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Universidad Santo Tomás eBooks

Comunicaciones ópticas : Optics Communications

Crisman Martínez Barrera

Published Jan 1, 2020• 0 citations
Publisher

Abstract

Este artículo describe en una primera parte la historia de las comunicaciones ópticas, en segundo lugar el concepto de luz, en la tercera parte encontramos el láser que es una emisión estimulada de la Luz, posteriormente encontramos el sistema general de comunicaciones ópticas, además se incorporó la temática de comunicaciones cuánticas y finalmente encontramos el primer protocolo de intercambio de claves utilizando comunicaciones este tipo de comunicaciones.

DOI
10.15332/dt.inv.2020.01150

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Contribuciones a las comunicaciones ópticas en espacio libre: utilización de telescopios Cherenkov como receptores y corrección de Beam Wander en comunicaciones cuánticas

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Actualmente existe un consenso en que las comunicaciones opticas en espacio libre constituiran la proxima generacion de enlaces inalambricos de alta velocidad en varios escenarios estrategicos. Esta tesis se centra en los dos donde esta tecnologia puede producir un mayor impacto: comunicaciones interplanetarias y comunicaciones cuanticas. Consecuentemente, este trabajo esta estructurado en dos bloques. En el primero, se ofrece una propuesta novedosa relacionada con la utilizacion de telescopios Cherenkov como estaciones receptoras. Las senales que se recibiran en la Tierra desde sondas en espacio profundo en futuras implementaciones de comunicaciones opticas seran extremadamente debiles y se requeriran nuevas estaciones terrenas para dar soporte a estos enlaces. Esta tesis analiza la viabilidad de utilizar la tecnologia desarrollada para los telescopios de rayos gamma que constituiran el observatorio CTA (Cherenkov Telescope Array) en la implementacion de una nueva clase de estacion terrena receptora. Entre las principales ventajas que brindan estos telescopios se encuentran las mayores aperturas necesarias para superar las limitaciones de potencia que comparte la astronomia terrestre de rayos gamma y las comunicaciones opticas desde espacio profundo. Ademas, el elevado numero de grandes telescopios que se construiran para CTA hara posible reducir costes unitarios gracias a una produccion masiva. El segundo bloque de la tesis se enmarca en las comunicaciones cuanticas en espacio libre y en particular en la distribucion de clave cuantica (QKD), que se ha convertido en un nuevo paradigma en el campo de la seguridad de la informacion. Esta tecnica ofrece una forma teoricamente segura de comunicarse a traves de un canal inseguro gracias a que es posible detectar la presencia de un intruso. QKD ha demostrado ser una forma fiable de transmitir datos sensibles mediante fibra optica. Sin embargo, su alternativa no guiada tambien ofrece importantes ventajas, asi como nuevos retos. El mas importante es la necesidad de operar bajo una fuerte turbulencia atmosferica y altos niveles de ruido de fondo durante el dia. Para mitigar estos efectos normalmente se lleva a cabo un compromiso al disenar la optica del receptor, ya que un campo de vision estrecho mejora el rechazo al ruido de fondo, pero aumenta las perdidas relacionadas con las turbulencias y un campo de vision amplio produce el efecto opuesto. En este segundo bloque de la tesis se propone la utilizacion de un sistema de correccion de turbulencias para solucionar ambas limitaciones de forma simultanea, y se analizan y experimentan las distintas estrategias para llevar a cabo la implementacion e integracion con el sistema de QKD.

•Jun 22, 2015•1 citation

Optical communication based on coherence modulation and orbital angular momentum of light*

