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Ursini, Leonora (2009) Optical Chaotic Transmission Systems For Secure Data Communication. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

The optical chaos dynamics are investigated for obtaining the secure transmission of an information message. A detailed
numerical analysis of an optical chaotic transmission system, based on the synchronization of two chaotic lasers is presented. At the transmitter, the chaotic waveform is superposed on the information message; at the receiver, the message is recovered by subtracting the synchronized chaotic wave from the received signal. The aim is the investigation of the system performance for various configurations. Original
methods are also proposed for improving the performance. Finally, an experimental set-up of the chaotic transmission system has been implemented.

Abstract (italiano)

L'attività di Ricerca, presentata in questa Tesi, è stata parte del Progetto di Rilevante Interesse Nazionale (PRIN), finanziato dal Ministero dell'Università e della Ricerca, e intitolato ``Trasmissione in fibra ottica su portante ottica caotica'' (PRIN200509125), svolto in collaborazione fra le Università di Padova, Pavia e l'Aquila.

La protezione nel trasferimento delle informazioni è, da sempre, una delle caratterisctiche più richieste ai mezzi di comunicazione. I metodi sia crittografici che steganografici,
atti a garantire sicurezza agli utenti che scambiano in rete dati sensibili, costituiscono un grosso filone di ricerca.
Lo scopo di questa Tesi è dimostrare la comunicazione di un messaggio su un canale in fibra ottica, utilizzando una tecnica che si basa sul principio di sincronizzazione di una coppia di laser, operanti nel regime caotico. Il caos deterministico è un regime di alcuni sistemi dinamici non-lineari, che si caratterizza con evoluzioni irregolari, fortemente dipendenti dalle condizioni iniziali. Il regime caotico, nei laser, si manifesta con rapide ed apparentemente casuali oscillazioni della forma d'onda emessa.
Nello schema di trasmissione, il trasmettitore è costituito da un generatore di messaggi e da un laser caotico, detto master, che funge da portante ottica; il messaggio d'informazione da trasmettere è opportunamente sovrapposto all'emissione del master, realizzando uno schema di protezione di tipo steganografico. Al ricevitore, l'estrazione del messaggio si basa sulla disponibilità di un altro laser, detto slave, che generi un'identica forma d'onda
caotica (sincronizzazione), da sottrarre al segnale trasmesso. Perchè ciò sia possibile, data la forte dipendenza del caos dalle condizioni iniziali e dai valori dei parametri dei laser, è necessario disporre di una coppia di laser avente parametri molto simili. Questo fatto, aggiunto ad una efficiente mascheratura del messaggio, rende molto difficile la decodifica da parte di un ascoltatore non autorizzato.
L'efficacia di tale tecnica si basa sulla qualità della sincronizzazione, che può degradarsi, oltre che per una scelta non corretta dei due laser, anche per gli effetti distorsivi della
fibra ottica su cui si trasmette il segnale, come attenuazione, dispersione cromatica, effetti nonlineari e di polarizzazione, e dal rumore.

In questa Tesi, si è studiato, da un punto di vista teorico e numerico il sistema caotico su fibra ottica, analizzandone le prestazioni per varie configurazioni. Lo studio ha riguardato: la generazione del caos di un laser a semiconduttore, mediante retroriflessione del segnale con uno specchio esterno; l'analisi della sincronizzazione con un laser gemello; la modellizzazione del canale ottico; l'analisi delle prestazioni del sistema caotico per la steganografia di messaggi digitali.
Nella Tesi, sono anche presentati metodi originali per migliorare le prestazioni di sicurezza e recupero del messaggio. Infine, è stato implementato anche un dimostratore del sistema, in collaborazione con l'Università di Pavia.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Santagiustina, Marco
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 21 > Scuole per il 21simo ciclo > INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE > INGEGNERIA ELETTRONICA E DELLE TELECOMUNICAZIONI
Data di deposito della tesi:27 Gennaio 2009
Anno di Pubblicazione:Gennaio 2009
Parole chiave (italiano / inglese):optical fiber transmission, optical chaos
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-INF/02 Campi elettromagnetici
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione
Codice ID:1491
Depositato il:27 Gen 2009
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Bibliografia

