RU215524U1

RU215524U1 - Устройство для защиты оптических систем от мощного лазерного излучения

Info

Publication number: RU215524U1
Application number: RU2022123786U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Алфёров; Кирилл Евгеньевич Бугай; Иван Андреевич Паргачёв
Original assignee: Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы"
Filing date: 2022-09-07
Publication date: 2022-12-16

Abstract

Предполагаемая полезная модель относится к области защиты оптических систем, в том числе волоконно-оптических систем с квантовым распределением ключей, от мощного лазерного излучения, а также от атак с лазерным повреждением компонентов. Техническим результатом является:

1) упрощение конструкции;

2) упрощение настройки и эксплуатации;

3) снижение габаритных размеров;

4) обеспечение возможности использования в волоконно-оптических системах.

Для этого предлагается устройство для защиты оптических систем от мощного лазерного излучения, содержащее волоконно-оптический светоделитель с коэффициентом деления света, равным 50/50; зеркало с заданными коэффициентом отражения и пороговой мощностью разрушения, установленное на первом выходе светоделителя; поглотитель света, установленный на втором выходе волоконно-оптического светоделителя. Дополнительно устройство может включать детектор LDA атаки и электронное устройство управления, соединенное с детектором. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Предполагаемая полезная модель относится к области защиты оптических систем, в том числе, волоконно-оптических систем с квантовым распределением ключей, от мощного лазерного излучения, а также от атак с лазерным повреждением компонентов.

Уровень техники

Системы квантового распределения ключей (КРК) являются развивающимся классом устройств передачи информации, которые позволяют реализовать распределение ключей шифрования между двумя и более легитимными пользователями. В теории, секретность систем КРК гарантируется фундаментальными законами квантовой механики. Однако на практике эти системы имеют различные уязвимости, которые зависят от архитектуры и используемого оборудования. Совокупность любых действий нелегитимного пользователя, приводящих к получению ключа шифрования (битовой последовательности), называется атакой.

Большинство систем КРК основано на использовании оптических импульсов, ослабленных до однофотонного уровня с помощью оптического аттенюатора. Среднее число фотонов в импульсах должно быть предустановлено и не превышать заданное значение. Предположение о неизменности (во всяком случае, отсутствие увеличения) среднего числа фотонов лежит в основе секретности вырабатываемого ключа. Атака с лазерным повреждением компонентов, именуемая в англоязычной литературе как "Laser Damage Attack" (LDA), направлена на увеличение пропускания аттенюатора за счет воздействия мощного лазерного излучения. Это ведет к увеличению среднего числа фотонов, передаваемых в импульсах. В результате злоумышленнику удается узнать ключ и остаться незамеченным (например, в результате атаки с отщеплением фотонов).

Существует ряд исследований, в которых показана уязвимость систем КРК в результате LDA атаки. В частности, была исследована атака с лазерным повреждением компонентов на три типа оптических аттенюатора (Bugai К.Е., Zyzykin А.Р., Bulavkin D.S., Bogdanov S.A., Sushchev I.S., Dvoretskiy D.A. Laser Damage Attack on a Simple Optical Attenuator Widely Used in Fiber-based QKD Systems, 20th International Conference Laser Optics (ICLO 2022), Nonlinear and Quantum Photonics in Waveguide Systems). Экспериментально показано, что некоторые типы аттенюаторов являются неустойчивыми к указанной атаке.

Таким образом, задача создания устройств защиты систем КРК, устойчивых к атаке с лазерным повреждением элементов, является актуальной.

Одним из направлений защиты оптических систем, в том числе волоконно-оптических систем с КРК, от мощного лазерного излучения, является использование разрушаемых при воздействии мощного лазерного излучения защитных элементов.

Известна перископическая насадка к лазерному дальномеру ЛПР-1 (1Д13) для защиты от лазерного изучения (патент РФ №46591 на полезную модель, приоритет от 18.08.2003 г.), содержащая два зеркала, объемный интерференционный фильтр, защитное стекло и корпус, в которой снижение различных уровней мощности лазерного излучения осуществляется при его прохождении через интерференционный фильтр, выполненный из стекла ОС 23-1 с интегральным коэффициентом пропускания τλ=0,15…0,19 и через два зеркала, в которых происходит пробой тонкого зеркального слоя, выполненного из тонкой алюминиевой пленки.

