DK160119B - Indretning til at detektere tapning af lysenergi fra en optisk fiber - Google Patents

Description

i

DK 160119B

o

Opfindelsen angår en indretning til at detektere tapning af lysenergi fra en fiber i et optisk glasfiberkabel eksempelvis forbundet med to sende-modtageenheder. Nærmere bestemt angår opfindelsen en indretning, som gør 5 det muligt, at opdage uønsket aflytning af information, som overføres over et kabel som optiske signaler.

Der kendes et antal fremgangsmåder til at forhindre aflytning af information, som i form af elektriske eller optiske signaler overføres mellem to punkter, ligesom 10 der kendes et antal modforholdsregler.

En fremgangsmåde er i sendeenheden at kryptografere den information der skal overføres, og herefter de-kryptografere den i modtageenheden. Dette medfører, at et relativt billigt transmissionsmedium kan anvendes, men 15 kryptograferingsanlægget er i almindelighed kostbart, og der foreligger mulighed for, at dekryptografering kan udøves af ikke dertil autoriserede personer.

En modforholdsregel kan være at beskytte kablet mekanisk eller elektromagnetisk mod ikke tilladt påvirkning 20 eller aflytning. Også dette kan afstedkomme store omkostninger ved f.eks. mekanisk beskyttelse med blyrør, og fjerner ikke risikoen for aflytning ved hjælp af mekanisk indgriben.

Yderligere en kendt fremgangsmåde indbefatter 25 integration af elektriske ledere i det fiberkabel, som overfører informationen. Ved indgriben i kablet ændres kapaciteten mellem de elektriske ledere, hvilket detek-teres, og alarm kan afgives, hvorved informationsoverføringen kan standses. Selvom denne fremgangsmåde tilveje- 30 bringer en sikker beskyttelse mod aflytning, er høje omkostninger uundgåelige.

I en optisk glasfiber, som kan anvendes til flere bølgetyper, foregår lysets forplantning i fiberen ved hjælp af et antal forskellige udbrednings- qc måder, hvorved lyset dæmpes forskelligt afhængigt af, med hvilken bølgetype udbredningen finder sted. Lys- 2

DK 16 C119 B

o spredning i fiberen med deraf følgende dæmpning kan frembringes ved mekanisk deformation af fiberen, eller ved såkaldt tunnelvirkning på bølgeudbredelsestyperne nær ved afskæringsfrekvensen. Hvis en fiber med overlæg tappes for 5 lysenergi, i den hensigt at tilvejebringe overført information, påvirkes visse bølgetyper, hvilket igen indebærer en påvirkning af samtlige øvrige bølgetyper. Dette fører til, at energi omfordeles fra udæmpede til dæmpede bølgetyper, og effektfordelingen i fiberens kerne og kappe 10 ændres.

Ved at blotte fiberen i kablet, og udsætte fiberen for bøjning, og opsamle den lækkende stråling på en fotodetektor, er der tilvejebragt mulighed for at tappe en optisk fiber for information. Også en anden teknik 15 til tapning er mulig, f.eks. efter blottelse af fiberen at indlime fiberen i en, i en bøjet U-form tilvejebragt, siliciumblok, nedslibe fiberkappen indtil kernen, og forbinde en detektor dermed. Fremgangsmåderne bevirker imidlertid, at den optiske middeleffekt i den transmitte-20 rende fiber ændres, eftersom signaleffekt tappes til aflytning.

I GB nr. 2.060.869 er omtalt en indretning i et fiberoptisk anlæg, hvor detektering af uberettiget tapning af optisk information udføres ved såkaldt "shot-noise"-be- rtfi grænsning. Dette udøves ved at vælge amplituden i et ikke informationsbærende optisk signal meget større, end amplituden i det informationsbærende signal, som vist i fig. 1 i nævnte skrift.

Aftapning kan herefter konstateres ved overvågning af 30 det modtagne lysniveau.

