DE2628561A1

DE2628561A1 - Mehrkernige optische faser

Info

Publication number: DE2628561A1
Application number: DE19762628561
Authority: DE
Inventors: James Emanuel Goell
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1975-07-11
Filing date: 1976-06-25
Publication date: 1977-01-27
Also published as: IE43610B1; IE43610L; GB1543242A; ES449730A1; US4000416A; CA1087891A; AU502543B2; JPS5621121B2; FR2317670A1; FR2317670B1; ZA763885B; JPS5238238A; NL7607538A; AU1558976A; CH607064A5

Description

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, New York

Mehrkernige optische Faser

Die Priorität der Anmeldung Nr. 595 247 vom 11. Juli 1975 in den Vereinigten Staaten von Amerika wird beansprucht.

Mit dem Aufkommen von optischen Fasern für Nachrichtenübertragungszwecke glaubte man anfänglich, eine fertige Einrichtung zu haben für die Übertragung von Geheimxnformatxonen, ohne daß Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden mußten. Man glaubte, daß ein Zugang zu den Informationen unmöglich sei, da die Faser

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21. Juni 1976 Dr.Rl/sp

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bei einem solchen Vorgang zerstört würde. Seit der Erfindung der ersten optischen Nachrichtenübertragungssysteme wurden eine ganze Anzahl sinnvoller Methoden entwickelt, um ohne Zerstörung der Faser einen Zugang zu dem Faserkern zu erreichen.

Ein Verfahren zur Erlangung eines Zugangs zu der Information, die in dem Faserkern übertragen wird, besteht im Wegätzen eines Teils des optischen Hüllmaterials und Einkuppeln in den Lichtweg durch Eintauchen der Faser in ein Material mit höherem Brechungsindex. Durch dieses Verfahren läßt sich Licht leicht von dem Faserkern durch das Material mit hohem Brechungsindex übertragen, wo es optisch empfangen und gemessen werden kann. Da man dieses Abfangverfahren von Lichtenergie bei dem optischen Empfängerende des Übertragungssystems nicht feststellen kann, waren zur Sicherstellung der Sicherheit des Systems eine Vielzahl von Verfahren zur Verschlüsselung der Informationsdaten erforderlich.

Die Verwendung einer umfangreichen Verschlüsselungseinrichtung und Schaltung an dem optischen Übertragungsende und die Verwendung eines ähnlichen Entschlüsselungsapparates an dem optischen Empfängerende kommt somit noch zu der großen Anzahl von Übertragungseinrichtungen hinzu, die innerhalb eines optischen Nachrichtenübertragungssystems verwendet werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Gerät zur einfachen und wirkungsvollen sicheren Nachrichtenübertragung zu schaffen. Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Eine mehrkernige optische Faser gewährleistet somit eine sichere Informationsübertragung dadurch, daß die Geheiminformation im Innenkern weitergegeben wird und ein Sicherungssignal den äußeren Kern durchläuft. Eine eingeschobene Hüllschicht aus Material mit

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niedrigerem Brechungsindex verhindert ein Vermischen der Geheiminformation und des Sicherheitssignals. Ein Annäherungsversuch an den Innenkern führt zu einem Abfall in der Intensität des Sicherheitssignals und macht den Operator auf den Eindringversuch aufmerksam.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 ist ein Querschnitt durch die konzentrische mehrkernige optische Faser nach der Erfindung,

Fig. 1A zeigt die erfindungsgemäße mehrkernige Faser nach Fig. 1, bestehend aus vier Kernen,

Fig. 2 ist das Blockdiagramm eines optischen Nachrichtenübertragungssystems, welches die Faser nach Fig. 1 verwendet und

Fig. 3 ist eine andere Ausbildungsform des Systems nach Fig. 2.

Fig. 1 stellt den Querschnitt durch die konzentrische mehrkernige Faser 1 nach der Erfindung dar, die unter Zuhilfenahme der herkömmlichen Verfahrenstechniken für optische Fasern hergestellt werden kann.

Das Verfahren zur Ausbildung einer mehrkernigen Faser besteht in der schrittweisen Aufbringung einer Anzahl von Schichten durch ein Verfahren, das als chemisches Aufdampfen . bekannt ist. Hierbei können wechselweise Schichten von hohem und niedrigem Brechungsindex auf der Innenfläche eines Quarzrohres abgeschie-

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den werden. Das Material mit dem höheren Brechungsindex kann z. B. Germaniumdioxid-Quarzglas sein, und Borsilikatglas das Material mit dem niedrigerem Brechungsindex.

