Criptografia óptica baseada em fatiamento espectral

Abstract

As redes ópticas têm evoluído significativamente nos últimos anos. Apesar dessa evolução, a camada física dessas redes ainda apresenta vulnerabilidades para diversos tipos ataques, incluindo espionagem, intercepção, bloqueio e ataques à infraestrutura física. Para combater ou prevenir as redes desses ataques, é essencial que se adote técnicas que garantam o sigilo das informações. Neste contexto, este trabalho apresenta uma nova técnica de criptografia óptica baseada em fatiamento espectral. Nesta técnica, a codificação é realizada por meio da divisão do sinal óptico em n fatias espectrais. Após a divisão, o sinal de cada fatia passa por um filtro óptico passa banda que tem a função de alocar cada fatia espectral numa determinada frequência. Posteriormente, o sinal pode ser submetido a dois estágios de codificação. No primeiro estágio é realizada a codificação de fase espectral. Nesta a codificação é feita por desvio de fase. No segundo, a codificação é feita por meio de atraso dos bits/símbolos, esta é denominada codificação espectral por atraso. A recuperação do sinal é realizada no decodificador por intermédio da compensação das fases e Atrasos inseridos em cada fatia espectral do codificador. As medições da relação sinal-ruído óptico e das taxas de erro de bits dos sinais codificados, BERc, e decodificados, BERd, foram adotadas como critérios de avaliação da robustez técnica. O desempenho da técnica foi investigado por intermédio de simulação com o software VPI Transmission Maker versão 9.0. Nestas simulações, foram avaliados os sinais nos domínios do tempo e frequência. Foram realizadas simulações com os sinais modulados por X chaveamento diferencial de fase (Differential Phase Shift Keying, DPSK), deslocamento de fase diferencial em quadratura (Differential Quadrature Phase Shift Keying, DQPSK) e modulação de amplitude em quadratura de 16 símbolos (Quadrature amplitude modulation, 16-QAM), com as taxas de transmissões de 40 Gbps para os sinais DPSK e DQPSK e 200 Gbps para os sinais 16-QAM. Os resultados das simulações foram satisfatórios, em todos os casos, BERc foram superiores a 10% de degradação dos sinais e no decodificador BERd foram inferiores a 10-15 que é considerada livre de erros de bits.

Optical networks have been evolving significantly over the years. Despite this evolution, the physical layer of these networks still have vulnerabilities to several kinds of attacks including eavesdropping, interception, jamming, and attacks on physical infrastructure. To combat or prevent these networks attacks, the adaption of techniques to ensure the confidentiality of information is essential. In this context, this presents a new technique of optical encryption based on spectral slicing. In this technique, coding is performed by dividing the optical signal into n spectral slices. After the signal is split, each slice passes thought an optical bandpass filter that has function of allocate each spectral slice to a particular frequency. Subsequently, the signal will be submitted to another two stages of encoding, as following. At first stage the signal will receive a phase shift, we call this stage as Phase-Shift Encoding. After that in the following stage it will receive a signal delay in bits per symbol, this is called the delay spectral coding. The signal deciphering is performed at the decoder stage, by removing phases and delays inserted in each spectral slice during the encoding process. Measurements of the optical signal to noise ratio and bit error rate of coded signals, BERC, and decoded, signals BERD, were used as parameter to evaluate the robustness of the technique. The technique performance was evaluated by simulation on software VPI Photonics©, on Transmission Maker version 9.0. In these simulations, we studied the signals in time and frequency domains, using several modulation techniques like Differential Phase Shift Keying (DPSK), Differential Quadrature Phase Shift Keying (DQPSK), 16 symbols quadrature amplitude modulation (16 - QAM), with rates of 40 Gbps for DPSK and XII DQPSK signals and 200 Gbps for 16-QAM signals. The simulation results were satisfactory in all cases: BERC exceeds 10% degradation of the signals and the decoder BERD was less than 10-15, which is considered an error free transmission.