Den foreliggende opfindelse er baseret på den ovenfor omtalte kendte detektering af uberettiget tapning, men er således udformet, at man på datasystemets ene side (datasiden) kan detektere uberettiget tapning, også selvom den anden 35 side (terminalsiden) er faldet ud, f.eks. ved strømafbrydelse.

3 DK16C119B

O

Ifølge et af opfindelsens karakteristiske træk, overvåges en fiberoptisk forbindelse af kendt type uden ekstra beskyttelsesforanstaltninger af denne, ved at detektere den optiske middeleffekts niveau, og et alarm-5 si nal afgives hvis denne ændres i forhold til en fastsat referenceværdi. Dette forudsætter dog, at det optiske signal kodes således, at det har en konstant middeleffekt uafhængig af informationsindholdet. Et yderligere karakteristisk træk ved den foreliggende 10 opfindelse er, at senderne på begge sider af den optiske forbindelse udsender moduleret lys af høj intensitet (såkaldt "shot-noise"-begrænsning) over forbindelsen. Dette medfører, at sendernes kvantestøj bliver stor, men bevirker samtidig, at en på forbindelsen eventuel ind-15 koblet modtager påtrykkes et stort støjbidrag, hvilket igen medfører, at en stor del af det overførte lys (ca. 50%) må tappes, for at en meningsfuld detektering kan tilvejebringes. En sådan tapning kan imidlertid detek-teres med derpå følgende alarmsignal.

20 I forhold til den kendte teknik er opfindelsen for delagtig ved, at der på systemets ene side (i et datasystem, datasiden) kan detektere en uberettiget aftapning af information, også selvom den anden side i systemet (i et datasystem, terminalsiden) er faldet ud, f.eks. på grund af 25 strømudfald.

Den ved opfindelsen tilvejebragte indretning er ejendommelig ved den i krav l's kendetegnende del angivne udformning.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under 30 henvisning til tegningen på hvilken fig. 1 er et blokdiagram over to sende-modtagesider indbefattende en indretning ifølge opfindelsen, fig. 2 er et blokdiagram over en niveauovervågende kreds, hvilken kreds er indbefattet i den ved opfindelsen 35 tilvejebragte indretning, fig. 3 er et tidsdiagram,

DK 160119B

4

O

fig. 4 er et skematisk diagram af en anden udførelses-form af den ved opfindelsen tilvejebragte indretning.

I fig. 1 vises en udførelsesform af indretningen ifølge opfindelsen tilpasset til en datamatside DS og 5 en terminalside TS. Både datamatside DS og terminalside TS kan sende og modtage datasignaler over et fiberoptisk kabel FK på i og for sig kendt vis. Kablet FK er et almindeligt, billigt fiberoptisk kabel uden særlige beskyttelsesforanstaltninger.

10 Datamatsiden DS indbefatter i den her viste udførelsesform en sendeenhed SD, som modtager data i ukodet form, og som udsender et informationssignal, som kan være kodet eller moduleret på kendt vis over fiberleddet F^. En modtager MD, som er indbefattet i datamat-15 siden DS, modtager et kodet eller moduleret informationssignal i form af lysenergi i det modtagende fiberled F2. Sendeenheden SD og raodtageenheden MD er af kendt udførelsesform. En niveauovervågende kreds NVK 1 er forbundet med modtageren MD på en sådan vis, at den påtrykkes 20 en til det i fiberleddet F2 modtagne optiske signal knyttet elektrisk størrelse, og når det elektriske niveau ligger over eller under en fastsat værdi, afgives alarmen.

Terminalsiden TS indbefatter en fotoelektrisk 25 modtager MT og en sender ST. Modtageren MT1s indgang er forbundet med det indgående fiberled F3 via en omskifter Kl, og senderen ST er forbundet med det udgående fiberled F^ via en anden omskifter K2. Begge omskifterne Kl og K2 er indbyrdes forbundne på en sådan 30 måde, at når omskifterne begge er sluttede, er begge fiberleddene F3 og F^ direkte indbyrdes forbundne, hvorved terminalsiden bliver optisk kortsluttet. Når omskifterne Kl og K2 er åbne, er disse forbundne således, at de optiske signaler i fiberleddene føres til henholdsvis 35 modtageren MT og fra senderen ST. Omskifterne Kl, K2 kan tilvejebringes af et fiberoptisk relæ KK af kendt art, og beskrevet eksempelvis i svensk patentskrift nr.