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Las redes ópticas con capacidades del orden de los terabits por segundo permiten brindar múltiples servicios a los usuarios, por lo cual se han convertido en la columna vertebral de los sistemas de telecomunicaciones modernos y deben garantizar y preservar la confidencialidad, disponibilidad e integridad de los datos, es decir, la seguridad, ya que soportan un gran flujo de información, en su mayoría de carácter personal y privado. En lo referente a la confidencialidad se ha encontrado que gran parte de los esquemas convencionales de cifrado pueden ser bastante vulnerables ante los avances en computación cuántica, en consecuencia se da la aparición de nuevos métodos y esquemas basados en las potencialidades del mundo cuántico. Con base al nuevo enfoque en la seguridad de los sistemas, este trabajo de investigación considera la descripción de un sistema de distribución de clave cuántica basado en la codificación en dos bases mutuamente imparciales utilizando la coherencia temporal de una fuente de luz, introduciendo un retardo óptico mayor que el tiempo de coherencia de la fuente, entre los trenes de ondas emitidos y los modos de momento angular orbital descritos por el término de fase , de modo que se logra una mayor capacidad de bits por fotón frente a esquemas convencionales y se obtiene una mayor resistencia contra los ataques por interceptación de canal por parte del sistema como se evidencia en los resultados obtenidos en simulación mediante el método de Montecarlo. Adicionalmente, se presentan los resultados experimentales asociados a algunos de los principales componentes del sistema de comunicación propuesto como punto de partida para una futura implementación. * Trabajo de maestría. ** Facultad de ingeniería Físico-Mecánicas. Escuela de Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones. Maestría en Ingeniería de Telecomunicaciones. Director: Ernesto Aguilera Bermúdez, Ph.D. en Ingeniería. Co-director: Yezid Torres Moreno, Dr. Óptica y procesamiento de

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Plataforma de simulación para lazos de sincronización optoelectrónicos con fase continua y conmutada en comunicaciones ópticas coherentes con difusión de fase óptica

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En este trabajo se presentan los principios de los lazos optoelectrónicos básicos para sincronización de fase óptica en comunicaciones coherentes ópticas clásicas, así como su aplicación a sistemas de comunicaciones cuánticas empleando estados coherentes débiles (WCS). Se abordan dos lazos de fase continua, el OPLL y el lazo de Costas convencional (LCC) adem´as del lazo de Costas con cuadraturas conmutadas (LCCC), mostrando ventajas y compromisos en su diseño. Con el fin de evaluar el desempeño de estos lazos desarrollamos una plataforma de simulación basándonos en el programa VPI Photonics Maker empleando para ésto parámetros de componentes comerciales. Así, mediante el uso de la plataforma desarrollada es posible mostrar la equivalencia en desempeño del LCCC con respecto al LCC y que el LCCC puede tener mejor desempeño que el LCC (si es diseñado adecuadamente) en la etapa de recepción de un sistema de comunicaciones cuánticas coherentes empleando WCS con difusión de fase óptica. Dado que las simulaciones se realizaron basándonos en componentes comerciales, es de esperarse que en la implementación práctica se obtengan resultados experimentales semejantes a los de la plataforma de simulación.

Revista Mexicana de Física•Jun 1, 2015•0 citations

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Distribución cuántica de claves criptográficas. Experimentos y tecnologías

