NO166384B - Anordning for aa detektere avtapning av lysenergi fra en optisk fiber. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for å detektere avtapning av lysenergi fra en fiber i en optisk glassfiberkabel, slik dette er definert i den innledende del av det vedføyde patentkrav 1. Nærmere bestemt tilsiktes en anordning som gjør det mulig å oppdage utilbørlig avlytting av informasjon som ved hjelp av optiske signaler overføres over kabelen.

For å forhindre avlytting av informasjon, hvilken i form av elektriske eller optiske signaler overføres mellom to punkter, har man anvendt forskjellige metoder og tatt forskjellige forholdsregler.

En fremgangsmåte er å sifrere den informasjon som skal overføres i sendeenheten og således desifrere i mottageren-heten. Dette innebærer at et relativt billig transmisjons-medium kan utnyttes, men sifreringsutstyret er vanligvis kostbart og desifrering av uvedkommende er mulig.

Et tiltak er mekanisk eller elektromagnetisk å beskytte kabelen mot utilbørlig innvirkning eller avlytting. Også dette kan innebære store omkostninger ved eksempelvis mekanisk beskyttelse ved hjelp av blyrør og fjerner ikke risikoen for avlytting ved hjelp av mekanisk innvirkning.

En ytterligere kjent metode består i å integrere elektriske ledere i den fiberkabel som overfører informasjonen. Ved innvirkning på kabelen endres kapasitansen mellom de elektriske lederne, hvilket detekteres og alarm kan avgis, hvorved informasjonsoverføringen kan stoppes. Selv om denne metode medfører en sikker beskyttelse mot avlytting, er høye kostnader ikke til å unngå.

I en optisk glassfiber av multimodustypen skjer lysets for-plantning i fiberen ved hjelp av et antall utbredningsmodu-ser, idet lyset dempes ulikt avhengig av i hvilken modus utbredelse skjer. Lysspredning i fiberen med påfølgende dempning kan oppstå ved mekanisk deformasjon av fiberen eller såkalt tunnelling av modi nær "cut-off". Hvis en fiber med vilje avtappes for lysenergi i den hensikt å utvinne overført informasjon, påvirkes visse modi, hvilken i sin tur innebærer påvirkning på samtlige øvrige modi. Dette fører til at energi omfordeles fra ledende til ikke-ledende modi og effektfordelingen i fiberens kjerne og mantel endres.

Ved således å frilegge fiber i kabelen og utsette fiberen for bøyning og samle inn den lekkende strålningen på en fotodetektor, finnes mulighet for å avtappe en optisk fiber på informasjon. Annen teknikk for avtapning er også mulig, eksempelvis etter frilegning av fiberen å lime inn fiberen i en kiselblokk med bøyd U-form, slipe ned fiberen gjennom mantelen til kjernen og tilkople en detektor. Metodene innebærer imidlertid at den optiske middeleffekten i den transmitterende fiber endres, ettersom signaleffekt avtappes for avlytting.

Anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse bygger på ovenfor konstaterte faktum og overvåker den fiberoptiske kabelen også når den ene terminalen ikke er under anvendelse .

Ifølge et av oppfinnelsens særtrekk overvåkes en fiberoptisk forbindelse av vanlig type uten noen ekstra tiltak for beskyttelse av denne ved at den optiske middeleffektens nivå detekteres, idet et alarmsignal avgis når denne endres fra en bestemt referanseverdi. Dette forutsetter dog at det optiske signalet kodes slik at det har en konstant middelef-fekt uavhengig av informasjonsinnholdet. Et ytterligere særtrekk hos foreliggende oppfinnelse er at senderne på begge sider av den optiske forbindelsen sender ut kraftig overlagret lys (såkalt shot-noise begrensning) over forbindelsen. Dette medfører at sendernes kvant-støy blir stor, men betyr samtidig at en eventuell innkoplet mottaker til forbindelsen får et høyt støybidrag, hvilket i sin tur innebærer at en stor del av det overførte lyset (ca. 50%) må avtappes for at meningsfull detektering skal skje. En slik avtapning vil imidlertid bli detektert med påfølgende alarmsignal.

Anordningen ifølge oppfinnelsen er således kjennetegnet slik det fremgår av etterfølgende patentkrav. Oppfinnelsen skal nærmere beskrives under henvisning til vedlagte tegning. Fig. 1 viser et blokkskjema over to sender-mottagersider som inneholder en anordning ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser et blokkskjema over en nivåovervåkende krets som inngår i anordningen ifølge oppfinnelsen.

