Рабочее вещество для средства защиты от атак лазерного воздействия на волоконно-оптические системы с квантовым распределением ключей Российский патент 2024 года по МПК G02B6/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к области защиты волоконно-оптических систем с квантовым распределением ключей от мощного лазерного излучения, а также от атак с лазерным повреждением компонентов и "троянский конь".

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 (квантовой битовой последовательности), называется атакой.

Большинство систем КРК основано на использовании слабых оптических импульсов. Импульсы ослабляются до однофотонного уровня с помощью оптического аттенюатора. Среднее число фотонов в импульсах должно быть предустановлено и не превышать заданное значение. Предположение о неизменности среднего числа фотонов лежит в основе секретности вырабатываемого ключа.

Атаки с лазерным повреждением компонентов и "троянский конь" предназначены для реализации возможности утечки ключа за счет применения мощного лазерного излучения в случае воздействия на компоненты или в случае считывания информации с отраженного излучения от кодирующего элемента. Если в системе КРК не реализована система защиты, а, как известно, в квантовой криптографии канал связи не контролируется легитимными пользователями, то злоумышленник (перехватчик) имеет доступ к линии связи и может производить с ней любые манипуляции, благодаря которым безопасность такой системы будет нарушена, и ключ будет скомпрометирован.

Атака с лазерным повреждением направлена на увеличение пропускания аттенюатора, входящего в состав устройства, что ведет к увеличению среднего числа фотонов, передаваемых в импульсах. В результате, атака позволяет злоумышленнику узнать ключ и остаться незамеченным.

Существует ряд работ, в которых показана уязвимость систем КРК в результате атаки лазерного повреждения компонентов (Laser damage attack). В частности, в работе (A. Huang, R. Li, V. Egorov, S. Tchouragoulov, K. Kumar, and V. Makarov, «Laser-damage attack against optical attenuators in quantum key distribution)), Phys. Rev. Appl. 13, 034017, 2020) рассмотрена атака лазерного повреждения на четыре типа оптических аттенюаторов. Было показано, что аттенюатор на основе телескопической системы с диафрагмированным пучком является устойчивым к указанной атаке, но с ограничением на длительность и мощность лазерного излучения.

Так же существует ряд работ, в которых показана уязвимость систем КРК в результате атаки "троянский конь" (Trojan-horse attack). В одной из работ (М. Lu-camarini, I. Choi, M. В. Ward, J. F. Dynes, Z. L. Yuan, A. J. Shields «Practical Security Bounds Against the Trojan-Horse Attack in Quantum Key Distribution)) Physical Review X 5, 031030, 2015) говорится о максимальной средней мощности лазерного излучения, которую нарушитель может отправить в систему КРК и которая составляла ~ 12,8 Вт на длине волны 1550 нм.

Таким образом, задача создания защиты системы КРК при проведении атаки с лазерным повреждением элементов и атаки типа "троянский конь" является актуальной.

Устройства защиты от лазерного воздействия могут быть созданы с использованием разных физических принципов и механизмов работы.

Одним из таких физических принципов является эффект оптического разряда (fiber fuse effect), который представляет из себя катастрофическое развитие повреждения, возникающего при воздействии лазерного излучения на прозрачную среду (Davis Jr D. D., Mettler S. C, DiGiovanni D. J. Experimental data on the fiber fuse //27th Annual Boulder Damage Symposium: Laser-Induced Damage in Optical Materials: 1995. - SPIE, 1996, T. 2714, pp. 202-210).

Эффект оптического разряда - это явление, которое приводит к катастрофическому разрушению сердцевины оптического волокна. Данное явление наблюдается при мощности лазера порядка 3⋅10⁶ Вт/см² и может возникнуть при неправильной эксплуатации волокна, вследствие загрязнения волокна, а также из-за спонтанной инициации вследствие неправильной сварки и внутренних напряжений. Из-за этого явления могут быть разрушены многие километры оптических волноводов линий связи, что обуславливает создание устройств защиты от данного явления.

Известно устройство для защиты волоконно-оптических компонент от разрушения лазерным излучением (патент РФ №2561766, приоритет от 20.12.2013 г.). Варианты изобретения описывают конструкцию устройства типа оптического "предохранителя", защищающего волоконную линию от оптического разряда, который можно создать, используя принцип уменьшения интенсивности излучения в световоде-предохранителе за счет увеличения диаметра поля моды, либо используя механизм увеличения тепловых потерь, приводящий к охлаждению плазмы оптического разряда.

