Protección de la información en el rango de frecuencia óptica.
La necesidad de sistemas de comunicación eficientes está impulsada por los crecientes costos de reemplazo y modificación de equipos y la creciente demanda de todos los medios de seguridad de la información, especialmente en televisión, radio, telefonía e informática.
Nuevo En la última década han surgido tipos de comunicación, como la televisión por despacho, la videotelefonía y los sistemas de transmisión de información por vídeo.
La mayoría de estos sistemas están limitados por un factor importante: el ancho de banda de la información.
Las líneas de comunicación cableadas y coaxiales proporcionan transmisión de información en frecuencias que se extienden hasta 10^9 Hz.
El uso de métodos de multiplexación de canales y técnicas de codificación aumenta el ancho de banda de información de estos sistemas a un mayor nivel de velocidad de transmisión de información en los canales.
Cuando se utiliza luz modulada con una frecuencia de aproximadamente 10^10 Hz para transmitir información, es posible aumentar el ancho de banda de transmisión en varios órdenes de magnitud.
El primer trabajo sobre la propagación de la luz en diversos medios se centró en guías de luz líquidas; Al mismo tiempo, se demostró que era posible aplicar la dirección de la luz en una corriente de agua que fluye desde un recipiente (experimentos de Tyndale, 1880).
En 1910, Hondras y Debye informaron sobre avances teóricos para la transmisión de señales luminosas a través de una guía de ondas dieléctrica, y diez años más tarde Schriever realizó los primeros experimentos sobre la transmisión de luz a través de una varilla dieléctrica rodeada de aire.
En En 1954, Hell, Hopkins y Konani propusieron diversas aplicaciones para una guía de ondas dieléctrica hecha de fibra de vidrio, que tiene dos capas, una de las cuales actúa como una capa reflectante.
La fibra de vidrio adecuada para su uso en sistemas de comunicación se desarrolló en el período 1966-1973.
Desde 1975, tanto aquí como en el extranjero, se inició el desarrollo e implementación de sistemas de transmisión de información por fibra óptica (THINK). Las características más importantes de VOSPI, que determinan su ventaja sobre los cables metálicos, son:
1) débil atenuación de la señal y su menor dependencia de la longitud de onda de la señal de información óptica transmitida. distribución de modos y temperaturas del cable;
2) distorsión insignificante de la señal y su débil dependencia del ancho espectral, la distribución del modo, la amplitud y la longitud de onda de la señal de información óptica transmitida, la longitud de la fibra óptica y la temperatura ambiente;
3) pequeñas pérdidas por radiación y su insignificante dependencia del radio de curvatura y la temperatura de la guía de luz de fibra;
4) parámetros físicos más aceptables: peso, tamaño, volumen total;
5) facilidad de instalación, empalme y entrada de radiación en la guía de luz ;
6) alta resistencia a las influencias externas: resistencia a la humedad, resistencia al calor, resistencia a la corrosión química y a la corrosión bajo tensión, cargas mecánicas.
A pesar de las ventajas anteriores, VOSPI también tiene desventajas, en particular, la fuga de información debido a Los efectos secundarios son posibles radiación electromagnética e interferencias (PEMIN) tanto en el rango de radiofrecuencia como en el óptico.
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Se han estudiado y conocido con cierto detalle los posibles canales de fuga de información en el rango de radiofrecuencia. Desde principios de los años 80, tanto nuestros científicos como los extranjeros, junto con el desarrollo de VOSPI, han estado trabajando para identificar posibles canales de fuga de información en el rango de frecuencia óptica. Para analizar posibles canales de fuga de información, analicemos considere el modelo más simple de VOSPI (Fig. 1). |
Se pueden usar dispositivos semiconductores de dos tipos como emisores para VOSP.
El tipo de dispositivo más simple: un diodo emisor de luz tiene un patrón de radiación amplio y, por lo tanto, es adecuado para trabajar con guías de luz de fibra multimodo con un diámetro de núcleo grande.
Dispositivos más complejos: los láseres semiconductores emiten mucho mejor colimados haces de luz y, por lo tanto, permiten que la señal ingrese con mayor potencia (10 — 100 veces) en fibras multimodo, así como también introduce efectivamente una señal en fibras monomodo con un diámetro de núcleo pequeño.
Los diodos emisores de luz son muy adecuados para su uso en canales de información y sistemas de comunicación con ancho de banda bajo o moderado.
Es posible la fuga de información del emisor:
• debido a una falta de coincidencia entre las dimensiones geométricas de la ventana (microlente) del diodo emisor de luz o láser semiconductor y el extremo (apertura) de la guía de luz de fibra;
• debido a “ventanas de transparencia” alrededor de los contactos en el sustrato al que se suministra la señal de información transmitida en el rango de radiofrecuencia.
