Защита информации в оптическом диапазоне частот

Потребность в эффективных системах связи вызвана растущими издержками на замену и модификацию оборудования и увеличивающимся спросом на все средства защиты информации, особенно в телевидении, радио, телефонии и вычислительной технике. В последнее десятилетие появились новые виды связи, такие как диспетчерское телевидение, видеотелефония, системы для передачи видеоинформации.

Большинство таких систем ограничено одним важным фактором - шириной информационной полосы. Проводные и коаксиальные линии связи обеспечивают передачу информации на частотах, простирающихся до 109 Гц. Применение методов уплотнения каналов и техники кодирования увеличивают ширину информационной полосы этих систем до более высокого уровня скорости передачи информации на каналах. При использовании для передачи информации света, промодулированного с частотой порядка 1010 Гц, возможно увеличение ширины полосы пропускания на несколько порядков. Первые работы по распространению света в различных средах относились к жидким световодам; при этом была показана возможность изменить направление света в струе воды, вытекающей из сосуда (опыты Тиндаля, 1880 год).

В 1910 году Хондрас и Дебай сообщили о теоретических разработках передачи световых сигналов по диэлектрическому волноводу, а через десять лет Шривер провел первые опыты по передаче света по диэлектрическому стержню, окруженному воздушной средой. В 1954 году Хелл, Хопкинс и Конани предложили различные применения диэлектрического волновода из стеклянного волокна, имеющего два слоя, один из которых выполнял роль отражающей оболочки. Стекловолокно, пригодное для использования в системах связи, было разработано в период 1966-1973 гг.

С 1975 года как у нас, так и за рубежом начались разработки и внедрение волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСПИ). Важнейшими характеристиками ВОСПИ, определяющими их преимущество перед металлическими кабелями, являются: 1) слабое затухание сигнала и его меньшая зависимость от длины волны передаваемого информационного оптического сигнала, распределения мод и температуры кабеля; 2) незначительные искажение сигнала и его слабая зависимость от спектральной ширины, распределения мод, амплитуды и длины волны передаваемого информационного оптического сигнала, длины световода и температуры окружающей среды; 3) малые потери на излучение и их незначительная зависимость от радиуса изгиба и температуры волоконного световода; 4) более приемлемые физические параметры - вес, размер, общий объем; 5) простота укладки, сращивания и ввода излучения в световод; 6) высокая устойчивость к внешним воздействиям - влагостойкость, теплостойкость, стойкость к химической коррозии и к коррозии под напряжением, механическим нагрузкам. Несмотря на вышеперечисленные преимущества, ВОСПИ имеют также недостатки, в частности возможна утечка информации за счет побочного электромагнитного излучения и наводок (ПЭМИН) как в радиочастотном, так и в оптическом диапазонах. Возможные каналы утечки информации в радиочастотном диапазоне довольно подробно изучены и известны.

С начала 80-х годов и наши, и зарубежные ученые наряду с разработкой ВОСПИ вели работы по выявлению возможных каналов утечки информации в оптическом диапазоне частот. Для анализа возможных каналов утечки информации рассмотрим простейшую модель ВОСПИ. В качестве излучателя для ВОСПИ могут использоваться полупроводниковые устройства двух типов. Устройство простейшего типа - светоизлучающий диод имеет широкую диаграмму направленности излучения и поэтому пригоден для работы с многомодовыми волоконными световодами с большим диаметром сердцевины.

Более сложные устройства - полупроводниковые лазеры излучают значительно лучше сколимированные пучки света и поэтому позволяют вводить сигнал более высокой мощности (в 10 - 100 раз) в многомодовые световоды, а также эффективно вводить сигнал в одномодовые световоды с малым диаметром сердцевины. Светоизлучающие диоды вполне подходят для применения в информационных каналах и в системах связи с невысокой или умеренной пропускной способностью. Утечка информации у излучателя возможна: за счет несогласования геометрических размеров окна (микролинзы) светоизлучающего диода или полупроводникового лазера и торца (апертуры) волоконного световода; за счет "окон прозрачности" вокруг контактов на подложке, к которым подводится передаваемый информационный сигнал в радиочастотном диапазоне. Числовая апертура волоконного световода определяется выражением , где nc - показатель преломления сердцевины волоконного световода; nо - показатель преломления оболочки. В качестве приемника в ВОСПИ, как правило, используются фотодиоды.

Утечка у приемника в оптическом диапазоне частот возможна: за счет несогласования геометрических размеров окна (микролинзы) фотодиода и торца волоконного световода; за счет "окон прозрачности" вокруг контактов на подложке, к которым подводится принимаемый информационный сигнал в радиочастотном диапазоне. Для исключения утечки информации в оптическом диапазоне частот у излучателя и приемника необходимо, чтобы их конструкция с физической точки зрения представляла абсолютно "черное тело". Как правило, потери в оптических разъемах составляют 2,5-4,5 дБ. Наибольший интерес представляет излучение информации с оптического волокна. В настоящее время все волоконные световоды, выпускаемые промышленностью, можно разделить на три типа: многомодовый волоконный световод; маломодовый волоконный световод; одномодовый волоконный световод. Кроме того, волоконные световоды бывают со ступенчатым показателем преломления и с градиентным показателем преломления.

