|
Руководитель Проекта: д.т.н., доцент, профессор кафедры линий связи и измерений в технике связи Бурдин А.В.
Исполнитель Проекта: аспирант кафедры линий связи и измерений в технике связи Пашин С.С.
Аннотация Проекта:
Проект посвящен разработке разработка научно-технических основ, методики реализации и практических рекомендаций по организации защищенного на физическом уровне канала передачи конфиденциальной информации на базе специализированного волоконно-оптического линейного тракта.
Основные результаты, полученные за два этапа выполнения Проекта:
1. Разработан математический аппарат для описания процессов распространения оптических сигналов в линейном тракте функционирующих
в маломодовом режиме волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) со специализированными многомодовыми волоконными световодами сегментов
"первая/последняя миля" мультигигабитных внутрикорпоративных сетей связи с организацией каналов передачи конфиденциальной информации (КИ),
защищенных на физическом уровне, за счет применения таких специализированных многомодовых оптических крипто-волокон (МОКВ).
2. Решена обратная задача оптимизации конструкции / профиля показателя преломления пары МОКВ шифратор/дешифратор и непосредственно их
физическая реализация, включая изготовление и экспериментальную апробацию опытных образцов строительных длин МОКВ. Разработана методика
моделирования профилей показателя преломления МОКВ с диаметром сердцевины 50 мкм, соответствующим диаметру сердцевины "традиционных"
телекоммуникационных многомодовых оптических волокон (ММ ОВ) категории ОМ2…ОМ4 ВОЛП структурированных кабельных систем (СКС),
выполняющих функции шифратора и дешифратора, для маломодового режима передачи оптического сигнала 12ю модовыми компонентами при возбуждении
когерентным источником оптического излучения через типовое разъемное соединение. Проведено моделирование серии образцов градиентных профилей
показателя преломления, содержащих в центре сердцевины дефект в виде пика или провала, которые обеспечивают значение дифференциальной модовой
задержки (ДМЗ) до 1500 пс/км и более.
3. Разработан оригинальный подход анализа перераспределения мощности между модовыми компонентами оптического сигнала на разъемном соединении ОВ,
позволяющий учитывать характер и степень загрязнения торцевой поверхности феррула коннектора сращиваемых ОВ, и на его основе - методика оценивания
базовых параметров волоконно-оптических разъемных соединений - вносимых потерь и коэффициента отражения - по результатам анализа фотографий торцов
феррул пары волоконно-оптических коннекторов соединения.
4. Разработана модель кусочно-регулярной волоконно-оптической линии передачи с многомодовыми ОВ, функционирующей в маломодовом режиме, дополненная,
в отличие от известных решений, возможностью учета влияния на условия ввода сигнала с выхода когерентного источника в ОВ линии состояния (с точки
зрения характера и степени загрязнения) торцевой поверхности феррул волоконно-оптических коннекторов, и на ее основе - модель канала передачи КИ,
защищенного на физическом уровне, реализуемого на базе ВОЛП с МОКВ. Проведены теоретические исследования влияния деградации разъемных волоконно-оптических
соединений (характер и степень загрязнения торцевой поверхности феррула коннектора) на условия ввода оптического сигнала с выхода когерентного источника
излучения в МОКВ и, как результат, на искажения оптического импульса по распространении в линейном тракте ВОЛП с крипто-волокнами.
5. Изготовлены опытные образцы длин МОКВ. Проведены теоретические и экспериментальные исследования динамики оптических импульсов волоконно-оптических
систем передачи (ВОСП) спецификаций 10GBase-SX/LX как в одиночных МОКВ, выполняющих функции шифратора, так и дополненных МОКВ-дешифраторами.
Продемонстрирована потенциальная возможность реализации защищенных на физическом уровне каналов передачи КИ внутрикорпоративных подкластеров
сетей уровня "первая/последняя" миля на основе специализированного волоконно-оптического тракта, реализуемого с применением МОКВ, вносящих,
благодаря сильному проявлению ДМЗ, существенное искажение оптического импульса при распространении по МОКВ-шифратор и последующее восстановление
исходной формы его огибающей на выходе МОКВ-дешифратора. Определены пороговые длины ОКВ-шифратора для заданных спецификации ВОСП
(оптическая несущая, скорость передачи) и типа центрального дефекта, в пределах которых осуществляется процедура дешифрования маломодового
оптического сигнала в оптическом интерфейсе с помощью соответствующим образом специально подобранной формы профиля показателя преломления
ОКВ-дешифратора без проведения дополнительных мероприятий по электронной компенсации дисперсии (Q-фактор / коэффициент ошибок (BER)
соответствуют номинальному значению). Например, для ОКВ-шифратора с центральным пиком профиля для системы 10GBase-SX/LX эта длина
составляет 450/500 м, соответственно. На основании результатов проведенных экспериментальных исследований построена эмпирическая
диаграмма подбора параметров центрального дефекта профиля показателя преломления - относительного диаметра и относительной высоты/глубины пика/провала
с переходом к интегральному параметру, представляющему собой отношение диаметра дефекта к его высоте/провалу - как для прогноза достижения искомого
значения ДМЗ, так и для подбора пары МОКВ шифратор/дешифратор. Также проведенные исследования и полученные результаты позволили разработать концепцию
электронного дешифратора для вышеописанных внутрикорпоративных сетей передачи КИ, защищенных на физическом уровне с помощью МОКВ.