При попадании на вход устройства мощное лазерное излучение ослабляется сначала первым зеркалом (происходит "пробой" пленки), а затем вторым зеркалом, после чего снижается до безопасного уровня светофильтром. Таким образом, в качестве разрушаемых защитных элементов здесь используются два зеркала с тонкой металлической пленкой, работающие на отражение.

В качестве недостатка устройства можно отметить, что при большей мощности или более длительном воздействия защитные элементы могут последовательно разрушиться, а мощное излучение попадет непосредственно на защищаемый элемент (на вход прибора ЛПР-1) и успеет повредить его до момента принятия внешних дополнительных мер по защите (экранирование, выключение и пр.). Кроме того, можно отметить невозможность использования устройства в волоконно-оптических системах без дополнительных котировочных элементов для двунаправленной передачи излучения из волокна в устройство и наоборот.

Известно устройство защиты от мощного лазерного изучения (патент РФ №2709452, приоритет от 19.02.2019 г.), в котором защита оптико-электронных средств (ОЭС) от мощного лазерного излучения достигается за счет использования разрушаемого защитного элемента, установленного перед защищаемым элементом. При этом лучевая стойкость и время разрушения защитного элемента меньше, чем аналогичные параметры защищаемого элемента (фотоприемника). Таким образом, при воздействии мощного лазерного излучения защитный элемент выйдет из строя (разрушится) первым, его пропускание света уменьшится, что предохранит защищаемый элемент от повреждения.

При этом в устройстве предусмотрен поворотный диск, на котором устанавливается несколько защитных элементов, привод поворотного диска и термодатчик. Эти элементы предназначены для обнаружения факта разрушения защитного элемента из-за его нагрева и автоматического поворота диска для замены разрушенного защитного элемента новым, неразрушенным, что обеспечивает увеличения ресурса защиты.

В качестве недостатка устройства можно отметить, что падающее излучение не выводится, а концентрируется на защитном элементе, тем самым, есть вероятность при большей мощности или более длительном воздействия защитный элемент разрушится настолько быстро, что мощное излучение попадет непосредственно на защищаемый элемент и успеет повредить его до того момента, как сработает механизм смены защитных элементов.

Известно также устройство защиты от мощного лазерного изучения (Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Шлишевский В.Б. Пленочные пассивные оптические затворы для защиты приемников изображения от ослепления, Оптический журнал. 2011. - №78, 6. с. 39-46). Устройство содержит входной и выходной объективы, входное и выходное зеркала и разрушаемый защитный элемент, выполненный в виде зеркальной металлической пленки, которая находится на прозрачной подложке и размещается в плоскости промежуточного изображения, создаваемого входным объективом. Выходной объектив переносит соответствующим образом изображение с пленки в защищаемое оптико-электронное устройство. При попадании в систему мощного лазерного излучения зеркальная пленка в области фокусировки изменяет свою отражательную способность, затем нагревается и испаряется, в результате чего в пленке образуется отверстие, а отражение от данного участка зеркальной поверхности затвора прекращается, и мощное лазерное излучение уже не попадает в выходной объектив и, соответственно, в защищаемое оптико-электронное устройство.

Предусмотрено также, что в случае после прожигания отверстия в зеркальной пленке мощное лазерное изучение может быть поглощено в ловушке (поглощающем элементе), расположенной за зеркальной пленкой.

Известное устройство предназначено для использования с приемниками изображения, поэтому входной и выходной объективы должны быть достаточно высококачественными, при этом, в целом, устройство работает в свободном пространстве, и использование его в волоконно-оптических системах затруднительно.

Известное устройство принято за прототип.

Однако известное устройство имеет следующие недостатки:

сложность конструкции и наличие дорогостоящих элементов, в частности высококачественных объективов;

сложность настройки и эксплуатация устройства из-за необходимости проведения точной взаимной юстировки объективов, зеркал и зеркальной металлической пленки;

большие габариты устройства;

практическая невозможность использования в волоконно-оптических сетях.

Раскрытие полезной модели

Техническим результатом является:

1) упрощение конструкции;

2) упрощение настройки и эксплуатации;

3) снижение габаритных размеров;

Для этого предлагается устройство для защиты оптических систем от мощного лазерного излучения, содержащее

волоконно-оптический светоделитель с коэффициентом деления света, равным 50/50,

зеркало с заданными коэффициентом отражения и пороговой мощностью разрушения, установленное на первом выходе светоделителя,

поглотитель света, установленный на втором выходе волоконно-оптического светоделителя

Указанный технический результат достигается за счет того, что все компоненты устройства являются волоконными, в которых нет вывода излучения в свободное пространство, при этом отсутствуют относительно большие и дорогостоящие элементы типа высококачественные объективы и зеркала, и, тем самым, не требуется юстировка. Как следствие, устройство становится более простым и компактным.

