DK172232B1 - Fremgangsmåde til detektering af ydre påvirkning på et optisk kabel - Google Patents

Description

i DK 172232 B1

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til detektering af ydre påvirkning på et optisk kabel. Opfindelsen kan anvendes som affølende organ ved en indgrebsbeskyttelse, hvor kablet graves ned og alarm udløses, når nogen går på det. Opfindelsen kan også anven-5 des som overvågningssystem for et informationsoverførende optisk kabel. Den igangværende og efterhånden mere og mere accelererende datamatisering forudsætter for at være effektiv, at datamaterne står i direkte forbindelse med hinanden. Kravet om overføringskapacitet og kvalitet gør, at kabler med optiske fibre er velegnede som 10 overføringsmedium. I takt med det øgede kapacitetsbehov skulle optiske kabler komme til helt at dominere.

Kravet, som vil blive stillet til en fiberforbindelse, der håndterer følsom information, er, at en eller anden form for sikkerhedssystem 15 er installeret. Eftersom det eneste tænkelige fremtidige kommunikationsmedium er optiske fibre, vil sikkerhedssystemerne også skulle være optiske. Optiske fibre er et medium, som i sig selv har en meget stor modstandsdygtighed mod informationsaftapning. Det er meget vanskeligt at tappe en optisk fiber for information, men det 20 er ikke umuligt.

I dag findes der nogle systemer til at opdage uberettiget påvirkning på en optisk fiber, hvilke systemer alle baserer sig på overvågning af den optiske effekt, som transporteres i fiberkernen. Princippet 25 er kortfattet, at en ydre påvirkning vil sænke effektniveauet i fiberen, hvorved der udløses en alarm. Fremgangsmåden kan sammenlignes med en intensitetsmoduleret sensor, der udgør den mindst følsomme sensortype. Systemet har betydelige ulemper og kan ikke med tilfredsstillende grad af sikkerhed opdage ubeføjet beskæftigelse 30 med den optiske fiber eller kablet.

Næste generation af sikkerhedssystem vil med stor sandsynlighed arbejde efter et princip, som medfører større mulighed for at detektere en manipulation af den optiske fiber. Et sådant princip 35 kan være baseret på, at hver ydre påvirkning af fiberen vil modulere lysets fase, hvilket modtagersiden kan detektere. Dette er det sensorprincip, som medfører størst følsomhed. Den foreliggende opfindelse anvender dette system til at løse det aktuelle problem ved, at opfindelsen får den udformning, som fremgår af de DK 172232 B1 2 efterfølgende patentkrav.

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor 5 fig. 1 viser en laser, en optisk multimodefiber og udseendet af interferensmønstret efter fiberen, fig. 2 en interferensdetektor ifølge opfindelsen, fig. 3 et overføringssystem med informationssignal og.

10 overvågningssignal bølgelængdemultiplexet på en optisk multimodefiber og fig. 4 et overføringssystem, hvor informationssignalet bringes til digitalt at modulere overvågningssignalet.

15 Ved den foreliggende opfindelse sender man et overvågningssignal i multimode i en optisk fiber. Man kan da anvende multimodefibre, hvilket kan være en fordel, da man derved anvender kabler og teknik, som er vel afprøvet og sædvanligt forekommende på markedet. Endvidere kan allerede installerede multimodeforbindelser uden ny kabel-20 trækning efterhånden kompletteres med sikkerhedssystemet ifølge opfindelsen. Med multimodefiber menes i den foreliggende ansøgning såvel gradientindeksfibre som stepindeksfibre. For det tilfælde at man har en singlemodefiber til informationsoverføring, kan man imidlertid alligevel anvende fremgangsmåden ifølge opfindelsen. Man 25 sender da overvågningssignalet ved en bølgelængde under singlemodefiberens "cut off'-bølgelængde eller grænsebølgelængde, hvorved overvågningsstrålingen udbreder sig i flere udbredelsesmodes. Singlemodefiberen vil da for denne stråling optræde som en multimodefiber.

