NO304857B1 - FremgangsmÕte til deteksjon av ytre pÕvirkninger pÕ en optisk kabel - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte til deteksjon av ytre påvirkninger på en optisk kabel. Oppfinnelsen kan benyttes som avfølende organ ved en innbruddsbeskyttelse, hvor kabelen graves ned og en alarm utløses når noen går på den. Oppfinnelsen kan også benyttes som overvåkningssystem for en informasjonsoverførende optisk kabel. Den pågående og stadig mer akselererte datarisering forutsetter for å være effektiv at datamaskinene står i direkte forbindelse med hverandre. Kravene til overføringskapasitet og kvalitet gjør kabler med optiske fibre velegnet som overføringsmedium. I takt med det økede kapasitetsbehov antas at de optiske kabler vil bli helt dominerende.

De krav som vil bli stilt til en fiberforbindelse som håndterer følsom informasjon, er at det skal foreligge installert en eller annen form for sikkerhetssystem. I og med at det eneste tenkelige, fremtidige kommunikasjonsmedium vil være optiske fibre, kommer sikkerhetssystemene også til å være optiske. Optiske fibre er et medium som i seg selv har en meget stor resistens mot informasjonstapping. Det er meget vanskelig å tappe en optisk fiber for informasjon, men det er ikke umulig.

I dag foreligger det forskjellige systemer for å oppdage utillatelig påvirkning på en optisk fiber, som alle baserer seg på overvåkning av den optiske virkning som transporteres i fiberkjernen. Prinsippet er kortfattet at en ytre påvirkning vil redusere effektnivået i fiberen, slik at en alarm utløses. Fremgangsmåten kan sammenlignes med en intensitetsmodulert sensor, som utgjør den minst følsomme sensortype. Systemet har betydelige ulemper og kan ikke med tilfredsstillende grad av sikkerhet oppdage utillatelig befatning med den optiske fiber eller kabel.

Neste generasjon av sikkerhetssystem må med stor sannsynlighet arbeide etter et prinsipp som medfører en større mulighet til å detektere en manipulasjon av den optiske fiber. Et slikt prinsipp kan være basert på at hver ytre påvirkning på fiberen vil modulere lysets fase, noe som mottagersiden kan detektere. Dette er det sensorprinsipp som medfører størst følsomhet. Foreliggende oppfinnelse utnytter dette system for å løse det aktuelle problem, ved at oppfinnelsen får den utforming som fremgår av de etterfølgende patentkrav.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til de vedlagte tegninger, hvor

fig. 1 viser en laser, en optisk multimodusfiber og utseendet av interferensmønsteret etter fiberen,

fig. 2 viser en interferensdetektor ifølge oppfinnelsen,

fig. 3 viser et overføringssystem med informasjonssignal og overvåkningssignal bølgelengdemultiplekset på en optisk multimodusfiber, og

fig. 4 viser et overføringssystem hvor informasjonssignalet bringes til digitalt og modulere overvåkningssignalet.

Ved foreliggende oppfinnelse sender man et overvåkningssignal i multimodus i en optisk fiber. Man kan da benytte multimodusfibre, som kan være en fordel da man derved benytter kabler og teknikk som er vel utprøvd og vanlig forekommende på markedet. Videre kan allerede installerte multi-modusforbindelser, uten ny kabeltrekning senere kompletteres med sikkerhetssystemet ifølge oppfinnelsen. Med multimodusfibre menes i denne sak såvel gradientindeksfibre som trinnindeksfibre. For det tilfelle at man har en enmodusfiber for informasjonsoverføring kan man imidlertid fremdeles benytte metoden ifølge oppfinnelsen. Man sender da overvåkningssignalet ved en bølgelengde under enmodusfiberens "cut off-bølgelengde eller grensebølgelengde, idet overvåkningsstrålingen spres ut i flere utspredningsmodi. Enmodusfiberen kommer da for denne stråling til å opptre som en multimodusfiber.

I en multimodusfiber forekommer det en mengde utspredningsretninger i avhengighet av den innfallsvinkel til fiberen som de innfallende "lystråler" har. Disse utspredelsesretninger kalles modi. Hvis koherent lys, som på fig. 1, fra en laser 1 transporteres i fiberen 2 og det utfallende lys får belyse f.eks. et hvitt papir, vil et interferensmønster 3 fremtre på papiret. Mønsteret forårsakes av at multimodusfiberens forskjellige utspredningsmodi samvirker på en konstruktiv eller destruktiv måte. Dette interferensmønster er ekstremt følsomt for ytre påvirkninger på fiberen i og med at modusenes indre fase-forhold forandres ved påvirkningen, som på sin side forårsaker en bevegelse av interferensmønsteret. Hvis denne bevegelse kan detekteres oppnås en meget nøyaktig metode for å oppdage påvirkning på fiberen. Som et mål på følsomheten i en slik målemetode kan man f.eks. beregne den minste forskjell i bølgelengde forårsaket av fysisk påvirkning, som da gir en veiforskjell på bare 10-<14>m Koherenslengden for lyset må være lengre enn veiforskjellen for de høyeste respektive laveste modi.