6. Выявлены два ключевых прогнозируемых фактора потенциального отклонения геометрии сердцевины изготовленного МОКВ от искомой формы: а) локальные
флуктуации показателя преломления и б) асимметричная эллиптичность поперечного сечения сердцевины. Получены эмпирические коэффициенты, описывающие
локальные искажения профиля показателя преломления и параметры некруглости сердцевины исследуемого ОВ. Результаты проведенных исследований показали,
что, несимметричная эллиптичность геометрии сердцевины реальных изготовленных образцов МОКВ приводит к отклонению значений модовой задержки не более
0.1% относительно значений данного параметра для модельного осесимметричного ОВ, а по коэффициенту хроматической дисперсии - до 2.0 пс/(нм*км).
7. Разработаны практические рекомендации по реализации и эффективному функционированию, а также по проектированию и построению нового класса волоконно-оптических
линий передачи сегмента "первая/последняя миля" внутрикорпоративных сетей для организации каналов передачи КИ, защищенных на физическом уровне с помощью предлагаемых МОКВ,
в том числе:
- геометрические параметры МОКВ соответствуют категориям традиционных многомодовых ОВ, используемых на СКС: диаметр сердцевины 50 мкм, диаметр оболочки 125 мкм,
что позволяет использовать типовые технологические приемы монтажа МОКВ в оконечных устройствах коммутации с использованием полевых штатных комплектов, например, оконцевания и/или
сращивания (сварка, механические соединители) со стандартными телекоммуникационными ОВ;
- градиентный профиль показателя преломления МОКВ 50/125 должен содержать габаритный дефект в центре сердцевины в виде пика или провала: высота/глубина дефекта
должны составлять не менее 25% от высоты профиля; диаметр дефекта - не менее 10% от общего диаметра сердцевины, что обеспечивает в маломодовом режиме функционирования - 12-модовый
состав при возбуждении когерентным источником излучения - значение ДМЗ не менее 750 пс/км;
- в качестве шифратора (т.е. ОВ непосредственно в линейном тракте ВОЛП) целесообразно использовать МОКВ с центральным дефектом профиля показателя преломления в
виде габаритно пика, которые выгодно отличаются от ОВ с дефектом в виде провала профиля в центре сердцевины устойчивость характера и степени проявления ДМЗ к внешним механическим
воздействиям, неизбежно возникающих в процессе инсталляции и последующей эксплуатации волоконно-оптических кабелей подсистем СКС, а, соответственно, МОКВ с провалом профиля -
в волоконно-оптических модулях дешифраторов;
- применение в качестве шифратора МОКВ с дефектом профиля в виде пика частично снимает проблему "первой мили", поскольку именно в МОКВ с пиком ДМЗ проявляется
намного более интенсивно, чем в МОКВ с провалом - при одном и том же интегральном параметре центрального дефекта профиля это отличие составляет не менее, чем в 3 раза, соответственно,
искомый процесс разделения оптического сигнала начнется намного быстрее; вместе с тем выявленная проблема минимальной дистанции, на которой оптический сигнал еще не успевает сильно
исказиться за счет ДМЗ (в общем случае, до 50 м) что, в целом, может являться критичным для ВОЛП ряда подсистем СКС экстремально малой протяженности и требует включения на передающей
стороне либо волоконно-оптических модулей линии задержки, как вариант, с аналогичным МОКВ-шифратором, либо электронных модулей, вносящих соответствующие предыскажения.
По результатам проведенных в рамках выполнения 1го этапа Проекта исследований в течение 2019/2020 г. подготовлено для публикации в научных изданиях 6 статей,
из них на дату подачи отчета опубликовано 4), в том числе:
- журналы, включенные в перечень ВАК и входящие в БД РИНЦ - 3;
- журналы, входящие в международные системы цитирования Web of Science / Scopus - 3.
Методы и подходы, использованные при реализации Проекта:
1. Первая серия проведенных в рамках 1го этапа реализации проекта экспериментальных исследований была направлена на выявления характера и степени проявления дифференциальной
модовой задержки (ДМЗ) в отобранной партии протяженных промышленных образцов кварцевых могомодовых оптических волокон (ОВ) разных поколений (категорий ISO/IEC OM2...OM2+/OM3),
отличающихся геометрией технологического дефекта градиентного профиля в центре сердцевины ОВ, а также флуктуациями показателя преломления и локальными отклонениями формы профиля
реального ОВ от оптимальной градиентной. Как и ожидалось, существенное проявление ДМЗ в многомодовом ОВ при возбуждении когерентным источником оптического излучения, формирующем
маломодовый режим передачи оптического сигнала, в первую очередь связано с наличием габаритного центрального дефекта профиля - "пика" либо "провала".
Согласно полученным результатам измерения импульсного отклика во временной области на выходе тестируемых ОВ, было выявлено, что ДМЗ проявляется сильнее в многомодовых ОВ с центральным
габаритным пиком профиля: для этих ОВ задержка между главным и наиболее удаленным периферийным максимумом импульсного отклика отличается от волокон с центральным провалом практически в 1.5…2 раза
(а в отдельных случаях и больше) при одной и той же длине тестируемого промышленного образца;
Полученные в ходе экспериментальных исследований результаты позволили были сформулировать следующие предварительные требования к конструкции многомодовых оптических крипто-волокон (МОКВ):
а) целесообразно, чтобы геометрические параметры МОКВ соответствовали категориям ISO/IEC традиционных телекоммуникационных многомодовых ОВ соединительных линий структурированных
кабельных систем (СКС): в частности, диаметр сердцевины 50 мкм, диаметр оболочки 125 мкм - очевидно, это позволит использовать типовые технологические приемы монтажа ОКВ в оконечных
устройствах коммутации с использованием полевых штатных комплектов, например, оконцевания и/или сращивания (сварка, механические соединители) со стандартными телекоммуникационными ОВ;
б) градиентный профиль показателя преломления ОКВ должен содержать габаритный дефект в центре сердцевины в виде пика или провала: высота/глубина дефекта должны составлять не менее 25% от
высоты профиля; диаметр дефекта - не менее 10% от общего диаметра сердцевины.