30 I en multimodefiber forekommer der en mængde udbredelsesretninger afhængigt af den indfaldsvinkel til fiberen, som de indfaldende "lysstråler" har. Disse udbredelsesretninger kaldes modes. Hvis kohærent lys, såsom i fig. 1, fra en laser 1 transporteres i fibe-35 rens 2, og det udgående lys skal belyse f.eks. hvidt papir, vil der på papiret fremkomme et interferensmønster 3. Mønstret forårsages af, at multimodefiberens forskellige udbredelsesmodes samvirker på en konstruktiv eller destruktiv måde. Dette interferens mønster er ekstremt følsomt for ydre påvirkninger på fiberen, eftersom de DK 172232 B1 3 nævnte modes indbyrdes faseforhold ændres ved påvirkning, hvilket igen forårsager en bevægelse af interferensmønstret. Hvis denne bevægelse kan detekteres, fås en meget nøjagtig måde at opdage påvirkning på fiberen på. Som et mål for følsomheden ved en sådan 5 målemetode kan man eksempelvis beregne den mindste forskel i bølgelængde forårsaget af fysisk påvirkning, hvilket da giver en vejfor--14 skel pa kun 10 m. Kohærenslængden af lyset skal være længere end vejforskellen hos de højeste respektive længste modes.

10 En metode at detektere dette mønster på er at placere en fotodiode f.eks. på et intensitetsmaksimum og iagttage intensitetsvariationerne. Ulempen ved dette er, at mønstret fader på grund af den tilfældige faseforskel mellem udfaldene modes (disse modes falder jo ikke ud ensformigt). Nedenfor angives en metode til at løse proble-15 met.

Faseforholdene kan ændres på grund af ændringer i lyskildens spektrale karakteristik forårsaget af f.eks. modulation af laserdioden, af temperaturvariationer hos lyskilden, af temperatur-20 variationer langs den optiske fiber og af tilfældig fordeling af udbredelsesmodes i den optiske fiber, f.eks. forårsaget af konkatineringspunkter. Sådanne "godartede" ændringer skal ikke udløse alarm. Kun de "ondartede" ændringer, som skyldes aftapningsforsøg, skal udløse alarm. Nu er det imidlertid således, at de 25 "godartede" ændringer påvirker strålingen i alle polarisationsretninger ensartet, hvilket ikke er tilfældet for de "ondartede" ændringer.

Det udfaldende lys fra fiberenden opdeles derfor af en stråledeler 4 30 i to strålebundter, se fig. 2. Hvert strålebundt omfatter hele det iiiterferensmønster, som dannes ved overføringen i fiberen. Man kan hensigtsmæssigt vælge en opdeling i to i det væsentlige lige stærke strålebundter, selv om dette ikke er nødvendigt. De to strålebundter planpolariseres derefter i forskellige retninger af to polarisatorer 35 5 og 6. Man kan hensigtsmæssigt vælge to på hinanden i det væsent lige vinkelrette retninger, selv om dette ikke er nødvendigt. I en hensigtsmæssig udførelsesform for opfindelsen detekteres derefter de to udfaldende strålebundter af detektorer 7 og 8 uafhængigt af hinanden, og forskellen i amplitude sammenlignes i en DK 172232 B1 4 differentialforstærker 9. Oet udgående signal fra differentialforstærkeren 9 behandles af elektronik 10, som afgør, om alarm skal genereres. Beslutningen om alarm tages i henhold til et på forhånd bestemt alarmkriterium. Anledningen til indføringen af et 5 alarmkriterium er, at speckelmønstret (pletmønstret) forårsager en ekstra støj hos detektoren. Denne støj opstår på grund af, at speckelmønstrets tilfældige ændringer over detektorarealet forårsager en fluktuerende elektronstrøm. Fluktuationerne består dels af ændringer i selve mønstret og dels af transmissionsleddets indgående 10 modefiltre, såsom f.eks. kontakter og samlinger, der uensartet ændrer fasebeliggenheden i den optiske fiber og dermed forårsager intensitetsændringer. En vis fluktuation vil da også optræde i det dannede forskelssignal, selv om direkte intensitetsafhængige fluktuationer udligner hinanden ved dannelsen af forskelssignalet.

