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 Tesi di Laurea di Biagio Provinzano Correlatore: Ing. Mauro Benedetti

Obiettivo Attività svolta  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) 1550 nm DFB LD Amplificatore RF Fibra SMR PD Attenuatore / Controllore di polarizzazione Cavità CORTA 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 Oscilloscopio real time Cavità LUNGHISSIMA (in fibra) Lcavità> lunghezza di coerenza oltre 10 m

Generazione del caos per retroriflessione ottica Evita retroriflessioni dalla prima interfaccia Cavità lunga L = 2 – 40 m 1550 nm DFB LD 10º PD La riflettività dovuta al taglio diritto sulla fibra è tale da condurre il laser al caos 1550 nm DFB LD 10º PD Cavità corta L = 2 - 5 cm 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 2 m Cavità di 40 m Frequenza [MHz] Potenza [dBm] Frequenza [MHz] Potenza [dBm]

Regimi caotici caratteristici di cavità corta  Il caos è fortemente dipendente dalla fase del campo retroriflesso • I diversi andamenti spettrali vengono ottenuti variando di frazioni di  la lunghezza di cavità tramite un micro-posizionatore Spettri RF L = 3 cm Frequenza [MHz] Potenza [dBm] Lcavita’ = L’ Lcavita’ = L’+/4 + /2 • Spettri RF continui • Chiusura del caos ciclicamente con periodo /2

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

Schema di sincronizzazione back-to-back Fotodiodo a larga banda 50/50 Isolatore ottico Attenuatore / Controllore di polarizzazione Amplificatore RF FD LASER FD1 MASTER Diodi Laser DFB ‘gemelli’ (close proximity) Fibra SMR (~2 m) FD3 Linea RF a ritardo variabile Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio real time 50/50 FD LASER FD2 SLAVE Giunti fusi Adattamento indice di rifrazione

Schema di sincronizzazione back-to-back Fotodiodo a larga banda 50/50 Amplificatore RF FD LASER FD1 MASTER Isolatore ottico 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 LASER FD2 SLAVE FD3 Linea RF a ritardo variabile Giunti fusi Adattamento indice di rifrazione

Schema di sincronizzazione back-to-back Fotodiodo a larga banda 50/50 Amplificatore RF FD LASER FD1 MASTER Isolatore ottico 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 ANELLO CHIUSO: lo slave è reso caotico grazie ad una opportuna retroazione ottica locale LA SINCRONIZZAZIONE DIPENDE SENSIBILMENTE ANCHE DA Attenuatore / Controllore di polarizzazione Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio real time 50/50 FD LASER FD2 SLAVE FD3 Linea RF a ritardo variabile Giunti fusi Adattamento indice di rifrazione

Sincronizzazione back-to-back in Anello Chiuso e Cavità Corta FD1 FD LASER FD2 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 50/50 Amplificatore ottico a semiconduttore : aumenta l’iniezione e/o compensa le perdite ottiche SOA Connettori

Correlazione ed ampiezza dei “buchi” (Anello Chiuso e Cavità Corta) CORRELAZIONE TRA I DUE CANALI CAOTICI FOTORIVELATI DI CIRCA 82 % Distanza somma-differenza senza l’utilizzo del SOA Distanza somma-differenza con l’inserimento del SOA 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 % ~ 16 dB ~ 20 dB Slave 5 ns Master

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

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

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

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 di ricombinazione passiva Portante Trasmissione di una portante sinusoidale a 3 GHz modulata AM con una sinusoide a 500 MHz Spettro del Master Spettro della differenza Portante Spettro del Master Spettro della differenza Righe laterali

Mascheratura caotica ed estrazione del messaggio con tecnica CM 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) Trasmissione di una portante sinusoidale a 3 GHz modulata AM con una quadra a 100 MHz Frequenza [MHz] Potenza [dBm] Spettro del Master (filtrato) Spettro della differenza (filtrato) Frequenza [MHz] Potenza [dBm] Spettro del Master Spettro della differenza Portante Righe laterali

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 Fotodiodo veloce Modulatore di fase Lente LiTaO3 Vπ = 950 Volt 50/50 1550 nm DFB-LD FD1 Amplificatore RF Isolatore ottico L Adattamento d’indice di rifrazione Fibra SMR (2 Km) SOA Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio Giunti a fusione Connettori Controllore di polarizzazione LiTaO3 1550 nm DFB-LD FD2 50/50 FD3 L Linea di ritardo variabile

Modulazioni di fase (Demodulazione per Correlazione) FD2 FD3 Oscilloscopio Rivelatore di inviluppo MW 750MHz Filtro Passa Banda @ 3GHz On-Off Phase Shift Keying - OOPSK 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 PM AM Slave Iniettato Nodo di uscita 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 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 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 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

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 Punta della fibra Lente Box schermante Ampio segnale Montaggio del laser Rivestimento cavi in carta d’alluminio Box (Alluminio) (LiTaO3) Cristallo Piano coprente (Alluminio) Connettori SMA Fogli di Indio Cella Peltier Finestre trasparenti (per il lancio del fascio)

Modulatore di fase in fibra Fotodiodo veloce Lente Modulatore di fase in fibra PM V = 5 Volt 50/50 1550 nm DFB-LD FD1 Amplificatore RF Isolatore ottico L SOA Fibra SMR (2 Km) Adattamento d’indice di rifrazione Analizzatore di spettro RF / Oscilloscopio Giunti a fusione Controllore di polarizzazione Connettori Fibra compensativa della lunghezza di cavità 50/50 1550 nm DFB-LD FD2 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 MW 750MHz Filtro Passa Banda @ 3GHz Trasmissione di una portante sinusoidale a 2 GHz modulata AM con un’onda quadra in bassa frequenza (~ KHz) demodulata nel dominio del tempo Uscita Slave iniettato: CAOS FD2 Segnale recuperato dopo il nodo di ricombinazione Rivelatore d’inviluppo (diodo BAT62) Segnale non riconoscibile a partire dall’uscita del master FD3 Uscita Master: CAOS + SEGNALE AM

Cristallo elettroottico LiTaO3 Asse ottico Direzione di propagazione del fascio 10 mm 1 mm 2 mm LiTaO3 Indio + + + + + + + - - - - - - - -

Spettro della somma di segnali ritardati Sm Analizzatore di spettro + Ss T Correlazione % Somma-Differenza [dB] Sm  eit Ss  ei(t+T) Potenza relativa [dBm] Sm+Ss  cos(T/2) Frequenza [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