Fig. 3 viser et tidsdiagram.

Fig. 4 viser skjematisk en alternativ utførelse av anordningen ifølge oppfinnelsen.

I fig. 1 vises en utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen anvendt på en datamaskinside DS og en terminal-side TS. Både datamaskinsiden DS og terminalsiden TS kan sende og motta datasignaler over en fiberoptisk kabel FK på i og for seg kjent måte. Kabelen FK er en vanlig billig fiberoptisk kabel uten spesiell beskyttelsestiltak.

Datamaskinsiden DS består i den her viste utførelse av en sendeenhet SD hvilken mottar data i ukodet form og sender ut et informasjonssignal, som kan være kodet eller modulert på kjent måte over fiberleddet F]_. En mottaker MD som inngår i datamaskinsiden DS mottar et kodet eller modulert informasjonssignal i form av lyssignal i det mottagende fiberleddet F2. Sendeenheten SD og mottagningsenheten MD er av kjent ut-førelse. En nivåovervåkende krets NVK1 er tilkoplet mottageren MD på slik måte at den avføler en elektrisk tilsvarende størrelse til det mottatte optiske signalet i fiberleddet F2 og når det avfølte nivået over- eller underskrider en viss verdi, avgis alarm.

Terminalsiden TS består av en fotoelektrisk mottager MT og en sender ST. Mottagerens MT inngang er tilkoplet innkomne fiberledd F3 via en omkopler Kl og sender ST er tilkoplet det utgående fiberleddet F4 via en andre omkopler K2. De to omkoplerne Kl og K2 er derved således tilkoplet hverandre, at når omkoplerne begge er sluttet, er de to fiberleddene F3 og F4 direkte tilkoplet hverandre, hvorved terminalsiden blir optisk kortsluttet. Når omkoplerne Kl og K2 er åpne, er disse tilkoplet slik at de optiske signalene i respektive fiberledd fores til mottakeren MT respektive fra senderen ST. Omkoplerne Kl, K2 kan utgjøres av et fiberoptisk relé RK av kjent type beskrevet i eksempelvis norsk patentsøknad 83.2398. Reléet RK styres til sine to posisjoner over en forbindelse L fra senderen ST, slik at når terminalen (senderen) er avstengt eller ved bortfall av matning til terminalsiden, er omkoplerne Kl og K2 i sluttet stilling.

Likesom på datamaskinsiden, er på terminalsiden en nivåovervåkende krets NVK2 tilkoplet terminalsidens mottaker MT for å avføle en elektrisk tilsvarende størrelse til det innkommende og mottatte fiberoptiske signalet i leddet F3. De fiberoptiske leddene F]_, F 3 og F2, F4 er sammenført over linjen til den fiberoptiske kabelen FK, hvilken er av vanlig utførelse uten noen spesiell beskyttelse. Datamaskinsiden og terminalsiden bør imidlertid være elektromagnetisk skjermet for å forhindre uberettiget avlytting.

Om fiberkabelen på et eller annet sted X utsettes for innvirkning, f.eks. hvis et av fibrene bøyes eller frilegges slik at lysenergi lekker ut mot omgivelsen, vil den optiske middeleffekten bli endret, hvilket detekteres av den nivåovervåkende kretsen NVK2 dersom releet RK er i åpen stilling, dvs. når terminalsiden er i normal funksjon. Skulle terminalsiden være ute av funksjon, f.eks. ved at terminalen er avstengt, er releet K i sluttet stilling og eventuelle lyssignaler føres tilbake til datamaskinsidens mottaker MD. Ved eventuell innvirkning på kabelen FK vil en endring av den fiberoptiske middeleffekten istedet bli avfølt av den nivåovervåkende kretsen NVK1 og alarm avgis fra denne krets.

Ved beregning av en fiberoptisk mottagers støyegenskaper, henvises all støy til mottagerens inngang der fotodioden er innkoplet. Jo høyere denne støy er, dessto dårligere er mottagerens følsomhet. Her skal kun nevnes de to viktigste støybidrag når fotodioden utgjøres av en pindiode, nemlig

k = Boltzamanns konstant T = Absolutt temperatur B = Mottagerens støybåndbredde R = Mottagerens inngangsresistans eller transimpedans eller begge i parallell q = Elektronladningen I = Strømmen gjennom fotodioden.