В первом варианте решение поставленной задачи обеспечивается за счет использования устройства, которое содержит специальный световод, имеющий сердцевину и, по меньшей мере, одну окружающую сердцевину оболочку, на некоторой его части указанный световод имеет изменяющуюся по длине площадь поперечного сечения сердцевины.

Во втором варианте решение поставленной задачи обеспечивается использованием устройства, которое содержит специальный световод, имеющий сердцевину и по меньшей мере одну окружающую сердцевину оболочку, причем по крайней мере на некотором участке указанного световода, в его сердцевине, имеется протяженная вдоль продольной оси световода полость. Данная полость может находиться в центре сердцевины указанного световода. К недостаткам описанного устройства следует относятся:

• сложная и дорогостоящая технология изготовления устройства;

• зависимость коэффициента пропускания от длины волоконной вставки (Д.Д. Бакуров, О.В. Иванов, М.А. Абельмас, Л.И. Гафурова «Расчет пропускания структуры на основе тейперированной вставки бессердцевинного оптического волокна» Компьютерная оптика и нанофотоника 2021, с. 13772).

Известно также устройство переключения оптической энергии (патент США №7162114, приоритет от 13.03.2003 г.), включающее

• оптический волновод, имеющий входную секцию и выходную секции, причем эти две секции образуют пару противоположных поверхностей, расположенные поперечно через оси указанных волноводных секций;

• тонкая, частично прозрачный пластинка из электропроводящего материала, расположенный между указанными противоположными поверхностями.

Слой материала между указанными противоположными поверхностями - это электропроводящий материал, который содержит агрегаты наночастиц, образующих плазму между указанными противоположными поверхностями, вследствии чего возникает явление оптического пробоя. При этом плазма повреждает указанные противоположные поверхности в достаточной степени, чтобы сделать указанные поверхности по существу непрозрачными для света, распространяющегося внутри указанного оптического волновода, чтобы предотвратить передачу такого света.

Другой вариант выполнения устройства предусматривает защиту от разрушительного действия оптического разряда (Fiber Fuse).

Слой проводящего материала предлагается выполнять из металла или сплава из двух металлов, в качестве которых могут быть выбраны алюминий, золото, никель, родий, серебро, хром.

Толщина слоя проводящего материала выбирается соразмерной с диаметром волокна и составляет для многомодовых волокон величину порядка 10 мкм. Для уменьшения потерь проходящего светового сигнала в нормальном режиме эксплуатации по обе стороны слоя проводящего материала могут наноситься просветляющие покрытия толщиной 0,15-0,35 мкм.

Известный защитный слой обладает рядом недостатков:

• сложность и высокая стоимость процесса подготовки поверхности волокон и нанесения разрушаемого слоя;

• основано на явление оптического пробоя прозрачного диэлектрика и является способом защиты от явления оптического разряда (Fiber Fuse) и не инициализирует разряд, следовательно, устройство не способно навредить оборудованию нарушителя, так как не будет возникать оптический разряд, который будет распространяться в его сторону.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом является:

1) расширение доступных веществ для применения в качестве состава для разрушаемого элемента в устройствах защиты,

2) упрощение процесса формирования разрушаемого элемента в устройстве защиты.

Для этого предлагается в качестве состава для разрушаемого элемента использовать вещество - художественную акриловую краску со следующим составом: краситель (цинковая пудра, сажа, алюминиевая пудра), вода, акрилат (пластик (РР)).

Предложенный состав обеспечивает искусственное инициирование оптического разряда при воздействии на него оптического излучения средней мощностью от 200 мВт.

При искусственном инициировании оптического разряда происходит плавление сердцевины оптического волокна, что препятствует квантовой передаче информации, независимо от коэффициента пропускания и от длины волны падающего излучения, а также от размеров (длины) устройства.

Разрушаемый элемента используется в устройстве защиты, варианты которого показаны на фиг. 1, 2.

Устройство состоит из двух коннекторов с ферулой, соединенных с помощью оптической розетки, на одном из которых сформирован разрушаемый элемент в виде слоя из предложенного состава. Срез ферулы может быть прямой (PC, фиг. 1) и наклонный (АРС, фиг. 2).

