzazione back-to-back FD1 FD LASER FD2 FDLASER 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 Attenuatore / Controllore di polarizzazione FD3 Linea RF a ritardo variabile Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio real time 50/50

9 Schema di sincronizzazione back-to-back FD1 FD LASER FD2 FDLASER SLAVE FD3 Linea RF a ritardo variabile Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio real time Giunti fusi Isolatore ottico Fotodiodo a larga banda Amplificatore RF MASTER Adattamento indice di rifrazione Attenuatore / Controllore di polarizzazione 50/50  LA SINCRONIZZAZIONE DIPENDE UNICAMENTE DALL’ INIEZIONE  ANELLO APERTO: il master caotico inietta unidirezionalmente lo slave che inizialmente opera imperturbato (senza retroazione ottica locale)

10  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 /2 entro 100 µm di differenza massima LA SINCRONIZZAZIONE DIPENDE SENSIBILMENTE ANCHE DA Schema di sincronizzazione back-to-back FD1 FD LASER FD2 FDLASER SLAVE FD3 Linea RF a ritardo variabile Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio real time Giunti fusi Isolatore ottico Fotodiodo a larga banda Amplificatore RF MASTER Adattamento indice di rifrazione Attenuatore / Controllore di polarizzazione 50/50

11 Sincronizzazione back-to-back in Anello Chiuso e Cavità Corta Connettori FD1 FD LASER FD2 FDLASE R SLAVE FD3 Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio real time MASTER Linea RF a ritardo variabile Attenuatore / Controllore di polarizzazione Giunti fusi 50/50 Isolatore ottico Fotodiodo a larga banda Amplificatore RF Adattamento indice di rifrazione Amplificatore ottico a semiconduttore : aumenta l’iniezione e/o compensa le perdite ottiche SOA 50/50

12 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 Slave 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] Correlazione % CORRELAZIONE TRA I DUE CANALI CAOTICI FOTORIVELATI DI CIRCA 82 %

13 Modulazione RF Additive Chaos Masking (ACM) FD LASER FD2 FDLASER SLAVE FD3 Linea RF a ritardo variabile Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio Giunti fusi Isolatore ottico Fotodiodo a larga banda Amplificatore RF MASTER Attenuatore / Controllore di polarizzazione FD LASER 1550 nm DFB Diodo laser 50/50 FD1

14 Chaos Shift Keying (CSK) FD1 FD LASER Modulazione RF FD2 FDLASER SLAVE FD3 Linea RF a ritardo variabile Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio Giunti fusi Isolatore ottico Fotodiodo a larga banda Amplificatore RF MASTER Adattamento indice di rifrazione Attenuatore / Controllore di polarizzazione 50/50

15 Chaos Modulation (CM) FD3 FD2 FD LASER Linea RF a ritardo variabile Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio SLAVE MASTER Fotodiodo a larga banda FD1 FD LASER Amplificatore RF Giunti a fusione Adattamento di indice di rifrazione Fibra connettorizzata EOM SOA Modulazione RF Modulatore elettroottico Amplificatore ottico Attenuatore / Controllo polarizzazione Isolatore ottico 50/50

16 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 Spettro della differenza  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

17 Frequenza [MHz] Potenza [dBm] Spettro del Master (filtrato) Spettro della differenza (filtrato) Frequenza [MHz] Potenza [dBm] Spettro del Master Spettro della differenza 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)

18 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

19 Schema sperimentale per le codifiche di fase OOPSK / PM 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 LiTaO 3 Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio SOA Fibra SMR (2 Km) Adattamento d’indice di rifrazione Connettori Giunti a fusione 50/50 LiTaO 3 V π = 950 Volt

20 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 750MHz Filtro Passa 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 PM AM  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 Nodo di uscita

21 Tecnica OOPSK  Trasmissione di una singola portante sinusoidale in bassa frequenza (~ 2 KHz) con V pp = 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 V pp = 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

22 Tecnica PM  Trasmissione di una singola portante sinusoidale in bassa frequenza (~ 5 KHz) con V pp = 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

23 Punta della fibra Lente Box schermante Ampio segnale Montaggio del laser Rivestimento cavi in carta d’alluminio Problematiche connesse alla modulazione in media-alta frequenza Box (Alluminio) (LiTaO 3) Cristallo Piano coprente (Alluminio) Connettori SMAFogli di Indio Cella Peltier Finestre trasparenti (per il lancio del fascio) (1)Schermatura del cristallo Possibili soluzioni: (1) Schermatura del cristallo (2)Modulatore di fase in fibra (2) Modulatore di fase in fibra Ampio segnale (OOPSK) Disturbi e.m.i principalmente sul laser Master

24 Modulatore di fase in fibra 1550 nm DFB-LD Giunti a fusione Adattamento d’indice di rifrazione Connettori FD1 Fotodiodo veloce Amplificatore RF FD2 FD3 Linea di ritardo variabile 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 SOA Fibra SMR (2 Km) V = 5 Volt

25 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 LiTaO 3, inserito nella cavità corta del Master

26 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)

27 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 tempo FD2 FD3 Rivelatore d’inviluppo (diodo BAT62) MW 750MHz Filtro Passa 3GHz Uscita Slave iniettato: CAOS Uscita Master: CAOS + SEGNALE AM Segnale recuperato dopo il nodo di ricombinazione Segnale non riconoscibile a partire dall’uscita del master

28 Cristallo elettroottico LiTaO 3 Asse ottico Direzione di propagazione del fascio 10 mm 1 mm 2 mm LiTaO 3 Indio

29 + Spettro della somma di segnali ritardati SmSmSmSm SsSsSsSs T Analizzatore di spettro S m +S s  cos(  T/2) Frequenza [GHz] Potenza relativa [dBm] Correlazione % Somma-Differenza [dB] S m  e i  t S s  e i  (t+T)

30 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:

31 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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