454.546. Relæet RK styres for begge stillingers ved-

O

DK 160119B

5 kommende over en forbindelse 1 fra senderen ST således, at når terminalen (senderen) er lukket eller ved strømudfald på terminalsiden, vil omskifterne Kl og K2 være i sluttet stilling.

Ligesom på datamatsiden er en niveauovervågende 5 krads NVK2 på terminalsiden forbundet med terminalsidens modtager MT, til aflæsning af et til det indkommende og modtagne fiberoptiske signal i leddet F^ modsvarende elektrisk signal. De fiberoptiske led F^, F^ og F2, er ført sammen over linien til det fiberoptiske kabel FK, hvilket kabel er af kendt art uden særlig beskyttelse. Datamatsiden og terminalsiden bør imidlertid være elektromagnetisk afskærmet til forhindring af uønsket af lytning.

Hvis fiberkablet på et eller andet sted X udsættes for påvirkning f.eks. hvis nogle af fibrene bøjes eller 15 blotlægges således, at lysenergi lækker ud i omgivelserne, vil dette bevirke at den optiske raiddeleffekt ændres, hvilket detekteres af den niveauovervågende kreds NVK2, hvis relæet RK står i åben stilling, dvs. når terminal-siden er i normal arbejdsmåde. Skulle terminalsiden være ude af funktion, f.eks. ved at terminalen er lukket, står relæet RK i sluttet stilling, og eventuelle lyssignaler ledes tilbage till datamats iden MD. Ved en eventuel påvirkning af kablet FK aflæses en ændring af den fiberoptiske middeleffekt i stedet af den niveauovervågende kreds NVK1 og alarm afgives fra denne kreds.

Ved beregning af en fiberoptisk modtagers støj-egenskaber, henføres al støj til modtagerens indgang, hvor fotodioden er forbundet. Jo kraftigere denne støj er, desto ringere er modtagerens følsomhed. Her skal kun nævnes de to vigtigste støjbidrag, når fotodioden er tilvejebragt som en pindiode, nemlig

4kTR

resistiv støj = —^(1), og 35 kvantestøj N2 = 2qIB (2), hvor

O

6

DK 160119 B

k = Bolzmanns konstant T = absolut temperatur B = modtagerens støjbåndbredde R = modtagerens indgangsmodstand eller overføringsimpedans 5 eller begge i parallel q = elektronladning I = strømmen gennem fotodioden.

Jo mindre udtrykkene (1) og (2) er, desto mere følsom er modtageren. For en given bithastighed er der 10 en given optimal båndbredde Bj, hvilket betyder, at B

ikke kan gøres mindre end den optimale størrelse. Derimod kan T reduceres, og R kan gøres meget stor. Dette betyder, at udtrykket (1) kan reduceres således, at støjen bliver uden betydning. I praksis kan alle støj-15 bidrag formindskes kraftigt, undtagen den ved udtrykket (2) givende kvantestøj N2·

Anvendes nu et kraftigt, konstant lys, over hvilket det informationsbærende signal overlejres, bliver udtrykket (2) dominerende, ganske uafhængigt af hvorledes modtagerens 20 øvrige støjegenskaber er. I den foreliggende opfindelse gøres kvantestøjen ifølge udtrykket (2) stor, idet det overlejrede lys øger strømmen I, hvorved i princippet alle modtagertyper får samme "dårlige" følsomhed. Dette medfører, at hvis nogen gennem en lille tapning ved X vil aflytte 25 overføringen af de optiske signaler over forbindelsen FK, er det uhensigtsmæssigt at anvende en meget følsom modtager, eftersom alle typer modtager ifølge det ovenstående har samme følsomhed. Eftersom udtrykket (2) er dominerende, er signal/støjforholdet i modtageren proportionalt med P/2qB-30 (P=optisk effekt). En tapning af en lille del af effekten vil således ikke givet et tilstrækkeligt godt signal/støj-forhold i aflytningsmodtageren. Til muliggørelse af aflytning kræves således, at en relativ stor del af lyseffekten skal tappes ved X, i størrelsesordenen 25%.

