Análise de criptografia óptica realizada mediante controle da amplitude e do atraso de fatias espectrais geradas com perfil de filtros ópticos comerciais

Abstract

Neste trabalho avaliamos uma técnica para realizar a criptografia totalmente óptica em redes ópticas transparentes. Dessa maneira, pretende-se impedir que um intruso consiga capturar e analisar o sinal óptico. A técnica consiste em dividir um sinal óptico em diversas fatias espectrais e aplicar diferentes atenuações e atrasos a cada uma delas. Após este processo o sinal é novamente multiplexado e transmitido por uma rede óptica transparente. Neste ponto o sinal está idealmente ininteligível para qualquer receptor que não conheça a chave criptográfica (conjunto de atenuações e atrasos) utilizada. Para avaliar a força da chave criptográfica, mede-se a taxa de erros de bit (Bit Error Rate, BER) do sinal codificado, BERC. De forma geral, quanto maior BERC, menor é a chance de o sinal ser decodificado por um receptor não autorizado. Na decodificação o sinal é novamente dividido em fatias espectrais, e para todas as fatias são aplicados valores distintos de atenuação e atraso de forma a reconstituir o sinal de entrada. Na saída do decodificador, avalia-se a BER do sinal decodificado BERD, que deve ser suficientemente baixa para permitir a recepção do sinal transmitido pela TON. Simulações com o software VPITransmissionMaker, da empresa VPIPhotonics Inc, foram utilizadas para investigar o desempenho da técnica para diferentes ganhos e atrasos. Para a operação de fatiamento espectral, os perfis dos filtros usados foram ajustados para representar equipamentos de mercado. Resultados indicam que BERC pode atingir valores de até 42% e 32% para sinais com modulação non return to zero - on-off keying (NRZ-OOK) e por deslocamento de fase diferencial em quadratura (differential quadrature phase shift keying, DQPSK), respectivamente. Em ambos os casos foi possível encontrar resultados de BERd inferiores a 10-12, mediante ajuste adequado do espaçamento entre os filtros, mesmo após 400 km de propagação por enlaces de fibra padrão. No melhor de nosso conhecimento, esta é a primeira vez que tais análises são apresentadas.

In this dissertation we evaluate a new technique that performs optical encryption of signals travelling through transparent optical networks (TON). It is, thus, intended to prevent eavesdroppers to capture and retrieve optical signals. The technique consists in dividing an optical signal into several spectral slices and applying different attenuation and delays to each of them. After this process the signal is again multiplexed and transmitted through the considered TON. At this point the signal is ideally unintelligible to any receiver who does not know the encryption key, i.e. the set of utilized attenuations and delays. To evaluate the strength of such key, we measure the bit error rate (Bit Error Rate, BER) of the encoded signal, BERC. Generally speaking, the higher BERC, the lower is the chance of the encrypted signal being decoded by an eavesdropper. At the authorized receiver side, signal is again divided into spectral slices which are subjected to a set of attenuations and delays that are complementary to the ones utilized as the encryption key. All slices are again multiplexed and, as a result, at the output of the decoder the original encoder input signal is ideally reconstructed. The quality of the decoded signal is measured by evaluating the BER of the decoded signal, BERd, which should be low enough to allow proper reception of the signal transmitted by the TON. Simulations with the software VPITransmissionMaker, VPIPhotonics Company Inc., were used to investigate the performance of the technique for different gains and delays. For the operation of spectral slicing, the profiles of the utilized filters were adjusted to represent the ones of state-of-the-art off-the-shelf equipment. Results indicate that BERC may reach values of up to 42% and 32% for non-return to zero (NRZ) and differential quadrature phase shift keying (DQPSK) signals, respectively. In both of these cases it was possible to find results of BERd lower than 10-12, after properly adjusting the spacing between the filters; this was observed even for propagation over amplified standard fiber links with lengths as long as 400 km. To the best of our knowledge, this is the first time that such analyses are presented.