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En esta tesis se presentan los resultados de una serie de experimentos opticos en los que se ejecutan algoritmos de comunicaciones cuanticas para realizar Distribucion Cuantica de Claves(DCC) criptograficas con estados coherentes de muy baja intensidad. Especificamente, se estudia la implementacion de esquemas practicos y robustos de DCC, con especial interes en sistemas basados en fibra optica. A diferencia de las comunicaciones por aire, este medio permite transmitir estados cuanticos con bajisimas atenuaciones y minimas perturbaciones externas, utilizando instrumental comercialmente disponible y de bajo costo, incluso para distancias de decenas de kilometros. Los protocolos de DCC estudiados codifican informacion clasica (bits) en estados cuanticos preparados sobre distintos grados de libertad discretos de sistemas fisicos. En el trabajo se exploran implementaciones que explotan la polarizacion y los modos temporales discretos de luz (time-bin). En ambos casos, fue necesario desarrollar y familiarizarse con tecnologias especificas para la preparacion, transmision y deteccion de dichos estados cuanticos. El problema de transmitir estados cuanticos en fibra de forma eficiente y robusta se ataco con dos estrategias. Por un lado, utilizando el grado de libertad de polarizacion y, por otro, modos temporales discretos de luz. En el primer caso, se codificaron los estados en el grado de libertad de polarizacion, que es facilmente accesible. Sin embargo, este es muy sensible a perturbaciones, por lo que para asegurar la robustez se incorporo un sistema de estabilizacion activa del Estado de Polarizacion(SOP, por su sigla en ingles). Con este esquema se implementaron dos variantes de un protocolo clasico de DCC, llamado BB84, utilizando la polarizacion de pulsos de luz para codificar los estados cuanticos. Esto requirio el desarrollo de una fuente de pulsos tenues de luz basada en un laser DFB en el rango de las telecomunicaciones, con un modulador de intensidad externo por electroabsorcion. Se diseno un sistema de estabilizacion de la polarizacion robusto que permite compensar de forma automatica las perturbaciones que genera la birrefringencia de la fibra sobre el estado de polarizacion. El sistema esta basado en controladores de polarizacion comerciales y electronica de control disenada especificamente, y puede ser adaptado facilmente a cualquier protocolo de comunicacion por fibra. En este sentido, se realizo una implementacion del protocolo BB84 y una variante llamada BB84E, que requiere la utilizacion de los seis estados de un conjunto completo de bases mutuamente no sesgadas para la polarizacion. En el segundo caso, se ensayo una codificacion mas sofisticada y resistente a perturbaciones, que implico enfrentar una serie de desafios tecnologicos, pero que se presenta como una alternativa practica y escalable en distancia de transmision y velocidad. Se propuso un esquema hibrido de DCC basado en un protocolo de referencia de fase distribuida con comunicacion bidireccional (Plug & Play), ambas tecnologias desarrolladas para trabajar especificamente en fibra optica, en un esquema con economia de recursos y distribucion tipo servidor-cliente. Asi, se obtuvo una configuracion en donde tanto el instrumental como las operaciones sobre los estados mas sensibles del protocolo se encuentran concentradas en una de las partes (servidor), mientras que los requerimientos sobre la otra parte involucrada en la comunicacion son minimos. Esta alternativa combina diferentes caracteristicas deseables en una implementacion practica de DCC, como la simplicidad y la robustez. El esquema propuesto codifica estados cuanticos en modos temporales discretos de luz. Esto requirio el desarrollo de dispositivos especificos para preparar y medir estos estados, basados en interferometros de fibra optica que no demanden estabilizacion activa. Otra de las premisas fue la independencia de funcionamiento del estado de polarizacion, que se logra a partir de la incorporacion de rotadores de Faraday en diferentes partes del esquema empleado. Por ultimo, debido al tipo de codificacion y al sistema de sincronizacion utilizados, este esquema es adaptable a tasas de transmision en el rango de los MHz. De los experimentos de DCC mencionados se desprenden una serie de desarrollos y pruebas de laboratorio adicionales, que son relevantes por si mismos. Entre ellos figuran la estabilizacion activa de interferometros de Mach-Zehnder en fibra y el estudio de esquemas experimentales alternativos para el protocolo hibrido de DCC propuesto. Tambien se puede destacar la puesta a punto de un prototipo autonomo de DCC en aire y su adaptacion para obtener un protocolo que distingue mezclas computables (pseudoaleatorias) de estados cuanticos. Este es un tema de interes para el procesamiento cuantico de la informacion en general. Las tecnicas abordadas y el know-how adquirido permiten entender y superar distintos problemas particulares de la utilizacion de estados cuanticos en comunicaciones por fibra optica. Ademas, estos desarrollos tienen la capacidad de ser empleados tanto en ensayos de DCC que excedan el ambito del laboratorio, como en un contexto mas amplio que permita implementar otros protocolos de comunicacion cuantica usando fibras opticas de telecomunicaciones como canal cuantico.