Ein anderes Verfahren zur Herstellung einer mehrkernigen Faser wäre z. B. das Einsetzen einer Anzahl von konzentrischen Zylindern in einem Quarzrohr. Die Zylinder können wechselweise aus einem Material mit hohem Brechungsindex wie z. B. Germaniumdioxid-Quarz oder einem Material mit niedrigem Brechungsindex wie Borsilikatglas bestehen.

Eine weitere Methode zur Erzielung einer mehrkernigen Faser besteht ganz einfach darin, eine herkömmliche optische Faser, die aus einem Germaniumdioxid-Silikatkern, einer Borsilikathülle und einer Außenröhre aus Quarz besteht, mit einer Außenhülle aus Plastik mit niedrigem Brechungsindex zu umgeben. Quarz mit seinem gegenüber der die Faser umhüllenden Plastikbeschichtung höherem Brechungsindex hält das Signal in der Quarzschicht der optischen Faser, die dann in der Tat einen konzentrischen Kern darstellt.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer konzentrischen mehrkernigen Faser besteht darin, abwechselnd aufeinanderfolgend Plastikmaterial mit hohem und niedrigem Brechungsindex abzulagern.

Die Faser besteht aus einem zentralen Kern, der in der vorliegenden Anmeldung als "Signalkern" bezeichnet wird und der aus einem Material vom Brechungsindex n. besteht. Eine innere Hüllschicht vom Brechungsindex n, umschließt hermetisch den Signalkern, wobei die Lichtenergie in dem Signalkern durch die vollständige innere Brechung begrenzt wird,.indem man n₃ kleiner wählt als η.. Die Kombination aus Signalkern mit Brechungsindex n₄ und innere Hüllschicht mit Brechungsindex n_ erzeugt eine optische Faser, die den optischen Fasern nach dem Stand der Technik ähnlich ist. Ein zweiter Kern, der als "Alarmkern" bezeichnet wird, wird konzentrisch über der inneren Hüllschicht und dem

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Signalkern angeordnet und besteht aus einem Material mit dem Brechungsindex n₂, der etwas höher ist als der Brechungsindex n₃ der Innenhülle. Der Alarmkern wird von einer äußeren Hüllschicht mit dem Brechungsindex n₁ umgeben, der etwas kleiner ist als der Brechungsindex n« des Alarmkerns. Lichtenergie, die den Alarmkern durchdringt, bleibt innerhalb des Kerns, da gegenüber seinem Brechungsindex n₂ die innere und äußere Hüllschicht jeweils einen niedrigeren Brechungsindex (n_, n₁) besitzt. Da der Signalkern und der Alarmkern voneinander optisch unabhängig sind infolge der dazwischengeschobenen inneren Hüllschicht vom niedrigeren Brechungsindex n.,, können sie als zwei getrennte und parallellaufende Lichtleiter angesehen werden. Licht einer bestimmten Quelle kann deshalb durch den Signalkern gehen und Licht von einer unabhängigen Quelle kann den Alarmkern passieren, ohne daß eine überlagerung oder Vermischung zwischen den zwei Lichtsignalen auftritt.

Der in Fig. 1 beschriebene konzentrische Doppelkern kann zur Übertragung von geheimen Informationen auf die folgende Weise benutzt werden. Ein moduliertes Lichtsignal, welches geheime Informationen beinhaltet, kann durch den Signalkern zu einem weitentfernten Empfänger auf der entgegengesetzten Seite der mehrkernigen Faser gerichtet sein. Licht aus einer getrennten Quelle kann durch den Alarmkern zu einem anderen Empfänger auf der entgegengesetzten Seite des Kabels übertragen werden. Wenn ein Eindringling nun versucht, die äußere Hüllschicht und den Alarmkern zu durchdringen mit der Absicht, einen Anschluß an den Signalkern herzustellen, dann verringert sich plötzlich die Intensität des Lichtausganges, der über den Alarmkern an der entgegengesetzten Seite der Faser empfangen wird. Dies rührt von der Tatsache her, daß die äußere Hülle zumindestens teilweise bei dem Verfahren entfernt wird, so daß Licht, das normalerweise vollständig von der Hülle reflektiert wird, durch die Unterbrechung der äußeren Hüllschicht austreten kann. Licht, das den Alarmkern passiert, wird durch die Anwesenheit irgendeines Werkzeugs behin-

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dert, das den Lichtweg kreuzt, der aus dem gesamten Bereich des Alarmkerns besteht. Das den Alarmkern passierende Licht geht auch durch die Unterbrechung in der inneren Hüllschicht, die eine optische Grenze zwischen dem Alarmkern und dem Signalkern aus den oben genannten Gründen darstellt.