Состав, которым покрыт один из коннекторов, играет значительную роль в повреждении поверхности.

Технический результат достигается благодаря тому, что при воздействии оптического лазерного излучения со средней мощностью от 200 мВт и выше, предложенный состав действуют как центр поглощения оптического излучения, что нагревает окружающий материал выше температуры испарения, тем самым создается локальная горячая зона, из-за чего появляется плазматическая вспышка - оптический разряд. Благодаря оптическому разряду происходит плавление материала сердцевины волокна, поэтому излучение не может распространяться по волокну, что обеспечивает разрыв квантовой или волоконно-оптической линии связи. Данная вспышка распространяется только в сторону действия более мощного оптического излучения. Следовательно, данное устройство может выступать в качестве защиты от атак "троянский конь" и лазерного повреждения компонент, так как благодаря ему будет нарушена передача информации в CHcreMt RHR, а также устройство не повредит компоненты передатчика, если будет стоять на выходе в канал связи.

Процесс распространения оптического разряда схематически представлен на фиг. 3, изображающей продольное сечение световода, имеющего сердцевину 5 и окружающую ее оболочку 4. При распространении оптического разряда в волокне наблюдается светящаяся область 6, движущаяся по сердцевине световода навстречу мощному лазерному излучению. Направления распространения лазерного излучения и оптического разряда показаны на фиг. 3 стрелками. После прохождения оптическим разрядом участка оптического волокна в сердцевине его образуются полости-каверны, расположенные периодически, вдоль оси световода. Температура сердцевины световода в зоне оптического разряда достигает 5400 К (D.P. Hand and P.St.J.Russel, Solitary thermal shock waves and optical damage in optical fibers: the fiber fuse" Optics Letters 1988 Vol.13 No.9 p. 767-769). Скорость распространения оптического разряда зависит от мощности лазерного излучения.

Экспериментальное подтверждение описанного выше эффекта распространения оптического разряда было получено с использованием схемы, представленной на фиг. 4.

На фиг. 5 представлена зависимость средней оптической мощности, приходящей на приемник, от времени. После воздействия оптической мощностью Р_порог>200 мВт наблюдается увеличение коэффициента поглощения более чем на А>60 дБ.

Одной из важных характеристик разрушаемого элемента, обеспечивающих нормальную работу и эксплуатацию волоконно-оптической линии связи, является его оптический спектр пропускания.

Можно сформулировать следующее требование к сформированному разрушаемому элементу для устройства на фиг. 1, а именно: обеспечить пропускание не ниже 77% или потери не более 68,92 дБ/мм для рабочей длины волны (в рабочем диапазоне длин волн).

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена схема устройства защиты с использованием разрушаемого элемента, где цифрами обозначены:

1 - разрушаемый элемент на основе предложенного состава, инициирующий оптический разряд;

2 - оптическая розетка для соединения FC коннекторов;

3 - ферула FC коннектора с прямой полировкой PC.

На фиг. 2 приведена схема устройства защиты с использованием разрушаемого элемента, где цифрами обозначены:

1 - разрушаемый элемент на основе предложенного состава, инициирующий оптический разряд;

2 - оптическая розетка для соединения FC коннекторов;

3 - ферула FC коннектора с угловой полировкой PC;

На фиг. 3 показан процесс распространения оптического разряда в волоконном световоде, где цифрами обозначены:

4 - оболочка оптического волокна;

5 - сердцевина оптического волокна;

6 - оптический разряд.

На фиг. 4 показана экспериментальная схема проверки устройства? где цифрами обозначены:

7 - источник лазерного излучения;

8 - элемент искусственного инициирования оптического разряда;

9 - приемник оптического излучения;

На фиг. 5 показана зависимость мощности лазерного излучения от времени после распространения оптического разряда

На фиг. 6 показан оптический спектр пропускания устройства защиты.

Осуществление изобретения

Применение предложенного состава для разрушаемого элемента можно продемонстрировать на примере защитного устройства, показанного на фиг. 1 и использованного в волоконно-оптической системе связи с КРК.

Разрушаемый элемент представляет собой слой предложенного состава.

Для его формирования используется художественная акриловая краска со следующим составом: краситель, вода, акрилат (пластик (РР)), в частности, краска "Acrylic paint silver", производитель - Jiangsu Animal by Products (Китай), импортер и дистрибьютор в России - ООО "Ашан".