•Dec 10, 2018•0 citations

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•Apr 1, 2006•0 citations
Este artículo describe en una primera parte la historia de las comunicaciones ópticas, en segundo lugar el concepto de luz, en la tercera parte encontramos el láser que es una emisión estimulada de la Luz, posteriormente encontramos el sistema general de comunicaciones ópticas, además se incorporó la temática de comunicaciones cuánticas y finalmente encontramos el primer protocolo de intercambio de claves utilizando comunicaciones este tipo de comunicaciones.
Actualmente existe un consenso en que las comunicaciones opticas en espacio libre constituiran la proxima generacion de enlaces inalambricos de alta velocidad en varios escenarios estrategicos. Esta tesis se centra en los dos donde esta tecnologia puede producir un mayor impacto: comunicaciones interplanetarias y comunicaciones cuanticas. Consecuentemente, este trabajo esta estructurado en dos bloques. En el primero, se ofrece una propuesta novedosa relacionada con la utilizacion de telescopios Cherenkov como estaciones receptoras. Las senales que se recibiran en la Tierra desde sondas en espacio profundo en futuras implementaciones de comunicaciones opticas seran extremadamente debiles y se requeriran nuevas estaciones terrenas para dar soporte a estos enlaces. Esta tesis analiza la viabilidad de utilizar la tecnologia desarrollada para los telescopios de rayos gamma que constituiran el observatorio CTA (Cherenkov Telescope Array) en la implementacion de una nueva clase de estacion terrena receptora. Entre las principales ventajas que brindan estos telescopios se encuentran las mayores aperturas necesarias para superar las limitaciones de potencia que comparte la astronomia terrestre de rayos gamma y las comunicaciones opticas desde espacio profundo. Ademas, el elevado numero de grandes telescopios que se construiran para CTA hara posible reducir costes unitarios gracias a una produccion masiva. El segundo bloque de la tesis se enmarca en las comunicaciones cuanticas en espacio libre y en particular en la distribucion de clave cuantica (QKD), que se ha convertido en un nuevo paradigma en el campo de la seguridad de la informacion. Esta tecnica ofrece una forma teoricamente segura de comunicarse a traves de un canal inseguro gracias a que es posible detectar la presencia de un intruso. QKD ha demostrado ser una forma fiable de transmitir datos sensibles mediante fibra optica. Sin embargo, su alternativa no guiada tambien ofrece importantes ventajas, asi como nuevos retos. El mas importante es la necesidad de operar bajo una fuerte turbulencia atmosferica y altos niveles de ruido de fondo durante el dia. Para mitigar estos efectos normalmente se lleva a cabo un compromiso al disenar la optica del receptor, ya que un campo de vision estrecho mejora el rechazo al ruido de fondo, pero aumenta las perdidas relacionadas con las turbulencias y un campo de vision amplio produce el efecto opuesto. En este segundo bloque de la tesis se propone la utilizacion de un sistema de correccion de turbulencias para solucionar ambas limitaciones de forma simultanea, y se analizan y experimentan las distintas estrategias para llevar a cabo la implementacion e integracion con el sistema de QKD.
Las redes ópticas con capacidades del orden de los terabits por segundo permiten brindar múltiples servicios a los usuarios, por lo cual se han convertido en la columna vertebral de los sistemas de telecomunicaciones modernos y deben garantizar y preservar la confidencialidad, disponibilidad e integridad de los datos, es decir, la seguridad, ya que soportan un gran flujo de información, en su mayoría de carácter personal y privado. En lo referente a la confidencialidad se ha encontrado que gran parte de los esquemas convencionales de cifrado pueden ser bastante vulnerables ante los avances en computación cuántica, en consecuencia se da la aparición de nuevos métodos y esquemas basados en las potencialidades del mundo cuántico. Con base al nuevo enfoque en la seguridad de los sistemas, este trabajo de investigación considera la descripción de un sistema de distribución de clave cuántica basado en la codificación en dos bases mutuamente imparciales utilizando la coherencia temporal de una fuente de luz, introduciendo un retardo óptico mayor que el tiempo de coherencia de la fuente, entre los trenes de ondas emitidos y los modos de momento angular orbital descritos por el término de fase , de modo que se logra una mayor capacidad de bits por fotón frente a esquemas convencionales y se obtiene una mayor resistencia contra los ataques por interceptación de canal por parte del sistema como se evidencia en los resultados obtenidos en simulación mediante el método de Montecarlo. Adicionalmente, se presentan los resultados experimentales asociados a algunos de los principales componentes del sistema de comunicación propuesto como punto de partida para una futura implementación. * Trabajo de maestría. ** Facultad de ingeniería Físico-Mecánicas. Escuela de Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones. Maestría en Ingeniería de Telecomunicaciones. Director: Ernesto Aguilera Bermúdez, Ph.D. en Ingeniería. Co-director: Yezid Torres Moreno, Dr. Óptica y procesamiento de