Fig. 2 zeigt ein optisches Nachrichtenübermxttlungssystem, bei dem der Signalkernbereich der in Fig. 1 beschriebenen erfindungsgemäßen Faser analog als Weg 4 für das Nachrichtenübertragungssignal bestimmt ist und der Alarmkernbereich der gleichen Faser als Weg 2 für das Sicherungssignal dient. Weg 2 und Weg 4 werden nur aus Übersichtsgründen als getrennte Lichfcwege beschrieben, da sie in der Tat den in Fig. 1 gezeigten Querschnitt aufweisen. Ein erster optischer Übertrager 10 erzeugt ein moduliertes Lichtsignal in Richtung des Pfeiles 16, das den Weg 4 zum optischen Empfänger nimmt. Dies ist analog der Übertragung von geheimen Informationen, ausgehend von einer unabhängigen Lichtquelle _f durch den Signalkern bei der Faser nach Fig. 1. Ein zweiter optischer Überträger 6 erzeugt ein Lichtsignal zur Absicherung, das der Richtung des Pfeiles 14 dem Weg 2 folgt, wo es durch einen zweiten optischen Empfänger 8 aufgenommen wird. Während die geheime Information über den Weg 4 übertragen wird, wird das Sicherungssignal laufend bezüglich seiner Intensität vom optischen Empfänger 8 gemessen. Sobald ein Abfall beim; Lichtausgang des Sicherungssignals vom Empfänger 8 bemerkt wird, ist der Operator des optischen Überträgers 10 sofort von der Möglichkeit eines Eindringversuches in den Weg 2 zu informieren.

Bei dem optischen Nachrichtenubertragungsweg nach Fig. 3 sind der gleiche Signalkernbereich und Alarmkernbereich der Faser nach Fig. 1 durch den Signalübertragungsweg 4 und den Signalsicherungsweg 2 bestimmt wie für das System nach Fig. 2. Hier isb die Richtung des Sicherungssignalweges, verkörpert durch Pfeil 7, entgegengesetzt zu der des Signalübertragungsweges, verdeutlicht

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durch Pfeil 5. Bei dieser Ausbildungsform empfängt der Überträger 10, der die Geheiminformation entlang dem Weg 4 zum Empfänger 12 leitet, gleichzeitig das Sicherungssignal des zweiten Überträgers 8 mittels des Empfängers 6. Bei dieser Ausbildungsform bemerkt der Operator des Überträgers 10 in naher Anlehnung an den Empfänger 6 sofort einen Abfall beim Sicherungssignal, das vom zweiten optischen Überträger 8 kommt und den Sicherungssignalweg 2 passiert. Der Operator des Überträgers 10 kann nach dem Erkennen eines möglichen Eindringversuches durch den Alarmkern, der als Sicherungssignalweg 2 gekennzeichnet ist, absichtlich falsche Informationen übermitteln oder wahlweise die übertragung unterbrechen.

Unterschiedliche elektro-optische Vorrichtungen können benutzt werden, um automatisch eine Unterbrechung in dem Überträger 10 zu bewirken, wenn ein Abfall in der Lichtintensität beim Sicherungssignal den Empfänger 6 erreicht.

Ein anderes Verfahren zur Erzeugung einer geheimen Information durch den Signalkern bestände für den Operator des Überträgers darin, zuerst eine Antwort bezüglich eines Sicherungssignals vom Operator des Überträgers 8 anzufordern, und daß dieser dann eine Antwort gibt in Form eines abgesprochenen Sicherungssignals über den Weg 2 zum optischen Empfänger 6. Der genannte Operator des optischen Überträgers 10 erkennt dann, daß der Nachrichtenübertragungsweg 4 frei ist zur Übermittlung von geheimen Informationen. Nach dem Senden derselben über den Signalweg 4 und durch laufende Messung der Intensität des Sicherungssignals am Empfänger 6 würde ein beobachteter Abfall der Intensität an diesem anzeigen, daß ein Eindringling den Versuch macht, an die geheimen Informationen zu gelangen.

Die konzentrische mehrkernige Faser nach Fig. 1 kann verschiedene Schichten von Signalkernen und wechselweise Schichten von Alarmkernen oder wahlweise auch eine Reihe von Signalkernen aufweisen, die jeder für sich getrennte Informationen entlang be-

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stimmter optischer Wege leiten, die von einem umschließenden Alarmkern umgeben sind, der zur Sicherung aller in der Faser enthaltenen Signalkerne dient. Eine Faser mit verschiedenen konzentrischen und unabhängigen Kernen ist z. B. in Fig. 1A zu sehen.