Yderligere skal modtageren ved X udnytte størstedelen af det lys, som fiberen FK taber, hvilket i praksis er umuligt.

35

DK 160119B

7

O

Skal- så stor en del af lyset tappes, vil niveauovervågningen ifølge det ovenfor anførte blive aktiveret.

Når relæet RK ændrer stilling, ændres også middel-effekten af lyssignalerne i fiberen. Denne ændring må 5 ikke bevirke alarm i eller efter de niveauovervågende kredse NVK1, NVK2. Disse kredse kan eksempelvis være udformet således, at en kortvarig ændring af middeleffekten ikke detekteres.

I fig. 2 vises et blokdiagram for en udførelsesform 10 af den niveauovervågende kreds NVKl eller NVK2. Et differen-tationsled DF, hvis indgang er identisk med kredsens indgang, er med sin udgang forbundet med indgangen på et lavpasfilter LP. Filterets udgang er forbundet med den ene indgang på en komparator K, hvis anden indgang 15 er forbundet med en referencespænding uref Over komparatorens udgang, som er identisk med den niveauovervågende kreds's alarmudgang, er tilvejebragt en spænding U3· Indgangsspændingen på differentationsleddet DF er benævnt U^.

20 Differentationsleddet DF og lavpasfilteren LP kan eksempelvis være tilvejebragt fra en tilbagekoblet operationsforstærker med to RC-kredse, hvilket svarer til et Bode-diegram med to knækpunkter af hvilket det laveste punkt indtræffer ved lav frekvens (ca. 1 Hz).

25 Ved tapning af lysenergi fra kablet tilvejebringes en langsom eller hurtig sænkning af niveauet af indgangsspændingen U-j^ på differentationsleddet DF, således som anskueliggjort i tidsdiagrammet i fig. 3, mellem tidspunkterne Ti og T3· Lavpasfilteret lp afgiver en udgangsspænding ϋ3 30 til komparatoren K's ene indgang, hvilken udgangsspænding tilvejebringes som et meget lavfrekvent signal, som på grund af indgangssignalspændingen U-^'s svage hældning antager en lav værdi efter differentieringen. I fig. 3 er spændingen U-^'s hældning mellem tidspunkterne overdrevet 35 for herved bedre at anskueliggøre forløbet. I komparatoren

O

DK 160119 B

8 K sammenlignes det lave niveau af U2 med et referenceniveau Ure£ af egnet størrelse, og hvis niveauet af U2 bliver lavere end referenceniveauet U tilvejebringes en udgangsspænding U3 fra komparatoren, hvilken spænding 5 virker som alarmsignal.

Som tidligere nævnt, tilvejebringes en omkobling af relæet EK ved et aktiveringssignal over forbindelsen 1.

Dette forårsager i almindelighed en kortvarig ændring af lysstrømmen i fiberen F-.-F.,, hvilket antages at forårsage 10 -5 ΐ en spændingsspids til tiden tg i fig. 3. Eventuelt kan en ikke vist forsinkelseskreds forbindes efter komparatoren K, for kun at tilvejebringe et udgangssignal Ug i de tilfælde, hvor spændingsformindskelsen i U2 har være frembragt i en vis tid t0-t,.

15 éi 1 I den ovenfor beskrevne udførelsesform måler den niveauaflæsende eller niveauovervågende kreds en forandring af et elektrisk signal, som modsvarer lysniveauet i fiberen, i forhold til et referenceniveau, dvs. en relativ ændring 20 af niveauet. Det er også muligt at måle den optiske effekts absolutte niveau eller en kombination af begge.