2. Для решения прямой задачи анализа МОКВ волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) сегментов "первая/последняя миля" мультигигабитных внутрикорпоративных сетей связи с организацией
каналов передачи конфиденциальной информации (КИ), защищенных на физическом уровне, для которых, как было выявлено в ходе проведенных экспериментальных исследований, геометрические
параметры должны соответствовать категориям ISO/IEC традиционных многомодовых ОВ 50/125, а профиль показателя преломления - содержать габаритный дефект в центре сердцевины в виде
пика или провала (не менее 25% по высоте/глубине от высоты профиля и не менее 10% от общего диаметра сердцевины), проведена адаптация ранее разработанной сформированной и
функционирующей научной школой ПГУТИ "Маломодовые технологии волоконной оптики и их приложения на сетях связи" модификации приближения Гаусса с обобщением на случай расчета
спектральных характеристик параметров передачи направляемых мод произвольного порядка, распространяющихся в слабонаправляющих ОВ с увеличенным диаметром сердцевины и произвольным
профилем показателя преломления сложной осесимметричной формы. Данный приближенный метод базируется на сочетании модификации приближения Гаусса, которой, в отличие от классического
подхода, решена задача перехода к аналитической форме интегральных выражений, содержащих функции Лагерра-Гаусса, описывающие радиальное распределение полей мод произвольных высших
порядков, и метода стратификации (используется для представления профиля показателя преломления в виде совокупности слоев, в пределах каждого из которых показатель преломления
остается постоянным - это, в частности, обеспечивает переход к воспроизведению профилей показателя преломления реальных промышленных образцов ОВ с высокой детализацией при решении
прямой задачи расчета параметров передачи модового состава).
Реализованная в рамках проекта адаптация указанного приближенного метода была направлена на расчет параметров передачи модового состава многомодовых ОВ с экстремально габаритным
дефектом градиентного профиля показателя преломления в центре сердцевины.
Основными преимуществами данного метода в приложении к задаче анализа ОВ с сильно увеличенным, по сравнению с одномодовыми ОВ, диаметром сердцевины и габаритным центральным дефектом
градиентного профиля показателя преломления, являются следующие:
а) универсальность (возможность анализа ОВ со сложной формой профиля показателя преломления - в частности, профиль с центральным габаритным дефектом может задаваться "послойно" с расчетом
значений показателя преломления в узлах путем представления модельной формы профиля с помощью гладких функций, либо непосредственно через данные протоколов измерения промышленных образцов,
выполненных с помощью соответствующего штатного лабораторного оборудования - например, анализаторов волоконных световодов (профилометров);
б) быстродействие при удовлетворительной погрешности вычислений, что достигается за аналитической формы записи вариационного выражения, характеристического уравнения, а также
первой и второй производных постоянной распространения (групповой скорости / модовой задержки и коэффициента хроматической дисперсии) в виде конечных вложенных сумм;
в) "автоматизированная" идентификация порядка моды и последующее сопоставление ей вычисленного значения постоянной распространения: здесь, в отличие от строгих и подавляющего
большинства известных приближенных методов, каждой направляемой моде соответствует свое одно индивидуальное характеристическое уравнение относительно нормированного эквивалентного
радиуса пятна моды и, соответственно, только одно свое вариационное выражение для постоянной распространения, записанные для конкретных значений азимутального l и радиального порядков m;
как результат - снимаются вопросы по однозначной идентификации моды, в отличие от сеточных и приближенных методов, а также проблемы, связанные с дополнительными вычислительными ресурсами
для поиска и устранение нефизических решений - выявление последних осуществляется с помощью двух введенных в рамках данного метода критериев: условия отсечки и критерия оптического
фактора ограничения.
Проведенная серия теоретических исследований модового состава многомодовых ОВ с габаритным технологическим дефектом профиля показателя преломления в центре сердцевины, а также последующий прогноз
возбуждения селективных мод при подключении когерентного источника излучения при разных условиях ввода сигнала и появление новых модовых составляющих за счет нерегулярности ОВ, а также различных
механических воздействий, приводящих к проявлению микро- и макро-изгибов ОВ, неизбежно возникающих на практике в процессе инсталляции и эксплуатации волоконно-оптического кабеля, позволила выявить,
что и для спецификаций LX (длина волны 1310 нм), и для спецификаций SX (длина волны 850 нм) лазерных источников (VCSEL / LD) штатных трансиверов волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) сегментов
внутрикорпоративных сетей "первая/последняя миля" только фактически только 12 направляемых мод до 3го азимутального и 3го радиального порядков включительно участвуют в переносе оптического сигнала
по таким многомодовым ОВ.