Jo mindre uttrykkene (1) og (2) er, dessto følsommere er mottageren. På en gitt bithastighet finnes det en gitt optimal båndbredde Bj, hvilket innebærer at B ikke kan reduseres under den optimale verdien. Derimot kan T reduseres og R kan gjøres meget stor. Dette betyr at uttrykket (1) kan reduseres slik at støyen N]_ blir betyd-ningsløs. I praksis kan alle støybidrag minskes kraftig utenom kvantstøyen N2 ifølge (2).

Anvendes nå et kraftig konstant lys på hvilket det informa-sjonsbærende signalet er overlagret, vil uttrykket (2) domi-nere helt uansett hvorledes mottagerens øvrige støyegenska-per er. I foreliggende oppfinnelse gjøres kvantstøyen ifølge uttrykket (2) stor ved at det overlagrede lyset øker strømmen I, hvorved i prinsippet alle typer av mottagere får samme "dårlige" følsomhet. Dette innebærer at om noen med liten avtapning ved X vil avlytte overføringen av de optiske signaler over forbindelsen FK, lønner det seg ikke å anvende en superfølsom mottager, ettersom ifølge ovenstående alle typer av mottagere har samme følsomhet. Da uttrykket (2) dominerer, er signal/støyforholdet i mottageren propor-sjonalt med P/2qB (P= den optiske effekt). En avtapning av en liten del av effekten gir således ikke tilstrekkelig bra signal/støyforhold i den avlyttede mottageren. For at avlytning skal være mulig, kreves således at en relativ stor del av lyseffekten må avtappes ved X, i størrelsesorden 25%. Dessuten må mottageren ved X anvende størstedelen av det lys som fiberet FK mister, hvilket i praksis er umulig. Om en så stor del av lyset avtappes, kommer imidlertid nivåovervåk-ningen ifølge ovenstående til å tre i funksjon.

Når reléet RK endrer stilling, endres også middeleffekten hos lyssignalene i fiberet. Denne endring skal ikke forårsake alarm i eller etter respektive nivåovervåkende kretser NVK1, NVK2. Disse kretser kan eksempelvis være konstruert slik at en kortvarig endring av middeleffekten ikke detekteres.

Fig. 2 illustrerer blokkskjemaet for en utførelsesform av den nivåovervåkende kretsen NVK1 eller NVK2. En differentia-tor DF, hvis inngang danner kretsens inngang, er med sin utgang tilkoplet inngangen av et lavpassfilter LP. Dens utgang er tilkoplet den ene inngangen av en komparator K, hvis andre inngang er tilkoplet en referansespenning Uref. Over komparatorens utgang, som danner den nivåovervåkende kretsens alarmutgang, fåes en spenning U3. Inngangsspennin-gen til differentiatoren DF er betegnet U^.

Differentiatoren DF og lavpassfilteret LP kan utgjøres av eksempelvis en tilbakekoplet operasjonsforsterker med to RC kretser, hvilket gir et Bodediagram med to brytpunkter, av hvilke det lavere brytpunktet innfaller ved lav frekvens (tilnærmet lik 1 Hz).

Ved avtapning av lysenergi fra kabelen, skjer en langsom eller hurtig senkning av nivået hos innspenningen Ui til differentiatoren DF, slik det er vist i tidsdiagrammet i

fig. 3, mellom tidspunktene t x og t2 • Lavpassf ilteret LF gir en utspenning U2 til komparatorens K en inngang, hvilken ut-gjøres av et meget lavfrekvent signal og som på grunn av den svake helningen hos den innkommende signalspenningen U]_, får en lav verdi etter differentieringen. I fig. 3 er helningen hos spenningen U^ mellom tidspunktene blitt overdrevet for bedre å illustrere forløpet. I komparatoren K sammenlignes det lave nivået hos U2 med et referansenivå Uref av hensiktsmessig valgt størrelse og dersom nivået hos U2 underskrider referansenivået Uref, fåes en utspenning U3 fra komparatoren, hvilken utgjør alarmsignalet.