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[1] S. H. Strogatz, Non Linear Dynamics and Chaos, Addison-Wesley, New York, 1994. Cerca con Google

[2] L. M. Pecora, T. L. Carroll, G. A. Johnson and D. J. Mar, Fundamentals of synchronization Cerca con Google

in chaotic systems, concepts, and applications, CODE 6343, J. of Chaos, Vol.7, No. 4, pp. Cerca con Google

520-543, 1997. Cerca con Google

[3] A. Argyris et al., Chaos-based communications at high bit-rates using commercial fiberoptic Cerca con Google

links, Nature, Vol. 438, pp. 343-346, 2005. Cerca con Google

[4] J. M. Liu, H. F. Chen and S. Tang, Optical-communication system based on chaos in semiconductor Cerca con Google

lasers, IEEE Tran. Circuit and Systems, Vol. 48, No. 12, pp. 1475-1483, 2002. Cerca con Google

[5] C. Mirasso, A. Sanchez-Diaz, P. Colet and P. Garcia-Fernandez, Synchronization of chaotic Cerca con Google

semiconductor lasers: application to encoded communication, IEEE Phot. Tech. Lett., 8, Cerca con Google

299-301, 1996. Cerca con Google

[6] M. San Miguel and R. Toral, Stochastic effects in physical systems in Instabilities and Cerca con Google

Nonequilibrium Structures, VI E, 2000, E. Tirapegui and W. Zelle Eds. (Kluwer Academic Cerca con Google

Publishers), 1997. Cerca con Google

[7] U. K¨uchler, E. Platen, Strong discrete time approximation of stochastic differential equations Cerca con Google

with time delay, J. Math. Comput. Simulation, Vol. 54, No. 54, pp. 189-205, 2000. Cerca con Google

[8] L. M. Pecora, T. L. Carroll, Synchronization in chaotic systems, Phys. Rev. Lett., 64, pp. Cerca con Google

821-824, 1990. Cerca con Google

[9] M. V. Lee, J. Paul, S. Sivaprakasam and K. A. Shore, Comparison of closed-loop and openloop Cerca con Google

feedback schemes of message decoding using chaotic laser diodes, Opt. Lett., Vol. 28, Cerca con Google

No. 22, pp. 2168-2170, 2003. Cerca con Google

127 Cerca con Google

[10] R. Vicente, T. Perez and C. R. Mirasso, Open- versus closed-loop performance of synchronized Cerca con Google

chaotic external-cavity semiconductor lasers, IEEE J. Quant. Electron., Vol. 38, No. Cerca con Google

9, pp. 1197-1204, 2002. Cerca con Google

[11] J. M. Liu, H. F. Chen, and S. Tang, Synchronized chaotic optical communications at high Cerca con Google

bit-rates, IEEE J. Quant. Electron., Vol. 38, No. 9, pp. 1184-1196, 2002. Cerca con Google

[12] A. S´anchez-Diaz, C. R. Mirasso, P. Colet and P. Garcia-Fern´andez, Encoded Gbit/s digital Cerca con Google

communications with synchronized chaotic cemiconductors lasers, IEEE J. Quant. Electron., Cerca con Google

Vol. 35, No. 3, pp. 292-297, 1999. Cerca con Google

[13] A. Argyris, D. Kanakidis, A. Bogris and D. Syvridis, Spectral synchronization in chaotic Cerca con Google

optical communication systems, IEEE J. Quant. Electron., Vol. 41, No. 6, pp. 892-897, Cerca con Google