En metode for å detektere dette mønster er å plassere en fotodiode, f.eks. på et intensitetsmaksimum og iaktta intensitetsvariasjonene. Ulempen med dette er at mønsteret svekkes på grunn av tilfeldig faseforskjell mellom utfallende modi (modiene faller jo ikke utjevnt). Nedenfor angis en metode til å løse problemet.

Faseforholdene kan forandres p.g.a. forandringer i lyskildens spektrale karakteristikk forårsaket av f.eks. modulasjon av laserdioden, av temperaturvariasjoner for lyskilden, av temperaturvariasjoner langs den optiske fiber og av tilfeldig fordeling av utspredelsesmodi i den optiske fiber, f.eks. forårsaket av sammenkjedingspunkter. Slike "godartede" forandringer skal ikke utløse alarm. Bare de "ondsinnede" forandringer som beror på avlyttingsforsøk skal utløse alarm. Nå er det imidlertid slik at de "godartede" forandringer påvirker strålingen i alle polarisasjonsretninger likt, noe som ikke er tilfelle for de "ondsinnede" forandringer.

Det utfallende lys fra fiberenden deles derfor av en stråledeler 4 opp i to strålebunter, se fig. 2. Hver strålebunt omfatter hele det interferensmønster som dannes ved overføringen i fiberen. Man kan hensiktsmessig velge en oppdeling i to, i det vesentlige like sterke strålebunter selv om dette ikke er nødvendig. De strålebunter planpolariseres så i forskjellige retninger av to polarisatorer 5 og 6. Man kan hensiktsmessig velge to mot hverandre i det vesentlige vinkelrette retninger, selv om dette ikke er nødvendig. I en egnet utførelsesform av oppfinnelsen detekteres så de to utfallende strålebunter av detektorene 7 og 8 uavhengig av hverandre og forskjellen i amplitude sammenlignes i en differensialforsterker 9. Det utgående signal fra differensialforsterkeren 9 behandles av elektronikk 10 som avgjør om alarm skal genereres. Beslutningen om alarm tas i samsvar med et på forhånd bestemt alarmkriterium. Grunnen til innføringen av et alarmkriterium er at flekkmønsteret forårsaker en tilleggsstøy hos detektoren. Denne støy fremkommer p.g.a. at flekkmønsterets tilfeldige forandringer over detektor-arealet forårsaker en fluktuerende elektronstrøm. Fluktuasjonen består tildels av forandringer i selve mønsteret og dels av overføringsleddenes inngående modusfiltre som f.eks. kontakter og skjøter, som ujevn forandre fasestillingen i den optiske fiber og dermed forårsaker intensitetsforandringer. En viss fluktuasjon kommer da også til å opptre i de dannede forskjellssignaler, selv om direkte intensitetsavhengig fluktuasjoner tar ut hverandre ved dannelsen av forskjellssignaler. Alarmkriteriet skal være slik at alarm bare forårsakes av kabelberøringer som gir opphav til en forandring i flekkmønstert som vesentlig overskrider det dannede støysignal.

I stedet for å danne et forskjellssignal kan man danne andre typer signaler som utgjør et mål for berøring. Således kan man detektere forskjeller i kvotient eller størrelse mellom de to signaler eller forandringer i frekvens-fordelingen mellom dem.

En første utførelsesform for oppfinnelsen, system A, innebærer at en punkt-til-punktforbindelse består av to fibre. Den ene fiber benyttes for å sende data og den andre til overvåkningsformål. I og med at de to fibre løpe i samme kabel kommer forsøk på å trenge gjennom kabelen til å detekteres av sensor-fiberen. Skulle det utrolige inntreffe at kabelen gjennomtrenges uten at det oppdages kommer med høy sannsynlighet en alarm til å utløses når man forsøker å tappe fiberen for informasjon. Grunnen er tildels at man har 50% mulighet til å ta gal fiber og tildels av fibrene sitter så tett sammen at begge fibre må berøres, noe som resulterer i en alarm. Ved å installere flere sensor-systemer i en kabel med flere fibre på den måte at kabelen består av et større antall sensorfibre og en informasjons fiber, kan sannsynligheten for oppdagelse økes ytterligere.

Systemet er dog kanskje mest motivert til å benyttes i flerfiberkabler med en sensorfiber og flere informasjonsfibre. Kostnadene for sikkerhetsfunksjonen deles da opp på de i fiberkabelen inngående overføringskanaler. Fiberkabelen med de inngående overføringskanaler blir da meget sikker samtidig som man oppnår høyere kostnadseffektivitet.