3. Проведена адаптация ранее разработанного сформированной и функционирующей научной школой ПГУТИ "Маломодовые технологии волоконной оптики и их приложения на сетях связи" подхода к построению
устройств для увеличения пропускной способности многомодовых ВОЛП, функционирующих в маломодовом режиме передачи оптических сигналов, непосредственно для моделирования МОКВ, отличающихся экстремально
габаритным дефектом профиля показателя преломления в центре сердцевины. Данный подход базируется на выборе параметров элементов конструкции устройства таким образом, чтобы обеспечивалось
воспроизведение заданной опорной диаграммы задержек отдельных направляемых мод, число и порядок которых непосредственно определяются исходным модовым составом излучения на выходе источника и
условиями ввода. В свою очередь, приложение описанного подхода для моделирования МОКВ ориентировано на оптимизацию специализированной формы профиля показателя преломления, обеспечивающей
воспроизведение искомой опорной (МОКВ-шифратор) либо реверсивной (МОКВ-дешифратор) диаграммы ДМЗ направляемых мод заданного порядка с решением прямой задачи расчета анализа ОВ на каждой итерации
оптимизации профиля с помощью разработанной адаптации модификации приближения Гаусса. Здесь целевая функция представляет собой сумму квадратов разности задержек мод заданного порядка относительно
опорного искомого значения задержки моды этого же порядка, а ее аргументы - массив значений локальной высоты профиля показателя преломления. Это позволяет получить оригинальную, существенно
отличную от простой степенной, форму градиентного профиля показателя преломления, которая, с одной стороны обеспечивает искомое воспроизведение диаграммы ДМЗ, и при этом, с другой стороны,
имеет достаточно сглаженный вид для обеспечения технической реализации возможности его записи в преформе с высокой детализацией штатными комплектами технологического оборудования линии полного
цикла производства строительных длин кварцевых ОВ, включающих установки для изготовления преформ кварцевых ОВ - например, на основе хорошо известных технологий осаждения из газовой фазы - MCVD или PCVD.
На основе проведенной вышеописанной адаптации, разработана методика моделирования профилей показателя преломления МОКВ с диаметром сердцевины 50 мкм, выполняющих функции шифратора и дешифратора,
для маломодового режима передачи оптического сигнала 12ю модовыми компонентами. Проведено моделирование градиентных профилей МОКВ с диаметром сердцевины 50 мкм, выполняющих функции шифратора и
дешифратора, где в качестве исходных данных, использовались, в том числе, протоколы измерений профилей показателя преломления реальных промышленных образцов многомодовых ОВ с габаритным
центральным дефектом профиля показателя преломления первого поколения категории ОМ2. Полученные в результате моделирования образцы градиентных профилей показателя преломления, содержащие
в центре сердцевины габаритный пик либо провал, обеспечивают значение ДМЗ до 1500 пс/км и более.
4. Проведена адаптация ранее разработанной научной школой ПГУТИ "Маломодовые технологии волоконной оптики и их приложения на сетях связи" модель кусочно-регулярной многомодовой ВОЛП,
функционирующей в маломодовом режиме на случай расчета динамики оптического импульса, возбуждаемого в многомодовом ОВ, отличающимся наличием габаритного технологического дефекта градиентного
профиля показателя преломления в центре сердцевины, когерентным источником оптического излучения, а также последовательным включением многомодовых ОВ с "противоположными" / "реверсивными"
дефектами профиля - "провал"/"пик". Указанная модель совместно учитывает исходный модовый состав оптического излучения на выходе когерентного источника, вводимого в ОВ линии, условия ввода
сигнала, проявление ДМЗ, хроматической дисперсии, в том числе на модах высших порядков, вариации геометрических параметров ОВ вдоль длины ВОЛП, а также наличие изгибов ОВ.
Проведено моделирование ВОЛП сегмента мультигигабитной внутрикорпоративной сети связи "первая/последня миля" с организацией каналов передачи КИ защищенных на физическом уровне,
выполнен расчет динамики огибающей оптического импульса ВОСП 10GBase-SX и 10GBase-LX как в одиночных МОКВ, выполняющих функции шифратора, так и дополненных МОКВ-дешифраторами,
а также показатели качества каналов связи - Q-фактор / коэффициент ошибок (BER). В качестве исходных данных использовались как отобранные протоколы измерений профилей показателя
преломления промышленных образцов многомодовых ОВ с габаритными центральными дефектами профиля показателя преломления, так и результаты оптимизации модельных профилей МОКВ.
Продемонстрирована потенциальная возможность возможностей реализации защищенных на физическом уровне каналов передачи КИ внутрикорпоративных подкластеров сетей уровня
"первая/последняя" миля на основе специализированного волоконно-оптического тракта, реализуемого с применением МОКВ, вносящих, благодаря сильному проявлению ДМЗ,
существенное искажение оптического импульса при распространении по МОКВ-шифратор и последующее восстановление исходной формы его огибающей на выходе МОКВ-дешифратора.
На основе проведенной серии теоретических исследований определены пороговые длины МОКВ-шифратора для заданных спецификации ВОСП (оптическая несущая, скорость передачи)
и типа центрального дефекта, в пределах которых осуществляется процедура дешифрования маломодового оптического сигнала в оптическом интерфейсе с помощью соответствующим
образом специально подобранной формы профиля показателя преломления МОКВ-дешифратора без проведения дополнительных мероприятий по электронной компенсации дисперсии
(Q-фактор / BER соответствуют нормированному значению). Так, для МОКВ-шифратора с центральным пиком профиля для системы 10GBase-SX/LX эта длина составляет 450/500 м,
соответственно. Выявлена проблема минимальной дистанции, на которой оптический сигнал еще не успевает сильно исказиться за счет ДМЗ (в общем случае, до 50 м) что,
в целом, может являться критичным для ВОЛП ряда подсистем СКС экстремально малой протяженности и требует включения на передающей стороне либо волоконно-оптических
модулей линии задержки, как вариант, с аналогичным МОКВ-шифратором, либо электронных модулей, вносящих соответствующие предыскажения.