15 Alarmkriteriet skal være således, at alarm kun forårsages af kabel-berøringer, der giver anledning til en ændring i speckelmønstret, som signifikant overskrider det frembragte støjsignal.

I stedet for at danne et forskelssignal kan man danne andre typer af 20 signaler, som udgør et mål for berøringen. Således kan man detektere forskelle i forholdet mellem de to signaler eller ændringer i frekvensfordelingen mellem dem.

En første udførelsesform for opfindelsen, system A, medfører, at en 25 punkt til punkt-forbindelse består af to fibre. Den ene fiber anvendes til at sende data og den anden til overvågningsformål. Eftersom de to fibre løber i samme kabel, vil forsøg på at gennemtrænge kablet detekteres af sensorfiberen. Hvis det utrolige skulle ske, at kablet gennemtrænges uden opdagelse, vil der med høj sand-30 synlighed frembringes en alarm, når man forsøger at aftappe fiberen for information. Arsagen er dels, at man har 50% chance for at tage forkert fiber, og dels at fibrene sidder så tæt sammen, at begge fibre berøres, hvilket resulterer i en alarm. Ved at installere flere sensorsystemer i et kabel med flere fibre på en sådan måde, at 35 kablet består af et større antal sensorfibre og én informationsfi ber, kan sandsynligheden for opdagelse forøges yderligere.

Systemet er dog måske mest egnet til at anvendes i flerfiberkabler med en sensorfiber og flere informationsfibre. Omkostningerne til DK 172232 B1 5 sikkerhedsfunktionen deles da op på de i fiberkablet indgående transmissionskanaler. Fiberkablet med de indgående transmissionskanaler bliver da både meget sikkert, samtidig med at man opnår højere omkostn i ngseffekt i vi tet.

5 I en anden udførelsesform for opfindelsen, system B vist i fig. 3, forudsættes det, at man delvis af sikkerhedsgrunde anvender én fiber pr. forbindelse. Den datasekvens, som skal overføres, sendes af en sender 11 på én bølgelængde, og overvågningssignalet sendes af sin 10 sender 1 på en anden bølgelængde. Ligesom i forbindelse med system A kan datafølgen her være såvel analogt som digitalt kodet. Signalerne bølgelængdemultiplekses i en bølgelængdemultiplekser 12 og deles op i en demultiplekser 13. Systemet sender således data og overføringssignal på samme fiber. Data detekteres i modtageren 14 og 15 overvågningssignalet i interferensdetektoren 15 i henhold til fig.

3. Dette medfører, at ethvert forsøg på aftapning med meget stor sandsynlighed vil detekteres af interferensdetektoren 15 og udløse alarm. Hvis det højst usandsynlige skulle ske, dvs. at en eller anden ubemærket kan skrælle fiberkablet uden opdagelse, vil alarm 20 blive frembragt, når den optiske fiber 2 udsættes for aftapningsforsøg. Når data ikke er i færd med at sendes, vil interferensde tektoren 15 fortsat være aktiv og frembringe alarm ved aftapningsforsøg. Foranstaltninger sammenknyttet med tilbagekobling af data og et behov for altid at sende data er helt unødvendige med dette 25 system, hvilket er en stor fordel.