Абсолютно все волоконные световоды обладают затуханием. Затухание света в волоконном световоде обусловлено поглощением и рассеянием в материале, рассеянием, связанным со световодной структурой и потерями на излучение. Рассеяние, связанное со световодной структурой, вызвано большей частью геометрическими неоднородностями поверхности раздела сердцевина-оболочка. Тщательно контролируя процесс изготовления, можно поддерживать уровень потерь на рассеяние этого типа ниже 1 дБ/км. Потери на излучение вызваны изгибами световода и при малых радиусах кривизны могут быть значительными.

Излучение из волоконного световода достигает особенно больших величин, если при изготовлении оптического кабеля используются световоды без мягкой амортизирующей пластиковой оболочки. Рассеяние света за счет флуктуаций плотности материала оптического волокна определяется выражением , где Т - температура перехода, при которой тепловые флуктуации "замораживаются в стекле"; b - изотермическая сжимаемость; l - длина волны передаваемого оптического сигнала. Для плавленого кварца, у которого Т C 1700 К, величина as на длину волны 830 нм составляет примерно 1-6 дБ/км.

Для более наглядного представления рассмотрим структуру поля передаваемого информационного оптического сигнала через многомодовое волокно со ступенчатым показателем преломления. С точки зрения утечки информации наиболее опасными являются "оболочечные" и "вытекающие" моды, так как, имея доступ к данному типу оптического волокна, с помощью высокочувствительных фотоприемных устройств (в качестве оптического объектива можно использовать микролинзы или специальное оптическое волокно, оптически согласованное с основным с помощью специально подобранной эмирсионной жидкости), можно принять передаваемый оптический сигнал. Если в оптическом кабеле существуют нарушения структуры, напряжения, приложенные перпендикулярно оси оптического волокна, они могут вызывать его изгибы с малым радиусом кривизны. Осевые напряжения могут также приводить к изгибам, если имеются неоднородности структуры, к удлинению световода и росту микротрещин. Влияние этих явлений на затухание оптического сигнала в световоде необходимо учитывать при разработке конструкции оптического кабеля и выборе типа световодов.

Излучение оптического сигнала, обусловленное изгибом световода, может значительно увеличить оптические потери световодов в кабеле. В большинстве случаев изгибы с радиусом кривизны , где rc - радиус сердцевины световода, NA - числовая апертура световода, приводят к очень большому побочному излучению в месте изгиба. Поэтому радиус изгиба оптического световода в кабеле должен быть значительно больше, чем rc. Для больших радиусов кривизны R побочное излучение оптического сигнала в месте сгиба будет экспоненциально уменьшаться в соответствии с exp(-R/Rmin).

Напряжение на выпуклостях может привести к изгибу световода и увеличению побочного излучения. Натяжение может также привести к увеличению микротрещин и вызвать изменение показателя преломления, что, в свою очередь, также может вызвать увеличение побочного излучения с волокна. На рис. 3 изображен оптический световод, подвергнутый поперечным напряжениям на выпуклости в кабеле. Зависимость побочного излучения за счет поперечного напряжения, обусловленного изгибом световода aи, от радиуса сердцевины rc и относительной разности показателей преломления D выражается следующей формулой: , где с = 0,9 p (h2/b2) (Eоб/Ec)3/2; D = 1 - nc/nоб; b - диаметр световода; nc - показатель преломления световода; nоб - показатель преломления оболочки; h - среднеквадратичная величина выпуклости; p - число выпуклостей на единицу длины; Eоб - модуль Юнга материала оболочки; Ec - модуль Юнга материала сердцевины световода.

Обычно режим работы световода характеризуют обобщенным параметром, включающим радиус сердцевины, длину волны и коэффициенты преломления сердцевины и оболочки, который носит название нормализованной частоты: V = (2pa/l) (nc - nоб)1/2. При достаточно высоких частотах (большое значение V) почти вся энергия поля концентрируется внутри сердцевины световода, а с уменьшением частоты происходит перераспределение поля, и оно переходит в окружающее пространство. Частота f0, при которой в диапазоне f0 і f0 имеет место излучение поля в окружающее пространство, называется частотой отсечки. Чем дальше от нее f, тем быстрее "высвечивается" энергия из волокна.

Необходимо также отметить, что "вытекающие" моды (рис. 2) в свою очередь делятся на слабозатухающие и быстрозатухающие моды. В отличие от быстрозатухающих мод излучения, которые практически полностью затухают на трехметровом отрезке оптического волокна, слабозатухающие моды затухают сравнительно медленно и оказывают заметное влияние на измерения побочного излучения при длинах измеряемого отрезка кабелей до сотен метров. Например, в градиентных многомодовых волокнах с параболическим профилем около 25% распространяемой энергии может содержаться в слабовытекающих модах. Все вышесказанное рассматривалось относительно волоконного световода.

Если рассматривать оптический кабель, состоящий из нескольких оптических волокон, по которым передается конфиденциальная информация с разным грифом, то возникает еще один канал утечки информации за счет переходного затухания, обусловленного вытекающими модами. Доступ к оптическим волокнам кабеля для улучшения приема информации в оптическом диапазоне частот возможен за счет: механического воздействия; химического воздействия; воздействия облучения жесткими лучами. В заключение необходимо отметить, что при построении ВОСПИ для передачи конфиденциальной информации необходимо детально проанализировать условия эксплуатации, гриф информации, выбрать тип оптического кабеля, позволяющего осуществить защиту информации от возможной утечки за счет побочного излучения в оптическом диапазоне частот. Помимо конструктивных средств защиты информации можно использовать и активную защиту, в частности зашумление в оптическом диапазоне и квантовую криптографию.