2005. Cerca con Google

[14] V. Annovazzi-Lodi, C. Antonelli, G. Aromataris, M. Benedetti, M. Guglielmucci, Cerca con Google

A. Mecozzi, S. Merlo, M. Santagiustina, L. Ursini, Chaos Encrypted Optical Communication Cerca con Google

System, Fiber and Integrated Optics, Vol. 27, No.4, pp. 308-316, July 2008. Cerca con Google

[15] C. Kurtsiefer et al., A step towards global key distribution, Nature, Vol. 419, pp. 450, 2002. Cerca con Google

[16] D. Kanakidis, A. Argyris and D. Syvridis, Performance characterization of highbit- Cerca con Google

rate optical chaotic communication systems in a back-to-back configuration, IEEE Cerca con Google

J. Lightw. Tech., Vol. 21, No. 3, pp. 750-758, 2003. Cerca con Google

[17] Y. Liu and W. .K. S. Tang, Cryptanalysis of chaotic masking secure communication systems Cerca con Google

using an adaptive observer, IEEE Transaction on Circuits and Systems, Vol. 55, Cerca con Google

No. 11, pp. 1183-1187, 2008. Cerca con Google

[18] C. Zhou and C. H. Lai, Decoding information by following parameter modulation with Cerca con Google

parameter adaptive control, Phys. Rev. E, Vol. 59, No. 6, pp. 6629-6634, 1999. Cerca con Google

[19] G. P. Agrawal, Nonlinear fiber optics, Academic Press, 2001, ISBN 0-12-045143-3. Cerca con Google

[20] G. P. Agrawal, Fiber optics communication systems, Third Edition, J.Wiley& Sons, 2002, Cerca con Google

ISBN (el) 0-471-22114-7. Cerca con Google

[21] Y. Aoki, Properties of fiber Raman amplifiers and their applicability to digital optical Cerca con Google

communication system, J. Lightw. Tech., Vol. 6, No. 7, pp. 1225-1239, 1988. Cerca con Google

128 Cerca con Google

[22] A. Bogris, D. Kanakidis, A. Argyris and D. Syvridis, Performance characterization of Cerca con Google

a closed-loop chaotic communication system including fiber transmission in dispersion Cerca con Google

shifted fibers, IEEE J. Quant. Electron., Vol. 40, No. 9, pp. 1326-1335, 2004. Cerca con Google

[23] D. Kanakidis, A. Bogris, A. Argyris and D. Syvridis, Numerical Investigation of fiber Cerca con Google

transmission of a chaotic encrypted message using dispersion compensation schemes, IEEE Cerca con Google

J. Quant. Electron., Vol. 40, No. 9, pp. 1326-1335, September 2004. Cerca con Google

[24] F. Matera and M. Settembre Role of Q-factor and of time jitter in the performance evaluation Cerca con Google

of optically amplified transmission systems, IEEE J. Sel. Topics of Quant. Electron., Cerca con Google

Vol. 6, No. 2, pp. 308-316, 2000. Cerca con Google

[25] L. Ursini, M. Santagiustina, V. Annovazzi-Lodi, Enhancing Chaotic Communication Performances Cerca con Google

by Manchester Coding, IEEE Phot. Thech. Lett., Vol. 20, No. 6, pp. 401-403, Cerca con Google

2008. Cerca con Google

[26] W. Stallings, Digital signaling techniques, IEEE Communications Magazine, Vol. 22, Cerca con Google

No. 12, pp. 21-25, 1984. Cerca con Google

[27] A. Bogris, D. Kanakidis, A. Argyris and D. Syvridis, Influence of the decoding process Cerca con Google

of the performance of chaos encrypted optical communications systems, J. Lightw. Techn., Cerca con Google

Vol. 24, No. 1, pp. 335-341, 2006. Cerca con Google

[28] A. Bogris, K. E. Chlouverakis, A. Argyris and D. Syvridis, Enhancement of the encryption Cerca con Google

efficiency of chaotic communications based on all-optical feedback chaos generation Cerca con Google

by means of subcarriers modulation, Proceedings CLEO-Europe-IQEC, CH4-MON, June Cerca con Google