5. Проведено теоретическое исследования влияния отклонения геометрических параметров МОКВ от оптимальных значений на отклонение искомой
степени и характера проявления ДМЗ, с точки зрения шифрования / дешифрования канала передачи КИ. Для этой цели предварительно было проанализировано
свыше 30 протоколов измерения профиля показателя преломления промышленных образцов многомодовых ОВ категорий ISO/IEC ОМ2 и ОМ2+/ОМ3, а также ряда
одномодовых ОВ действующих рекомендаций ITU-T (в частности, G.652, G.653 и G.655), выполненных штатным лабораторным оборудованием - анализатором
волоконных световодов (профилометром). Это позволило выявить два ключевых прогнозируемых фактора потенциального отклонения геометрии сердцевины
ОВ от искомой формы: а) локальные флуктуации показателя преломления и б) асимметричная эллиптичность поперечного сечения сердцевины.
В свою очередь, на основании результатов выполненного статистического анализа данных из указанных протоколов измерений были получены
эмпирические коэффициенты, описывающие локальные искажения профиля показателя преломления и параметры некруглости сердцевины исследуемого ОВ.
В частности, было подтверждено, что флуктуации показателя преломления хорошо описываются с помощью нормального закона распределения: локальное
математическое ожидание соответствует непосредственно локальному значению показателя преломления, в то время как дисперсия не превышает 5 10^-5.
Поэтому далее такие флуктуации рассматривались как "нормальные". В свою очередь, для имитации аномально "сильных" искажений профиля было предложено
увеличить дисперсию в 3 раза - т.е. до 15 10^-5. На следующем этапе с помощью ранее разработанной оригинальной методики была проведена реконструкция
3D-структуры одного из исследуемых образцов многомодовых ОВ с центральным дефектом профиля показателя преломления в виде провала. Здесь вариации
радиуса сердцевины относительно значений полярного угла выбирались также в соответствие с протоколами измерения профилей промышленных образцов ОВ,
пропорционально масштабированные на усредненный радиус сердцевины 25 мкм. Далее для каждой условной "четверти" радиального сечения также проводился
расчет спектральных характеристик ДМЗ с помощью модификации приближения Гаусса, а для всей восстановленной структуры - с помощью строгого сеточного
метода смешанных конечных элементов, адаптированного на случай анализа волоконных световодов с увеличенным диаметром сердцевины. Сопоставление
полученных результатов показало, что, несимметричная эллиптичность геометрии сердцевины реальных промышленных образцов ОВ приводит к отклонению
значений модовой задержки не более 0.1% относительно значений данного параметра для модельного осесимметричного ОВ, а по коэффициенту
хроматической дисперсии - до 2.0 пс/(нм*км). В свою очередь, сопоставление с результатами расчета, выполненными с помощью модификации
приближения Гаусса, показало расхождение со строгим сеточным методом в пределах 2.5 пс/км по ДМЗ.
6. Изготовлены опытные образцы длин МОКВ. Проведена серия измерений импульсных откликов как на выходе одиночных ОВ, так и последовательно
соединенных двух длин МОКВ, представляющих собой макет ВОЛП с парой МОКВ "шифратор"-"дешифратор". Экспериментально продемонстрированы
потенциальные возможности сильного искажения формы импульса ("шифрования" сигнала на физическом уровне) за счет проявления эффекта ДМЗ,
а также частичной компенсацией ДМЗ (что объясняется определенным разбросом протяженности этих ОВ, а также некоторым расхождением
параметров центральных дефектов - глубины / высоты и диаметров провала и пика) и, как результат, неполным восстановлением исходной
формы огибающей оптического сигнала ("дешифрование") путем последовательного соединения пары градиенных многомодовых ОВ с
габаритным центральным дефектом профиля показателя преломления, "обратным" первой длине ОВ - пик для провала / провал для пика.
Показано, что для полного восстановления исходной огибающей оптического сигнала требуется проведения определенных мероприятий по
подбору длин волокон пары с учетом отличия параметров дефекта профиля показателя преломления, либо изначального соответствия
параметров центральных дефектов этих ОВ. Это, в частности, непосредственно связано с ранее выявленным фактом более сильного
проявления ДМЗ многомодовых ОВ с центральным габаритным пиком профиля показателя преломления: для этих ОВ задержка между
главным и наиболее удаленным периферийным максимумом импульсного отклика отличается от волокон с центральным провалом
практически в 1.5…2 раза (а в отдельных случаях и больше) при одной и той же длине тестируемого промышленного образца.
Для подбора комбинации пар МОКВ "шифратор"-"дешифратор" предложено перейти от относительного диаметра и относительной
высоты/глубины пика/провала к одному интегральному параметру, представляющему собой отношение диаметра дефекта к его
высоте/провалу, который непосредственно связан с ДМЗ. На основании результатов проведенных экспериментальных исследований
построена эмпирическая диаграмма зависимости ДМЗ от указанного интегрального параметра, которая позволяет непосредственно
осуществить подбор пары МОКВ "шифратор"-"дешифратор" по габаритам центрального дефекта профиля и длин каждого из пары этих ОВ.
Проведены повторные экспериментальные измерения импульсного отклика макетной ВОЛП с МОКВ "шифратор"-"дешифратор", подбор параметров которых осуществлялся в соответствии с предложенной методикой по построенной эмпирической диаграмме: в частности, последовательное включение МОКВ с провалом профиля протяженностью 508 м при габаритах дефекта абсолютной глубине провала -0.0093, диаметре провала 6.80 мкм и, соответственно, указанном интегральном параметре провала -734.41 мкм и МОКВ с пиком профиля протяженностью 241 м при абсолютно высоте пика +0.0048, диаметре 6.17 мкм и, соответственно, интегральном параметре +1285.42. Тестировалось последовательное включение пары МОКВ при 4 разных комбинациях вх. и вых. коннекторов, 3 из 4 проведенных тестов продемонстрировали подавление ДМЗ, восстановление огибающей оптического импульса до искомой исходной квазигауссовой формы с увеличением длительности по уровню 0.5 до 1025 пс при исходной длительности 320 пс, что, очевидно потребует дополнительных мероприятий по компенсации дисперсионных искажений, например, с помощью штатных комплектов электронных модулей компенсации дисперсии.