Det fiberoptiske relæ EK, som er forbundet på terminalsiden, anvendes til tilvejebringelse af et detekteringssignal på datamatsiden, i det tilfælde, at terminal-25 siden er lukket eller ved strømudfald. I en anden udførelsesform af indretningen, kan et relæ være forbundet på lignende vis også på datamatsiden, for tilvejebringelsen af et detekteringssignal på terminalsiden ved strømudfald på datamatsiden.

30 Det er også muligt at tilvejebringe et detekterings signal på terminalsiden (eller datamatsiden) ved anvendelse af en fiberoptisk parallelkobling i stedet for et relæ ifølge fig..1. Fig. 4 viser i skematisk form, hvorledes en sådan parallelkobling kan være udført. Datamatsiden udsender effek-35 ten og en del P2 af effekten P^ tappes. Effekten P2 + P3 sendes herefter tilbage til datamatsiden. Eftersom P2 er 9

O

DK 16C119B

meget mindre end P^, har den information, som er til stede i effekten P^ ingen indvirkning på datamatsiden, eftersom digitale modtagere kan modstå betydelig krydstale,'

Udsættes terminalsiden for strømudfald, bliver effekten 5 Ρ^ = 0 og kun effekten sendes tilbage til datamatsiden. Effekten P2 er med sikkerhed så lille, at datamatsiden ikke kan detektere nogen information i P2. Dette er dog ganske uden betydning. Hovedsagen er, at den niveauovervågende kreds NVKl på datamatsiden i dette tilfælde er 10 tilstrækkeligt følsomt til at detektere eventuelle ændringer i effekten P2· Kredsen NVKl er tilstrækkelig følsom, eftersom den virker indenfor et meget smalt frekvensområde. Ulempen ved at tappe fiberoptisk effekt ifølge fig. 4 er imidlertid, at man får større tab end ved anven-15 delse af et fiberoptisk relæ.

Det er i ovenfor omtalte udførelsesform blevet antaget, at der kan frembringes strømudfald, hvilket medfører anvendelse af et fiberoptisk koblingsorgan. Kan strømforsyningen altid opretholdes til terminalsiden, 20 er et sådant fiberoptisk koblingsorgan (relæ eller optisk parallelkobling) ikke nødvendigt.

25 1 35

Claims (3)

1. Indretning til at detektere eventuel tapning af lysenergi fra en hvilken som helst af fibrene i et fiberoptisk kabel, hvilket kabel forbinder en første sender- 5 -modtagerside (SD/MD) med en anden sender-modtagerside (ST/MT) i et dataoverføringssystem, hvor senderne udsender shot-noise-begrænset, dvs. moduleret lys af høj intensitet, idet der i begge sender-modtagersidernes modtagerenheder (MT,MD) er tilvejebragt niveauaflæsende enheder (NVK1,NVK2) 10 til aflæsning af signalniveauet modsvarende det modtagede lysniveau, og for at afgive et alarmsignal, hvis niveauet væsentligt afviger fra en vis referencestørrelse, kende -tegnet ved, at et fiberoptisk organ (RK) er tilvejebragt i det mindste i den anden sender-modtagerside.(ST,MT) 15 for ved bortfald af udsendt lys, fra den anden sender- -modtagersides sender (ST) at overføre lyset fra den første sender-modtagersides sender (SD) tilbage til samme sides modtager (MD).

2. Indretning ifølge krav 1, kendetegnet ved, 20 at det fiberoptiske organ rk også er tilvejebragt i den første sender-modtagerside (SD,MD) , foi^ ved bortfald af udsendt lys fra den første sender-modtagersides sender (SD), at overføre lyset fra den anden sender-modtagersides sender (ST) tilbage til samme sides modtager (MT). 25

3. Indretning ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det fiberoptiske organ indbefatter et fiberoptisk relæ (RK). 1 35