Endvidere kan man tænke sig en variant af system B, kaldet system C vist i fig. 4, hvor ambitionsniveauet er at minimere komponenter med henblik på at formindske systemomkostningerne. Han modulerer her 30 sikkerhedsfunktionens laser 1 ved hjælp af en modulator 16 med den dåtasekvens, som skal overføres. Sekvensen er i dette tilfælde digitalt kodet. Systemet medfører, at system B's specielle sender 11 og modtager 14, der kun er bestemt til datatransmission, elimineres. Interferensdetektoren 15 bliver til gengæld mere kompliceret ved, at 35 der tilføjes en kreds 17 til gendannelse af data. Eftersom laseren 1 moduleres digitalt, bliver interferensmønstret eventuelt ændret i flankerne mellem databittene, hvilket medfører, at alarm kan udløses. Beslutning om alarm skal derfor blokeres i flankerne mellem de databit, som er i færd med at sendes. Dette sker ved, at et signal 6 DK 172232 B1 18 fra kredsen 17 styrer en blokering af alarmkredsen 10.

Fordelen ved systemet C er altså økonomisk. De komponenter, som spares, er en senderdiode, to bølgelængdemultipleksere samt en 5 modtager. De komponenter, som tilføjes, er elektriske og i denne forbindelse billige.

Når data ikke er i færd med at sendes, skal laseren i lighed med system B være aktiv med henblik på at detektere aftapningsforsøg i 10 den tid, hvor informationssystemet er inaktivt.

Når data er i færd med at sendes, bliver alarmen koblet fra i databittenes flanker. Dette vil ikke medføre nogen svaghed i systemet, da den tid, hvor alarmen frakobles, er en brøkdel af den 15 inverse af systemets datahastighed. Denne tid vil dreje sig om nogle nanosekunder, og det er helt umuligt at gennemføre en aftapning på så kort tid.

20 25 30 35

Claims (10)

1. Fremgangsmåde til detektering af ydre påvirkning på en optisk fiber i et optisk kabel, kendetegnet ved, at man i 5 overvågningsøjemed sender kohærent stråling i multimode gennem fiberen, at man på modtagesiden deler overvågningsstrålingen i to strålebundter, der hver omfatter hele det interferensmønster, som dannes ved overføringen i fiberen, at man planpolariserer strålebundterne i to forskellige retninger, at man detekterer hvert 10 strålebundts amplitude og/eller frekvensmæssige indhold, at man af dette danner et signal, som er et mål for deres amplitudemæssige og/eller frekvensmæssige forhold, og at man, når signalet i tid og/eller niveau overstiger forudbestemte værdier, initierer en al armfunktion. 15

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at man deler overvågningsstrålingen i to i det væsentlige lige intensitetsstærke strålebundter.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at man planpolariserer strålebundterne i to på hinanden i det væsentlige vinkelrette retninger.

4. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1-3, 25 kendetegnet ved, at man også sender information i kablet i en eller flere optiske fibre.

5. Fremgangsmåde ifølge krav 4, kendetegnet ved, at man anvender separate optiske fibre i kablet til informationsoverføring 30 og overvågning.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 5, kendetegnet ved, at man anvender en optisk fiber i kablet til overvågning og flere til i nformati onsoverføri ng. 35

7. Fremgangsmåde ifølge krav 4, kendetegnet ved, at man anvender en og samme optiske fiber såvel til informationsoverføringen som overvågningen, idet man sender de to typer af signaler på forskellige bølgelængder, dvs. bølgelængdemultipleksede, og at man \ 8 DK 172232 B1 på modtagersiden opdeler signalerne og detekterer dem hver for sig.

8. Fremgangsmåde ifølge krav 4, kendetegnet ved, at man anvender en optisk multimodefiber, gennem hvilken man sender over- 5 vågningssignalet digitalt moduleret af informationssignalet, og at man på modtagesiden ud fra det elektriske signal fra detektoren for et planpolariseret strålebundt gendanner informationssignalet.

9. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, 10 kendetegnet ved, at man danner forskellen mellem de to strålebundter.

10. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1-8, kendetegnet ved, at man danner forholdet mellem de to 15 strålebundter. 20 25 30 35