2007. Cerca con Google

[29] C. G. Someda, Electromagnetic Waves, Chapman & Hall, 1998, ISBN 0-412-57870-0. Cerca con Google

[30] R. Ulrich and A. Simon, Polarization optics of twisted single-mode fibers, Appl. Opt., Cerca con Google

Vol. 18, pp. 2241-2251, 1979. Cerca con Google

[31] J. P. Gordon and H. Kogelnik, PMD fundamentals: polarization mode dispersion in optical Cerca con Google

fibers, Proc. Nat. Academy of Science, Vol. 97, No. 9, pp. 4541-4550, Apr. 2000. Cerca con Google

[32] C. D. Poole and R. E. Wagner, Phenomenological approach to polarization dispersion in Cerca con Google

long single-mode fibres, Elect. Lett., Vol. 22, pp. 1029-1030, 1986. Cerca con Google

129 Cerca con Google

[33] C. D. Poole, J. H. Winters, and J. A. Nagel, Dynamical equation for polarization dispersion, Cerca con Google

Opt. Lett., Vol. 6, pp. 372-374, 1991. Cerca con Google

[34] G. J. Foschini and C. D. Poole, Statistical theory of polarization dispersion in single mode Cerca con Google

fibers, J. Lightw. Tech., Vol. 9, No. 11, pp. 1439-1456, 1991. Cerca con Google

[35] A. Galtarossa and C. R. Menyuk Eds., Polarization Mode Dispersion, New York: Springer, Cerca con Google

2005. Cerca con Google

[36] F. Curti, B. Daino, G. De Marchis and F. Matera, Statistical treatment of the evolution of Cerca con Google

the principal states of polarization, J. Lightw. Tech., Vol. 8, No. 8, pp. 1162-1166, 1990. Cerca con Google

[37] A. Galtarossa, L. Palmieri, A. Pizzinat, M. Schiano, and T. Tambosso, Measurement of Cerca con Google

local beat length and differential group delay in installed single-mode fibers, J. Lightw. Cerca con Google

Tech., Vol. 18, No. 10, pp. 1389-1394, 2000. Cerca con Google

[38] T. Heil et al, TE-TM dynamics in a semiconductor laser subject to polarization-rotated Cerca con Google

optical feedback, Phys. Rev. A 68, 033811, 2003. Cerca con Google

[39] D. W. Sukow et al, Two-field description of chaos synchronization in diode lasers with Cerca con Google

incoherent optical feedback and injection, Phys. Rev. A 72, 043818, 2005. Cerca con Google

[40] J. P. Gordon, Statistical Properties of Polarization Mode Dispersion, Proceedings of PMD Cerca con Google

Venice Summer School, 2002, Venice, Italy. Cerca con Google

[41] V. Annovazzi-Lodi, M. Benedetti, S. Merlo, and M. Norgia, Fiber optics set-up for chaotic Cerca con Google

cryptographic communications, Comptes Rendus de l’Academie des Sciences-Dossier de Cerca con Google

Physique, Vol. 6, pp. 623-631, 2004. Cerca con Google

[42] C. F. Lam Ed., Passive Optical Networks: principle and practice, Academic Press, ISBN- Cerca con Google

10: 0123738539, ISBN-13: 978-0123738530, 2007. Cerca con Google

[43] R. C. Jones, A new calculus for the treatment of optical systems, J. Opt. Soc. Am., Vol. 31, Cerca con Google

pp. 488-503, 1941. Cerca con Google

[44] G. G. Stokes, On the composition and resolution of streams of polarized light from different Cerca con Google

sources, Trans. Cambridge Phil. Soc., Vol.9, pp. 399, 1852. Cerca con Google

[45] H. Poincar´e, Th´eorie Math´ematique de la Lumi´ere, Paris: Guathiers-Villars, 1892, Vol. 2, Cerca con Google