La apertura numérica de una guía de luz de fibra está determinada por la expresión 
donde nc es el índice de refracción del núcleo de la guía de luz de fibra;
no es el índice de refracción de la carcasa.
Los fotodiodos se utilizan generalmente como receptor en VOSPI. Es posible que se produzcan fugas en el receptor en el rango de frecuencia óptica:
‘ debido a un desajuste entre las dimensiones geométricas de la ventana (microlente) del fotodiodo y el extremo de la fibra óptica;
• debido a “ventanas de transparencia” alrededor de los contactos en el sustrato, a los que se dirige la señal de información recibida en el Se suministra el rango de radiofrecuencia.
Para excluir fugas de información en el rango de frecuencia óptica en el emisor y el receptor, es necesario que su diseño desde un punto de vista físico represente un «cuerpo absolutamente negro». Normalmente, las pérdidas en los conectores ópticos son de 2,5 a 4,5 dB.
De mayor interés es la emisión de información a partir de fibra óptica. Actualmente, todas las guías de luz de fibra producidas por la industria se pueden dividir en tres tipos:
• guía de luz de fibra multimodo;
• guía de luz de fibra de pocos modos;
• guía de luz de fibra monomodo
Además, las guías de luz de fibra están disponibles con un índice de refracción escalonado y con un índice de refracción degradado.
Absolutamente todas las guías de luz de fibra tienen atenuación. La atenuación de la luz en una fibra es causada por la absorción y dispersión en el material, la dispersión asociada con la estructura de la fibra y las pérdidas por radiación.
La dispersión asociada con la estructura de la fibra es causada en gran medida por faltas de homogeneidad geométrica en la interfaz núcleo-revestimiento .
La dispersión asociada con la estructura de la fibra es causada en gran medida por faltas de homogeneidad geométrica en la interfaz núcleo-revestimiento.
La dispersión asociada con la estructura de la fibra es causada en gran medida por faltas de homogeneidad geométrica en el núcleo- interfaz de revestimiento.
La dispersión asociada con la estructura de la fibra es causada en gran medida por faltas de homogeneidad geométrica en la interfaz núcleo-revestimiento.Controlando cuidadosamente el proceso de fabricación, este tipo de pérdida por dispersión se puede mantener por debajo de 1 dB/km. Las pérdidas de radiación se deben a la flexión de la guía de luz y pueden ser significativas con radios de curvatura pequeños.
La radiación de una guía de luz de fibra alcanza valores especialmente grandes si las guías de luz no tienen un plástico blando que absorba los impactos. La funda se utiliza en la fabricación del cable óptico.
La dispersión de la luz debido a las fluctuaciones en la densidad del material de fibra óptica está determinada por la expresión 
donde T es la temperatura de transición a la cual las fluctuaciones térmicas se “congelan en el vidrio”;
B es la compresibilidad isotérmica;
l es la longitud de onda de la señal óptica transmitida.
Para fusibles cuarzo, cuyo T~1700 K, el valor de como a una longitud de onda de 830 nm es aproximadamente 1-6 dB/km.
Para una representación más visual, consideremos la estructura del campo del señal de información óptica transmitida a través de una fibra multimodo con un índice de refracción escalonado (Fig. 2).
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0 — ángulo de entrada de la señal óptica en la fibra; nc — índice de refracción del núcleo de la fibra óptica; no — índice de refracción del revestimiento de la fibra óptica; 1 — trayectoria del haz (modo) introducido en la fibra; 2 — trayectoria del haz (modo) de la señal de información óptica transmitida a lo largo del núcleo de la fibra; 3 — trayectoria del haz (modo) transmitido a lo largo del revestimiento de fibra; 4 — trayectoria del haz que se escapa (modo). |
Desde el punto de vista de la fuga de información, los más peligrosos son los modos «revestimiento» y «fuga», ya que, al tener acceso a este tipo de fibra óptica, se utilizan dispositivos fotodetectores de alta sensibilidad (microlentes o una fibra óptica especial, ópticamente adaptada con el principal, se puede utilizar como lente óptica) utilizando un líquido emisor especialmente seleccionado), se puede recibir la señal óptica transmitida.
Si hay perturbaciones estructurales en el cable óptico, se pueden aplicar tensiones perpendiculares al eje de la fibra óptica, pueden provocar que ésta se doble con un radio de curvatura pequeño.
Las tensiones axiales también pueden provocar flexión, si hay faltas de homogeneidad en la estructura, al alargamiento de la fibra y al crecimiento. de microfisuras.
