Optical Chaotic Transmission Systems For Secure Data Communication

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.

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.