Кроме того, выявлено, что ОВ с центральным дефектом профиля показателя преломления в виде пика являются менее чувствительными к внешним механическим воздействиям (изгибы, тяжение, кручение), с точки зрения стабильности результирующей формы импульсного отклика маломодового оптического сигнала на выходе волокна, в то время как для МОКВ с провалом при механических воздействиях наблюдается перераспределение амплитуд и задержек между периферийными пиками вплоть до изменения статуса главного максимума, форма отклика для ОВ с пиком остается практически неизменной даже в условиях существенных приложенных внешних механических воздействий. Это позволило сделать заключение, что в качестве шифратора (т.е. ОВ непосредственно в линейном тракте ВОЛП) целесообразно использовать МОКВ с центральным дефектом профиля показателя преломления в виде габаритно пика, а, соответственно, МОКВ с провалом профиля - в корпусированных волоконно-оптических модулях дешифраторов.
7. Предложена концепция электронного дешифратора ВОСП сегментов "первая/последняя миля" внутрикорпоративных сетей передачи КИ, защищенных на физическом уровне с помощью МОКВ, которая предполагает, что предварительно в служебном режиме обучения дешифратора используется известная последовательность, состоящая из нечетного числа символов, причем все символы, за исключением центрального являются "0", и только центральный - "1". Количество символов в обучающей последовательности определяется по искаженному импульсному отклику, предварительно измеренному на выходе МОКВ-шифратора линии, либо оценивается через известное значение ДМЗ. При этом осуществляется многократная посылка обучающей последовательности с накоплением и последующим усреднением. Далее в результате проведения соответствующей математической обработки формируется маска, которая записывается в модуль хранения дешифратора. Затем уже в штатном режиме функционирования после прохождения линии и преобразования в фотоприемном устройстве информационный сигнал поступает в модуль памяти, фиксирующий фрагмент этого сигнала с длительностью, аналогичной длительности обучающей последовательности, этот фрагмент информационного сигнала поступает в сумматор, где осуществляется вычитание опорного сигнала маски. Далее из обработанного фрагмента выделяется последний символ, номер которого поступает на решающее устройство. Одновременно в модуль памяти вновь дозагружается недостающий фрагмент сигнала с выхода фотоприемного устройства для достижения искомой длительности со сдвигом по временной шкале на один символ, таким образом, что предпоследний символ предыдущего фрагмента информационного сигнала становится последним символом, и в сумматоре осуществляется процедура вычитания опорного сигнала маски, последний символ поступает в решающее устройство, и далее описанная процедура снова повторяется.
8. Разработан оригинальный подход анализа перераспределения мощности между модовыми компонентами оптического сигнала на разъемном соединении ОВ, позволяющий учитывать характер и степень загрязнения торцевой поверхности феррула коннектора сращиваемых ОВ. Предложенное решение базируется на дискретном представления полей взаимодействующих мод, наложении соответствующей маски, учитывающей характер и степень загрязнения торца ОВ, на каждое из этих полей и последующем расчете коэффициентов связи между ними с помощью дискретного представления интеграла перекрытия полей в виде конечных вложенных сумм. На основании проведенной апробации описанного подхода и сопоставления результатов расчета коэффициентов связи мод в дискретном представлении полей с данными, полученными путем вычисления указанных величин с применением известных аналитических формул, сформулированы практические рекомендации по выбору границ области дискретного представления поля моды, величины шага дискретизации, который позволяет достичь компромисс между требованиями к вычислительным ресурсам и погрешностью расчета Разработанный подход в качестве исходных данных позволяет использовать непосредственно фотографии торцов феррул коннекторов анализируемого разъемного соединения, получаемые штатными полевыми комплектами видеодиагностики.
На основании предложенного подхода разработана методика представления загрязнения торцевой поверхности в виде искажений дискретизированного поля моды и далее - методики расчета вносимых потерь и коэффициента отражения на разъемном волоконно-оптическом соединении на основе анализа снимков торцов феррул волоконно-оптических коннекторов с использованием эквивалентного стыка для представления анализируемого соединения.
Разработана и апробирована экспериментальная установка для верификации методики анализа разъемного соединения ОВ по фотографиям торцов феррул волоконно-оптических коннекторов. Представлена программа проведения испытаний волоконно-оптических разъемных соединений, направленная на экспериментальные исследования влияния степени и характера загрязнения торца феррула волоконно-оптического коннектора на параметры стыка с использованием штатных комплектов видеодиагностики и проведением измерения действительного значения параметров передачи (вносимых потерь и коэффициента отражения) методом обратного рассеяния во временной области. с помощью оптического рефлектометра. Проведено тестирование по 42 разъемных соединения пар одномодовых и многомодовых ОВ, и последующая обработка результатов измерений, которая включала в себя сопоставление показаний рефлектометра и протокол тестирования на загрязнение зон торца феррула, выполненного оборудованием видеодиагностики.