I en andre utførelsesform av oppfinnelsen, system B vist på fig. 3, forutsettes at man delvis av sikkerhetsgrunner benytter en fiber pr forbindelse. Den datasekvens som skal overføres sendes av en sender 11 på en bølgelengde og overvåkningssignalet sendes av sin sender 1 på en annen bølgelengde. Her, på samme måte som ved system A, kan datafølgen være såvel analogt som digitalt kodet. Signalene bølgelengdemultiplekses i en bølgelengde-multipleksor 12 og deles opp i en demultipleksor 13. Systemet sender således data og overvåkningssignaler på samme fiber. Data detekteres i mottageren 14 og overvåkningssignalet i interferensdetektoren 15 ifølge fig. 2. Dette medfører at hvert forsøk på tapping med meget stor sannsynlighet vil bli detektert av interferensdetektoren 15 og danne en alarm. Hvis det høyst usannsynlige skulle inntreffe, dvs. at noen ubemerket kan "avskalle" fiberkabelen uten å bli oppdaget, vil en alarm dannes når den optiske fiber 2 utsettes for avtappingsforsøk. Når data ikke er under sending vil interferensdetektoren 15 fremdeles være aktiv og danne alarm ved tappeforsøk. Tiltak forbundet med tilbakekobling av data og et behov for alltid å sende data er helt unødvendig med dette system, noe som er en meget stor fordel.

Videre kan man tenke seg en variant av systemet B, kalt system C, som er vist på fig. 4, hvor ambisjonsnivået er å minimalisere komponenter med den hensikt å redusere systemkostnadene. Man modulerer her sikkerhets-funksjonens laser 1 ved hjelp av en modulator 16 med den datasekvens som skal overføres. Sekvensen er i dette tilfelle digitalt kodet. Systemet innebærer at system B's spesielle sender 11 og mottager 14, som bare er beregnet for dataoverføring, elimineres. Interferensdetektoren 15 blir til gjengjeld mer komplisert ved at en krets 17 for tilbakedannelse av data kommer til. I og med at laseren 1 moduleres digitalt vil interferensmønsteret eventuelt forandres i flankene mellom databitene, noe som medfører at alarm kan utløses. Derfor må beslutning om alarm blokkeres i flankene mellom de databiter som er under sending. Dette skjer ved at signal 18 fra styrekretsen 17 styrer en blokkering av alarmkretsen 10.

Gevinsten med system C er altså økonomisk. De komponenter som spares er en senderdiode, to bølgelengdemultipleksorer samt en mottager. De komponenter som kommer til er elektriske og i denne sammenheng billige. Når data ikke er under sending må laseren, i likhet med system B, være aktiv med det formål å detektere tappeforsøk i den tid hvor informasjonssystemet er inaktivt.

Når data er under sending vil alarmen kobles fra i databitenes flanker. Dette vil ikke innebære noen svakhet i systemet, da den tid alarmen frakobles vil være en brøkdel av det inverse til systemets datahastighet. Denne tid vil dreie seg om noen nanosekunder og det er helt umulig å gjennomføre en tapping i løpet av så kort tid.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte til deteksjon av ytre påvirkning på en optisk fiber i en optisk kabel, karakterisert vedat man til overvåkningsformål sender koherent stråling i multimodus gjennom fiberen, at man på mottagersiden deler overvåkingsstrålen i to strålebunter, hver omfattende hele det interferens-mønster som dannes ved overføring i fiberen, at man planpolariserer strålebuntene i to adskilte retninger, at man detekterer hver strålebunts amplitude og/eller frekvensmessige innhold, at man av dette danner et signal som er et mål på deres amplitudemessige og/eller frekvensmessige forhold og at man når signalene i tid og/eller nivå overstiger forutbestemte verdier, initierer en alarmfunksjon.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat man deler overvåkningsstrålen i to i det vesentlige like intensitetssterke strålebunter.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat man planpolariserer strålebuntene i to mot hverandre i det vesentlige vinkelrette retninger.

4. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-3, karakterisert vedat man også sender informasjon i kabelen i en eller flere optiske fibre.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert vedat man benytter separate optiske fibre i kabelen for informasjonsoverføring og overvåkning.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert vedat man benytter en optisk fiber i kabelen for overvåking og flere for informasjonsoverføring.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert vedat man benytter en og samme optiske fiber såvel for informasjonsoverføringen som overvåkingen, idet man sender de to typer signaler på forskjellig bølgelengde, dvs. bølgelengdemultipleksert, og at man på mottagersiden deler opp signalene og detekterer dem hver for seg.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert vedat man benytter en optisk multimodusfiber, gjennom hvilken man sender overvåkningssignalene digitalt modulert av informasjonssignalene og at man på mottagersiden fra de elektriske signaler fra detektoren for en planpolarisert strålebunt gjenskaper informasjonssignalene.

9. Fremgangsmåte ifølge et av de tidligere krav, karakterisert vedat man danner forskjellen mellom de to strålebunter.

10. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-8, karakterisert vedat man danner kvotienten mellom de to strålebuntene.