Образцы такой краски разного цвета широко продаются в России в тюбиках по 120 мл и обычно используются в художественных и оформительских работах. На фотографиях показан тюбик с краской, предложенной в качестве вещества для разрушающего элемента (см. фото в графической части).

В качестве предложенного вещества предпочтительно использовать акриловую краску черного и серебряного цветов, для которой в качестве красителя обычно применяются цинковая пудра, сажа или алюминиевая пудра.

Краска наносится вручную тонкой щеточной кистью на торец одного из волокна в коннекторе. Перед использованием краски необходимо провести контроль качества самой краски. Для этого необходимо проверить целостность упаковки, а также срок годности. Перед нанесением слоя поглощающей краски необходимо взболтать и выдавить на палитру. Капля краски на палитре должна быть не более 10 мм в диаметре, при этом краска должна иметь однородную структуру и цвет. Перед нанесением краски подготовка торцов коннекторов не требуется. Краска на кисти должна быть не более 5 мм в диаметре.

Краска наносится вручную кистью на сердцевину в один слой.

Для контроля правильного нанесения на торцы коннекторов слоя краски можно использовать волоконно-оптический микроскоп. После нанесения слой краски высушивается при комнатной температуре в течение 8-24 часов, а оптический соединение коннекторов собирается стандартным образом и устанавливается на выходе передатчика системы КРК.

Нанесенный описанным способом разрушаемый элемент после сформирования имеет толщину 150-350 мкм, обеспечивает пропускания -68,92 дБ/мм дБ/мм на длине волны 1550 нм и время реакции 15-20 мс, что вполне достаточно для защиты основных элементов системы связи.

После сформирования разрушаемого элемента целесообразно производить измерения оптического спектра пропускания. На фиг. 6 представлен оптический спектр пропускания защитного устройства с разрушаемым элементом из предложенного состава, полученный с помощью схемы описанной в работе (Ivan S. Sushchev, et.al.,"Practical security analysis against the Trojan-horse attacks on fiber-based phase-coding QKD system in the wide spectral range," Proc. SPIE 11868, 2021).

После этого система запускается в режим нормальной эксплуатации.

При попытке нарушителя применить извне мощное лазерное излучение в ходе реализации атаки с лазерным повреждением компонентов, или атаки типа "троянский конь" разрушаемый элемент инициирует оптический разряд, предохраняя, таким образом, систему.

На фиг. 5 показана зависимость мощности лазерного излучения от времени после распространения оптического разряда.

Для восстановления защитных свойств устройства необходимо удалить защитное устройство и восстановить разрушаемый элемент на новом оптическом коннекторе.

Регулировка толщины разрушаемого элемента с помощью юстировки коннекторов в оптическом соединении невозможна. Коннекторы должны быть в оптическом контакте друг с другом.

Таким образом, использование предложенного вещества:

1) расширяет выбор доступных веществ для применения в составе разрушаемого элемента в устройствах защиты,

2) позволяет упростить и снизить стоимость процесса формирования разрушаемого элемента в устройстве защиты.

Предлагаемое изобретение относится к области защиты волоконно-оптических систем с квантовым распределением ключей от мощного лазерного излучения, а также от атак с лазерным повреждением компонентов и "троянский конь". Художественная акриловая краска черного или серебряного цвета со следующим составом: краситель, вода, акрилат, применяется в качестве вещества для разрушаемого элемента в устройствах защиты от мощного лазерного излучения в системах с квантовым распределением ключей. Предложенный состав обеспечивает искусственное инициирование оптического разряда при воздействии на него оптического излучения средней мощностью от 200 мВт. При искусственном инициировании оптического разряда происходит плавление сердцевины оптического волокна, что препятствует квантовой передаче информации, независимо от коэффициента пропускания и от длины волны падающего излучения, а также от размеров устройства. Технический результат - расширение доступных веществ для применения в качестве состава для разрушаемого элемента в устройствах защиты, а также упрощение процесса формирования разрушаемого элемента в устройстве защиты. 8 ил.

Применение художественной акриловой краски черного или серебряного цвета со следующим составом: краситель, вода, акрилат, в качестве вещества для разрушаемого элемента в устройствах защиты от мощного лазерного излучения в системах с квантовым распределением ключей.