Obgleich die konzentrische Faser und das abgesicherte optische Nachrichtenübertragungssystem nach der Erfindung zur übertragung von geheimen Informationen beschrieben wurde, wie z. B. für militärische Nachrxchtenübermittlung, ist es nur ein Beispiel und stellt keinerlei Einschränkung des ümfanges der Erfindung dar, Die Erfindung findet Anwendung in allen Arten von optischen Nachrichtenübertragungssystemen, wo eine Vorrichtung zur Erkennung eines versuchten Eindringens in das Signal gefordert wird. Eine derartige Anwendungsmöglichkeit besteht z. B. bei Fernsprechsystemen, die Telefonleitungen aus optischen Fasern verwenden. Wenn der Versuch gemacht wird, die Leitung durch Entfernung der äußeren Hülle anzuzapfen, um einen optischen Anschluß an den inneren, die Information übertragenden Kern zu erreichen, würden die Parteien an den beiden Enden der Verbindung sofort des versuchten Eindringens gewahr werden.

17 Patentansprüche
1 Blatt Zeichnung
mit 3 Figuren

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Claims

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1. Mehrkernige optische Faser, gekennzeichnet durch: einen inneren Kern eines lichtübertragenden Materials mit einem ersten Brechungsindex, einer inneren Hüllschicht, die den inneren Kern umgibt und einen Brechungsindex aufweist, durch den die Lichtenergie in dem inneren Kern zurückgehalten wird, mindestens einen äußeren Kern aus lichtübertragendem Material mit einem Brechungsindex größer als der Brechungsindex der inneren Hüllschicht, und mindestens eine äußere Hüllschicht um den Außenkern mit einem Brechungsindex niedriger als der des äußeren Kerns.

2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kern und der äußere Kern den gleichen Brechungsindex aufweisen.

3. Faser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kerne aus einem Glas bestehen, das aus Germaniumdioxid und Quarz gebildet wird.

4. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Hülle und die äußere Hülle den gleichen Brechungsindex besitzen.

5. Faser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere und die äußere Hülle aus Glas bestehen, das aus Quarz und Boroxid gebildet wird.

6. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex der inneren Hüllschicht niedriger ist als der Brechungsindex des inneren Kerns.

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7. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kern und die Hülle aus Glas bestehen und der äußere Kern und die äußere Hülle aus Plastikmaterial.

8. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kern und die innere Hülle und der äußere Kern aus Glas hergestellt sind und die äußere Hülle aus Plastikmaterial.

9. Nachrichtenübertragungssystem auf der Basis einer optischen Glasfaser nach Anspruch 1, bestehend aus einer optischen Glasfaser mit einer Vielzahl von konzentrischen Schichten mit wechselnden höheren und niedrigeren Brechungsindizes, einer ersten optischen Übertragungsvorrichtung zur Übertragung von Informationen durch eine der Schichten mit hohem Brechungsindex, einer zweiten optischen übertragungsvorrichtung zur Übertragung optischer Energie durch eine andere Schicht von hohem Brechungsindex, einem ersten optischen Empfänger zur Aufnahme der Information, aus der einen Schicht mit hohem Brechungsindex und einem zweiten optischen Empfänger zur Aufnahme der optischen Energie aus der anderen Schicht mit hohem Brechungsindex.

10. Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Empfänger eine •Vergleichsvorrichtung zum Vergleichen der übertragung der optischen Energie zu einem beliebigen Zeitpunkt enthält, um irgendwelche Verluste der übertragenen Energie zu bestimmen.

11. Verfahren zur übertragung einer geheimen Information unter Verwendung der Glasfaser nach Anspruch 1 in einem optischen Nachrichtenübertragungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einer mehrschichtigen Faser mit wech-

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selnden Schichten von hohem und niedrigem Brechungsindex
ein optisches Signal durch eine der Schichten mit hohem
Brechungsindex übertragen wird, daß optische Energie
durch eine der anderen Schichten mit hohem Brechungsindex
übertragen wird, und daß die optische Energie der anderen
Schicht zur Bestimmung eines Verlustes gemessen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Material mit hohem Brechungsindex konzentrisch
die erste Schicht von hohem Brechungsindex umschließt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeexchnet, daß das optische Signal durch die eine Schicht Von hohem Brechungsindex in einer ersten Richtung übertragen wird und die optische Energie durch die andere Schicht von hohem Brechungsindex in eine zweite Richtung übertragen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Signal und die optische Energie durch die Faser in die gleiche Richtung übertragen werden.

15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten von hohem Brechungsindex aus einem Glas bestehen, das aus Quarz und Germaniumdioxid gebildet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten von hohem Brechungsindex aus Glas bestehen, das aus Quarz und Boroxid gebildet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Schicht von hohem Brechungsindex aus Glas und die andere Schicht aus Plastik besteht.

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