Схема устройства изображена на фиг. 1. Свет, поступающий на вход устройства 1, направляется на входной порт волоконно-оптического Х-образного светоделителя 2 с коэффициентом деления мощности k=0,5 для длины волны света, на которой формируются квантовые состояния. Часть света, прошедшего через светоделитель, направляется к зеркалу 3 с коэффициентом отражения R. Вторая часть направляется в поглотитель 4 и рассеивается в виде тепла. Отраженный от зеркала 3 свет возвращается к оптическому светоделителю, часть которого направляется к выходу устройства 5, а другая часть направляется в обратном направлении к входу устройства.

Независимо от направления распространения света, от входа к выходу или наоборот, пропускание света устройством в исходном состоянии в децибелах составляет

Пропускание света устройством тем меньше, чем меньше коэффициент отражения зеркала, а максимум пропускания соответствует R=1. Также, согласно (1), при неизменном коэффициенте отражения зеркала, максимум пропускания устройством соответствует коэффициенту деления оптического разветвителя k=0,5.

В случае если длина волны света, поступающего на вход устройства, отличается от номинальной (при которой k=0,5), то коэффициент деления может отличаться в большую или меньшую сторону. Также возможно изменение коэффициента деления для номинальной длины волны при пропускании через светоделитель значительной оптической мощности в результате проведения LDA атаки.

При использовании зеркала с уменьшающимся коэффициентом отражения при падении на него света с относительно высокой мощностью можно получить эффект "затемнения". Например, если зеркало выполнено из металла, который эффективно поглощает оптическое излучение, то при превышении некоторого порога мощности падающего света произойдет разогрев и плавление и последующее испарение металла, в следствии чего у зеркала сначала уменьшится коэффициент отражения и, как следствие, уменьшится коэффициент пропускания света от входа до выхода устройства, а после разрушения и испарения металлического зеркального слоя отражение будет отсутствовать.

Зависимость коэффициента пропускания устройства от подаваемой мощности лазерного излучения, имитирующего атаку LDA, исследовалась с помощью схемы, описанной в работе (Алферов С.В., Бугай К.Е., Паргачев И.А. Исследование уязвимости систем квантового распределения ключей от атак с лазерным повреждением элементов на основе нейтральных светофильтров, Письма в ЖЭТФ, 2022, №116, вып.2, с. 123-127). Было установлено, что для устройств с разрушающимся зеркалом наблюдается уменьшение пропускания (увеличение ослабления) во всем диапазоне мощности атакующего излучения от 25 дБм до 37.4 дБм. Также отдельно проводилось исследование порога разрушения зеркал и было установлено, что разрушение происходит при мощности 80 мВт (19 дБм), что для одномодового волокна с диаметром сердцевины 10 мкм соответствует плотности мощности порядка 100 кВт/см².

Проведенные исследования свидетельствуют о правильности понимания механизма пропускания устройства при LDA атаке: начиная с некоторого порогового значения мощности атакующего излучения отражение от зеркала уменьшается, вследствие его разрушения, тем самым уменьшается пропускание устройства.

Описанное устройство можно рассматривать также как аттенюатор, и оно, при необходимости и применении в составе системы КРК, может дополняться другими аттенюаторами для получения необходимого среднего числа фотонов в квантовых состояниях на выходе формирователя квантовых состояний.

Для детектирования факта атаки LDA в схему может быть установлен детектор LDA атаки 6, который контролирует целостность зеркала при воздействии со стороны злоумышленника. Детектор 6 подключен к электронному устройству управления 7, таким образом, при разрушении зеркала с использованием детектора и устройства 7 формируется сигнал, свидетельствующий об атаке LDA. Схема устройства с детектором LDA атаки изображена на фиг. 2.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена схема устройства для защиты оптических систем от мощного лазерного излучения. Цифрами обозначены:

1 - вход устройства;

2 - волоконно-оптический Х-образный светоделитель;

3 - зеркало;

4 - поглотитель света;

5 - выход устройства;

На фиг. 2 приведена схема устройства для защиты оптических систем от мощного лазерного излучения с детектором факта LDA атаки. Цифрами обозначены:

6 - детектор LDA атаки;

7 - электронное устройство управления.