Ch. 12. Cerca con Google

130 Cerca con Google

[46] P. K.Wai, C. R. Menyuk, Poalrization mode dispersion, decorrelation, and diffusion in optical Cerca con Google

fibers with randomly varying birefringence, J. Lightw. Tech., Vol. 14, No. 2, pp. 2577- Cerca con Google

2583, 1996. Cerca con Google

[47] A. Galtarossa, L. Palmieri, M. Santagiustina, L. Ursini, Polarized Backward Raman Amplification Cerca con Google

in Randomly Birefringent Fibers, J. Lightw. Tech., Vol. 24, No. 11, pp. 4055- Cerca con Google

4063, 2006. Cerca con Google

[48] E. Bettini, A. Galtarossa, L. Palmieri, M. Santagiustina, L. Schenato, L. Ursini, Polarized Cerca con Google

Backward Raman Amplification in Unidirectionally Spun Fibers, IEEE Phot. Tech. Lett., Cerca con Google

Vol. 20, No. 1, pp. 27-29, 2006. Cerca con Google

[49] A. Galtarossa, L. Palmieri, M. Santagiustina, L. Schenato, L. Ursini, Polarized Brillouin Cerca con Google

Amplification in Randomly Birefringent and Unidirectionally Spun Fibers, IEEE Cerca con Google

Phot. Tech. Lett., Vol. 28, No. 8, 2008. Cerca con Google

[50] L. Palmieri, M. Santagiustina, L. Schenato, L. Ursini, Stimulated Brillouin Scattering in Cerca con Google

Randomly Birefringent, Unidirectionally Spun Fibers, Tech. Digest Optical Fiber Conference Cerca con Google

’08, San Diego, CA, USA 24-28 February 2008, OWG1. Cerca con Google

[51] M. J. Li and D. A. Nolan, Fiber spin-profile designes for producing fibers with low Polarization Cerca con Google

Mode Dispersion, Opt. Lett., Vol. 23, No. 21, pp. 1959-1661, 1998. Cerca con Google

[52] L. Palmieri, Polarization properties of spun single-mode fibers, J. Lightw. Tech., Vol. 24, Cerca con Google

No. 11, pp. 40754088, 2006. Cerca con Google

[53] M. Fujiwara, J. Kani, H. Suzuki and K. Iwatsuki, Impact of Backreflection on Cerca con Google

Upstream Transmission in WDM Single-Fiber Loopback Access Networks, IEEE Cerca con Google

J. Lightw. Tech., Vol. 24, No. 2, pp. 740-745, 2006. Cerca con Google

[54] G. Toptchiyski, S. Kindt, K. Petermann, E. Hilliger, S. Diez and H. G. Weber, Cerca con Google

Time Domain Modeling of Semiconductor Optical Amplifiers for OTDM Applications, Cerca con Google

J. Lightw. Tech., Vol. 17, No. 12, pp. 2577-2583, 1999. Cerca con Google

[55] A. M. Melo and K. Petermann, Time Domain Amplified Spontaneous Emission Noise Cerca con Google

Model of Semiconductor Optical Amplifier, J. Lightw. Tech., Vol. 17, No. 12, pp. 2577- Cerca con Google

2583, 1999. Cerca con Google

131 Cerca con Google

[56] R. Brenot, J. G. Provost, O. Legouezigou, J. Landreau, F. Pommereau, F. Poingt, Cerca con Google

L. Legouezigou, E. Derouin, O. Drisse, B. Rousseau, F. Martin, F. Lelarge and G.H. Duan, Cerca con Google

High modulation bandwidth reflective SOA for optical access networks, Proceedings ECOC Cerca con Google

2007, paper We 08.6.6, Berlin, 2007. Cerca con Google

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