Проведена верификация методик оценивания вносимых потерь и коэффициента отражения разъемного соединения ОВ на основе анализа снимка торца феррул волоконно-оптических коннекторов с использованием представления анализируемого разъемного соединения в виде эквивалентного стыка ОВ с введенным заданным прецизионным радиальным рассогласованием и дискретизацией полей взаимодействующих мод, с учетом искажения последних за счет загрязнения торца ОВ путем наложения соответствующим образом обработанного изображения феррула.
Эмпирически определены рекомендуемые значения параметров указанного эквивалентного стыка:
а) радиусы пятна мод обоих соединяемых ОВ выбираются одинаковыми и равным номинальному (например, для одномодовых ОВ -
основная мода LP01 - 4.60 мкм и вытекающая мода LP02 - 22.47 мкм - для оптической несущей 1310 нм);
б) координата границы "оболочка/феррул" принимается равной номинальному диаметру оболочки ОВ - 125 мкм;
в) введенное прецизионное осевое смещение эквивалентного стыка при анализе соединения одномодовых ОВ устанавливается
равным d=1.576 мкм при оценивании вносимых потерь и d=0 мкм при оценивании коэффициента отражения;
г) при оценивании коэффициента отражения необходимо учитывать возбуждение прямым потоком оптического излучения,
поступающего из "передающего" в "приемное" ОВ, как направляемых мод, так и вытекающих мод , и отраженным потоком -
направляемых мод в "передающем" ОВ с учетом соответствующих значений коэффициентов связи.
9. Разработана модель кусочно-регулярной волоконно-оптической линии передачи с многомодовыми ОВ, функционирующей в
маломодовом режиме, дополненная, в отличие от известных решений, возможностью учета влияния на условия ввода сигнала с
выхода когерентного источника в ОВ линии состояния (с точки зрения характера и степени загрязнения) торцевой поверхности
феррул волоконно-оптических коннекторов, и на ее основе - модель канала передачи КИ, защищенного на физическом уровне,
реализуемого на базе ВОЛП с МОКВ. Проведены теоретические исследования влияния деградации разъемных волоконно-оптических
соединений (характер и степень загрязнения торцевой поверхности феррула коннектора) на условия ввода оптического сигнала
с выхода когерентного источника излучения в МОКВ и, как результат, на искажения оптического импульса по распространении
в линейном тракте ВОЛП с крипто-волокнами.
Подтверждена необходимость контроля качества подготовки (очистки) торцов феррул волоконно-оптических коннекторов разъемных
соединений линейного тракта ВОЛП с многомодовыми ОВ, функционирующих в маломодовом режиме передачи сигналов мультигабитных
ВОСП, трансиверы которых оснащены когерентными источниками оптического излучения: здесь на передний план выходят не столько
вопросы, связанные с потенциально неприемлемо высокими вносимыми потерями, сколько дополнительные искажения оптического
сигнала, связанные с дополнительным перераспределением мощности на вводе, обусловленным "блокированием" отдельных областей
радиального распределения полей взаимодействующих мод. Характер и степень проявления искажения оптического импульса могут
существенно отличаться относительно случая "чистого" торца феррула: наблюдается как отличие по амплитуде, так и по положению
периферийных пиков импульсного отклика - в пределах исследованной модельной комбинированной ВОЛП длиной 1 км этот разброс мог
достигать до 0.5 и более по нормированной амплитуде и до 1 нс и более по задержке.
Тем не менее, сопоставление полученных в результате проведенного моделирования огибающих оптического импульса непосредственно
на выходе комбинированной ВОЛП показывает потенциальную возможность проведения процедур "шифрования" и "дешифрования"
оптического сигнала канала передачи КИ путем подбора соответствующей комбинации профилей показателя преломления пары МОКВ
"шифратор/дешифратор". Даже для экстремально сильно загрязненной торцевой поверхности феррула коннектора непосредственно
вблизи положения центра ОВ отмечается общий тренд компрессии искаженного импульса в квазигауссову форму, несмотря на то,
что он не смог восстановить исходную форму огибающей при прохождении МОКВ-"дешифратор". При этом даже для достаточно
существенно загрязненного ввода с формально "проваленными" тестами по всем трем зонам АВС феррула, сигнал на выходе ВОЛП,
формально, характеризуется квазигауссовой формой с увеличением дисперсии до 75.08 пс при значении этого же параметра для
ввода с "чистым" коннектором 70.80 пс.
Подготовленные статьи:
1. Bourdine A.V., Pashin S.S., Zaitseva E.S., Vasilets A.S., Antonov S.A. Fast and simple method for estimation of
the insertion loss at the connection of singlemode optical fibers with contaminated ferrule end faces // Proceedings
of SPIE. - 2020. - vol. 11516. - P. 115161O-1 - 115161O-11 (DOI: 10.1117/12.2566456).
2. Бурдин А.В., Пашин С.С. Оценка коэффициента отражения на разъемном соединении одномодовых оптических волокон по
результатам анализа фотографий торцевых поверхностей феррул коннекторов. - Труды учебных заведений связи. - 2020. -
т. 6, №4. - С. 16 - 27.
3. Bourdine A.V., Bylina М.V., Evtushenko A.S, Nikulina T.V., Pashin S.S., Zaitseva E.S. Selection of refractive
index profiles for couple combination of optical crypto-fibers // Proceedings of SPIE. - 2021. - vol. 11793. - P.
117930V-1 - 117930V-6 (DOI: 10.1117/12.2597495).
4. Bourdine A.V., Bylina М.V., Pashin S.S., Praporshchikov D.E., Zaitseva E.S. Method for estimation of reflection
on fiber optic connection based on ferrule end-face photo-image analysis// Proceedings of SPIE. - 2021. - vol.