Осуществление полезной модели

В общем случае, устройство может быть выполнено для работы в открытом пространстве.

Предпочтительно выполнение устройства с использованием оптоволоконной элементной базы. В качестве светоделителя используется волоконно-оптический X-образный светоделитель типа FBTC-MSSSC-P-2x2-15-50-SM28-25-10-FP-2.4x25 производителя «DK Photonics» с коэффициентом деления оптического излучения 50/50 (http://www.dkphotonics.com/). В качестве поглотителя света может быть использован волоконный поглотитель FTFC1 (https://www.thorlabs.com/).

Металлическое зеркало может быть также сформировано путем нанесения пленки на торец оптоволоконного выхода светоделителя. Материалом для металлического зеркала может быть пленка из хрома толщиной 150±50 нм, с коэффициентом отражения R=0,1 (для длины волны λ=1550 нм). Зеркало имеет пороговую плотность мощности разрушения 100 кВт/см², согласно проведенным измерениям, что соответствует падающей на зеркало мощности равной 80 мВт, соответственно, с учетом светоделителя, максимальная входная мощность на входе устройства составляет 160 мВт.

Кроме того, металлическое зеркало может быть также сформировано на отдельной подложке из стекла, а подведение к нему излучения от светоделителя можно производить с помощью отрезка волокна. Это упростит смену металлического зеркала в случае его разрушения. Позади металлического зеркала может быть также установлен дополнительный поглотитель.

Использование предложенного устройства производится следующим образом.

Согласно фиг. 1, свет, поступающий на вход устройства 1, направляется на входной порт волоконно-оптического Х-образного светоделителя 2 с коэффициентом деления мощности k=0,5 для длины волны света, на которой формируются квантовые состояния. Часть света, прошедшего через светоделитель, направляется к зеркалу 3 с коэффициентом отражения R. Вторая часть направляется в поглотитель 4 и рассеивается в виде тепла. Отраженный от зеркала свет возвращается к оптическому светоделителю, часть которого направляется к выходу устройства 5. Полученное на выходе устройства квантовое состояние, направляют в оптоволоконную линию связи с приемником квантовых состояний.

При поступлении на устройство мощного лазерного излучения металлическое зеркало разрушается, свет от него перестает отражаться и не поступает на защищаемые устройства в системе КРК.

Один из вариантов осуществления изобретения подразумевает детектирование факта LDA атаки. В качестве детектора LDA атаки может использоваться фотодиод PDI-20-P10-20G-W (https://laserscom.com/). Электронное устройство управления (ЭУУ) может быть построено на базе электронно-вычислительной машины (ЭВМ) с сетевым интерфейсом связи.

В результате LDA атаки, металлическое зеркало разрушается и атакующее излучение попадает на фотодетектор. Сигналы с фотодетектора, подаются на компаратор, входящий в состав ЭУУ. Порог дискриминации компаратора задается пользователем. Старт детектирования фотодетектора определяется электронным устройством управления с учетом задержки генерации лазерного импульса и времени распространения света от лазера до фотодетектора. При превышении порога дискриминации ЭУУ выдает сообщение об атаке в виде, удобном для пользователя (звуковой сигнал, световой сигнал, их комбинация и т.п.).

Можно отметить, что детектирование атакующего излучения не ограничивается приведенным примером, а может осуществлятся на основе мониторинга различных физических процессов, происходящих при LDA атаке: изменение проводимости зеркала, изменение температуры зеркала или поглотителя, визуальный контроль целостности зеркала. Соответственно, в качестве детектора может выступать датчик проводимости, термодатчик, пирометр, или видеокамера для визуального распознавания разрушения зеркала.

После фиксации факта атаки и устранения опасности, разрушенное металлическое зеркало заменяется на новое, и устройство может продолжить работу.

Claims

1. Устройство для защиты оптических систем от мощного лазерного излучения, содержащее волоконно-оптический светоделитель с коэффициентом деления света, равным 50/50, зеркало с заданными коэффициентом отражения и пороговой мощностью разрушения, установленное на первом выходе светоделителя, поглотитель света, установленный на втором выходе волоконно-оптического светоделителя.

2. Устройство по п. 1, дополнительно включающее детектор LDA атаки и электронное устройство управления, соединенное с детектором.