La influencia de estos fenómenos en la atenuación de la señal óptica en la fibra óptica debe tenerse en cuenta a la hora de desarrollar el diseño del cable óptico y elegir el tipo de fibras ópticas.
La emisión de la señal óptica Debido a la flexión de la fibra óptica, las pérdidas ópticas de las fibras ópticas en el cable pueden aumentar significativamente.
En la mayoría de los casos, las curvaturas tienen un radio de curvatura 
donde r es el radio del núcleo de la fibra, NA es la apertura numérica de la fibra, lo que genera una radiación espuria muy alta en la curvatura.
Por lo tanto, el radio de curvatura de la fibra óptica en el cable debe ser significativamente mayor que r.
Para radios de curvatura grandes R, la radiación espuria de la señal óptica en la curva disminuirá exponencialmente de acuerdo con exp. (-R/Rmín).
La tensión sobre las protuberancias puede hacer que la fibra se doble y aumente la radiación espuria. La tensión también puede provocar que aumenten las microfisuras y provocar un cambio en el índice de refracción, lo que a su vez también puede provocar un aumento de la radiación espuria de la fibra.
La dependencia de la radiación espuria debida a la tensión transversal causada por la flexión de la fibra óptica OS en el radio del núcleo r y la diferencia relativa en los índices de refracción A se expresa mediante la siguiente fórmula: 
b — diámetro de la guía de luz;
nc — índice de refracción de la guía de luz;
nob — índice de refracción del revestimiento;
h — raíz valor cuadrático medio de la convexidad;
p es el número de protuberancias por unidad de longitud;
Eob es el módulo de Young del material de revestimiento;
Ec es el módulo de Young del material del núcleo de fibra.
Por lo general, el modo de funcionamiento de la fibra se caracteriza por un parámetro generalizado, que incluye el radio del núcleo, la longitud de onda y los índices de refracción del núcleo y el revestimiento, que se denomina frecuencia normalizada: 
A frecuencias suficientemente altas (valor V grande), casi toda la energía del campo se concentra dentro del núcleo de la fibra y, a medida que la frecuencia disminuye, el campo se redistribuye y pasa al espacio circundante.
Frecuencia f0, en que en el rango f > = f0 hay radiación del campo hacia el espacio circundante, llamada frecuencia de corte. Cuanto más lejos esté f de él, más rápido se “encenderá” la energía de la fibra.
También cabe señalar que los modos con “fugas” (Fig. 2) a su vez se dividen en modos de amortiguamiento débil y amortiguamiento rápido.
A diferencia de los modos de radiación de amortiguamiento rápido, que se amortiguan casi por completo en una longitud de tres metros. sección de fibra óptica, los modos débilmente amortiguados se atenúan relativamente lentamente y tienen un efecto notable en las mediciones de radiación espuria para longitudes de cable de hasta cientos de metros.
Por ejemplo, en fibras multimodo graduadas con un perfil parabólico, aproximadamente El 25% de la energía propagada puede estar contenida en modos con fugas débiles.
Todo lo anterior fue considerado en relación a una guía de luz de fibra.
Si consideramos un cable óptico formado por varias fibras ópticas a través del cual se transmite información confidencial con diferentes firmas, entonces surge otro canal de fuga de información debido a la atenuación transitoria causada por modos con fugas
El acceso a las fibras ópticas del cable para mejorar la recepción de información en el rango de frecuencia óptica es posible debido a:
• acción mecánica;
• exposición química;
• exposición a rayos duros.
En conclusión, cabe señalar que al construir un VOSPI para transmitir información confidencial, es necesario analizar en detalle las condiciones de operación, la clasificación de la información y seleccionar el tipo de cable óptico que permita proteger la información de posibles fugas debido a radiaciones espurias en el rango de frecuencia óptica.
Además de los medios constructivos para proteger la información, también se puede utilizar la protección activa. , en particular el ruido en el rango óptico y la criptografía cuántica.
Literatura
1. Snyder A. Love J. Teoría de las guías de ondas ópticas. M.: Radio y Comunicaciones, 1987.
2. Unger. HG. Guías de ondas cepilladoras y de fibra óptica. M.: Mir, 1989.
3. Grodnev I. I. Shvartsman V. O. Teoría de la guía de los sistemas de comunicación. M.: Comunicaciones, 1978.
4. Unger G. G. Comunicaciones ópticas. M.: Comunicación, 1977.
E. Kozanis A., Fleuret J., Metro G., Rousseau M. Óptica y comunicaciones. M.: Mir, 1984.