11793. - P. 1179319-1 - 1179319-12 (DOI: 10.1117/12.2597068).
5. Пашин С.С. Исследование потенциальных возможностей оценивания коэффициента передачи основной моды на основе
анализа перекрытия радиального распределения полей в дискретном представлении. - Инфокоммуникационные технологии.
- 2021. - т.19, №4 (препринт).
6. Бурдин А.В., Пашин С.С. Исследование влияния деградации разъемных соединений линейного тракта ВОЛП с крипто-волокнами
на искажение оптических сигналов компактных мультигигабитных сетей передачи данных. - Труды учебных заведений связи.
- 2020. - т. 7, №4 (препринт).
Опубликованные тезисы докладов:
1. Бурдин А.В., Бурдин В.А., Губарева О.Ю., Дельмухаметов О.Р., Диязитдинова А.А., Пашин С.С. Исследование влияния
несимметричности геометрии промышленных образцов оптических крипто-волокон на дисперсионные параметры направляемых
мод // III Научный Форум "Телекоммуникации: Теория и Технологии" (ТТТ-2019). XVII Международная научно-техническая
конференция "Оптические технологии в телекоммуникациях" (ОТТ-2019): материалы конференции. Казань, 18 - 22 ноября
2022 г. - Казань, КНИТУ-КАИ, 2019. - Т.2. - С. 75 - 76.
2. Бурдин А.В., Пашин С.С. Исследование несимметричной эллиптичности поперечного сечения оптического крипто-волокна
на дисперсионные параметры направляемых мод XXVII Российская научная конференция профессорско-преподавательского
состава, научных сотрудников и аспирантов: материалы конференции. Самара, 27 - 31 января 2020 г. - Самара, ПГУТИ,
2020. - С. 88.
3. Бурдин А.В., Никулина Т.В., Пашин С.С. Апробация математической модели для расчета параметров передачи модового
состава волоконных световодов для дешифрования // В книге: XXVIII Российская научно-техническая конференция
профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов университета с приглашением ведущих
ученых и специалистов родственных вузов и организаций. Самара, 2021. С. 80-81.
4. Никулина Т.В., Пашин С.С. Метод оценки коэффициента связи с учетом загрязненной торцевой поверхности
одномодовых оптических волокон // VIII Молодежная международная научно-техническая конференция "Прикладная
электродинамика, фотоника и живые системы" (ПРЭФЖС- 2021). Казань, 2021. С. 297-298.
Участие в научных мероприятиях:
I Этап
1. III Научный Форум "Телекоммуникации: Теория и Технологии" (ТТТ-2019) XVII Международная научно-техническая
конференция "Оптические технологии в телекоммуникациях" (ОТТ-2019), Казань, КНИТУ-КАИ, 18 - 22 ноября 2019 г., секционные доклады:
- Исследование влияния несимметричности геометрии промышленных образцов оптических крипто-волокон на дисперсионные параметры направляемых мод (секционный).
- Простая методика расчета коэффициента передачи основной моды на стыках оптических волокон с загрязненной торцевой поверхностью сердцевины (секционный).
2. XXVII Российская научная конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, Самара, ПГУТИ, 27 - 31 января 2020 г., секционный доклад:
- Исследование несимметричной эллиптичности поперечного сечения оптического крипто-волокна на дисперсионные параметры направляемых мод (секционный)
3. X Международная научно-техническая и научно-методическая конференция "Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании" (АПИНО-2020),
г. Санкт-Петербург, СПбГУТ им. проф. Бонч-Бруевича", 26 - 27 февраля 2020 г.:
- Исследование влияния отклонения геометрии промышленных образцов оптических крипто-волокон относительно модельной формы на дисперсионные характеристики направляемых мод (секционный).
- Расчет коэффициентов связи мод на стыках оптических волокон с загрязненной торцевой поверхностью сердцевины (секционный).
II Этап
4. IV Научный Форум "Телекоммуникации: Теория и Технологии" (ТТТ-2020) XVIII Международная научно-техническая конференция "Оптические технологии в телекоммуникациях" (ОТТ-2020), Самара, ПГУТИ, 17 - 20 ноября 20120 г., секционные доклады:
- Анализ результатов оценки коэффициентов связи мод с учетом загрязнения торцевой поверхности одномодовых оптических волокон (секционный).
5. XXVIII Российская научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов университета с приглашением ведущих ученых и специалистов родственных вузов и организаций, г. Самара, ПГУТИ, 05-08 апреля 2021 года г.:
- Апробация математической модели для расчета параметров передачи модового состава волоконных световодов для дешифрования (секционный).
6. X Международная научно-техническая и научно-методическая конференция "Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании" (АПИНО-2021), г. Санкт-Петербург, СПбГУТ им. проф. Бонч-Бруевича", 24-25 февраля 2021 года:
- Разработка методики оценивания параметров передачи разъемного соединения одномодовых оптических волокон по результатам анализа фотографий торцевых поверхностей феррул коннекторов (секционный).
- Разработка методики подбора комбинации профилей показателя преломления пары оптических крипто-волокон для управления дифференциальной модовой задержкой (секционный).
7. VIII Молодежная международная научно-техническая конференция "Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы" (ПРЭФЖС- 2021). г. Казань, КНИТУ-КАИ, 8-10 апреля 2021, секционный доклад:
- Метод оценки коэффициента связи с учетом загрязненной торцевой поверхности одномодовых оптических волокон (секционный).
Бурдин Антон Владимирович, д.т.н., профессор
тел: (846) 339-11-00 (доб. 2372), e-mail: 
|