Som ovenfor nevnt, fåes en omkopling av reléet RK ved akti-veringssignal over forbindelsen L. Dette gir vanligvis opphav til en kortvarig forandring av lysstrømningen i fiberet F3F4, hvilket antas å medføre en spenningstopp ved tiden t3 i fig. 3. Eventuelt kan en ikke vist forsinkelses-krets tilkoples etter komparatoren K for å gi et utsignal U3 kun dersom spenningssenkningen i U2 har eksistert under en bestemt tid t2.

I den ovenfor beskrevne utførelsesform måler den nivåavføl-ende eller nivåovervåkende kretsen en forandring av et elektrisk signal, som tilsvarer lydnivået i fiberen, relativt et referansenivå, dvs. en relativ forandring av nivået. Det er også mulig å måle den optiske effektens absolutte nivå eller en kombinasjon av de to.

Det fiberoptiske reléet RK tilkoplet på terminalsiden anvendes for å få et detekteringssignal på datamaskinsiden i det tilfellet at terminalsiden er avstengt eller ved bortfall av kraftforsyning. I en annen utførelsesform av anordningen kan et relé være tilkoplet på lignende måte også på datamaskinsiden for å få et detekteringssignal på terminalsiden ved bortfall av kraftforsyning på datamaskinsiden.

Det er også mulig å få et detekteringssignal på terminalsiden (eller datamaskinsiden) ved å benytte en fiberoptisk parallellkopling istedet for et relé ifølge fig. 1. Fig. 4 viser skjematisk hvorledes en slik parallellkopling kan være utført. Datamaskinsiden sender ut effekten P]^ og en del P2 av effekten av effekten Pi avtappes. Effekten P2 + 'P3 sendes derved tilbake til datamaskinsiden. Ettersom P2 <<

P3 har den informasjon som finnes i effekten P2 ingen innvirkning på datamaskinsiden, ettersom digitale mottagere kan tåle betydelig overhøring fra andre kanaler.

Om terminalsiden mister sin kraftforsyning, blir effekten P3 = 0 og kun effekten P2 sendes tilbake til datamaskinsiden. Riktignok er effekten P2 så svak at datamaskinsiden ikke kan detektere noen informasjon i P2. Dette er dog helt uten betydning. Hovedsaken er at den nivåovervåkende kretsen NVK1 på datamaskinsiden i dette tilfellet er følsom nok til å detektere eventuell endring i effekten P2. Kretsen NVK1 er tilstrekkelig følsom ettersom den arbeider innenfor et meget smalt frekvensområde. Ulempen med å avtappe fiberoptisk effekt ifølge fig. 4, er imidlertid at man får større tap enn om et fiberoptisk relé anvendes.

I ovenstående utførelseform er det antatt at det kan oppstå avbrudd i strømforsyningen, hvilket medfører anvendelse av et fiberoptisk koplingsorgan. Om strømforsyningen alltid kan opprettholdes til terminalsiden, behøves ikke noe slikt fiberoptisk koplingsorgan (relé eller optisk parallellkopling) .

Claims (3)

1. Anordning for å detektere eventuell avtapning av lysenergi fra en av fibrene i en fiberoptisk kabel, hvilken forbinder en første sender-mottager-side (SD, MD) med en andre sender-mottager-side (ST, MT) i et dataoverf©ringssys-tem hvor senderne utsender shot-noise begrenset lys, dvs. kraftig overlagret lys, idet det i de to sender-mottager-sidenes mottagerenheter (MT, MD) er nivåavfølende enheter (NVK1, NVK2) som er anordnet for å avføle nivået hos signaler svarende til nivået hos mottatt lys og å avgi et alarmsignal dersom nevnte nivå vesentlig avviker fra en viss referanseverdi, karakterisert ved at et fiberoptisk organ (RK) er anordnet ved i det minste den andre sender-mottagersiden (ST, MT) for ved bortfall av sendende lys fra den andre sender-mottagersidens sender (ST) å viderekople lyset fra den første sender-mottagersidens sender (SD) tilbake til samme sides mottager (MD).

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte fiberoptiske organ er anordnet også ved den første sender-mottagersiden (SD, MD) for ved bortfall av sendende lys fra den første sender-mottagersidens sender (SD) å viderekople lyset fra den andre sender-mottagersidens sender (ST) tilbake til samme sides mottager (MT).

3. Anordning som angitt i krav 1-2, karakteri s ert ved at nevnte fiberoptiske organ utgjøres av fiberoptisk relé (RK).