En este trabajo se presentan los principios de los lazos optoelectrónicos básicos para sincronización de fase óptica en comunicaciones coherentes ópticas clásicas, así como su aplicación a sistemas de comunicaciones cuánticas empleando estados coherentes débiles (WCS). Se abordan dos lazos de fase continua, el OPLL y el lazo de Costas convencional (LCC) adem´as del lazo de Costas con cuadraturas conmutadas (LCCC), mostrando ventajas y compromisos en su diseño. Con el fin de evaluar el desempeño de estos lazos desarrollamos una plataforma de simulación basándonos en el programa VPI Photonics Maker empleando para ésto parámetros de componentes comerciales. Así, mediante el uso de la plataforma desarrollada es posible mostrar la equivalencia en desempeño del LCCC con respecto al LCC y que el LCCC puede tener mejor desempeño que el LCC (si es diseñado adecuadamente) en la etapa de recepción de un sistema de comunicaciones cuánticas coherentes empleando WCS con difusión de fase óptica. Dado que las simulaciones se realizaron basándonos en componentes comerciales, es de esperarse que en la implementación práctica se obtengan resultados experimentales semejantes a los de la plataforma de simulación.
En esta tesis se presentan los resultados de una serie de experimentos opticos en los que se ejecutan algoritmos de comunicaciones cuanticas para realizar Distribucion Cuantica de Claves(DCC) criptograficas con estados coherentes de muy baja intensidad. Especificamente, se estudia la implementacion de esquemas practicos y robustos de DCC, con especial interes en sistemas basados en fibra optica. A diferencia de las comunicaciones por aire, este medio permite transmitir estados cuanticos con bajisimas atenuaciones y minimas perturbaciones externas, utilizando instrumental comercialmente disponible y de bajo costo, incluso para distancias de decenas de kilometros. Los protocolos de DCC estudiados codifican informacion clasica (bits) en estados cuanticos preparados sobre distintos grados de libertad discretos de sistemas fisicos. En el trabajo se exploran implementaciones que explotan la polarizacion y los modos temporales discretos de luz (time-bin). En ambos casos, fue necesario desarrollar y familiarizarse con tecnologias especificas para la preparacion, transmision y deteccion de dichos estados cuanticos. El problema de transmitir estados cuanticos en fibra de forma eficiente y robusta se ataco con dos estrategias. Por un lado, utilizando el grado de libertad de polarizacion y, por otro, modos temporales discretos de luz. En el primer caso, se codificaron los estados en el grado de libertad de polarizacion, que es facilmente accesible. Sin embargo, este es muy sensible a perturbaciones, por lo que para asegurar la robustez se incorporo un sistema de estabilizacion activa del Estado de Polarizacion(SOP, por su sigla en ingles). Con este esquema se implementaron dos variantes de un protocolo clasico de DCC, llamado BB84, utilizando la polarizacion de pulsos de luz para codificar los estados cuanticos. Esto requirio el desarrollo de una fuente de pulsos tenues de luz basada en un laser DFB en el rango de las telecomunicaciones, con un modulador de intensidad externo por electroabsorcion. Se diseno un sistema de estabilizacion de la polarizacion robusto que permite compensar de forma automatica las perturbaciones que genera la birrefringencia de la fibra sobre el estado de polarizacion. El sistema esta basado en controladores de polarizacion comerciales y electronica de control disenada especificamente, y puede ser adaptado facilmente a cualquier protocolo de comunicacion por fibra. En este sentido, se realizo una implementacion del protocolo BB84 y una variante llamada BB84E, que requiere la utilizacion de los seis estados de un conjunto completo de bases mutuamente no sesgadas para la polarizacion. 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El esquema propuesto codifica estados cuanticos en modos temporales discretos de luz. Esto requirio el desarrollo de dispositivos especificos para preparar y medir estos estados, basados en interferometros de fibra optica que no demanden estabilizacion activa. Otra de las premisas fue la independencia de funcionamiento del estado de polarizacion, que se logra a partir de la incorporacion de rotadores de Faraday en diferentes partes del esquema empleado. Por ultimo, debido al tipo de codificacion y al sistema de sincronizacion utilizados, este esquema es adaptable a tasas de transmision en el rango de los MHz. De los experimentos de DCC mencionados se desprenden una serie de desarrollos y pruebas de laboratorio adicionales, que son relevantes por si mismos. Entre ellos figuran la estabilizacion activa de interferometros de Mach-Zehnder en fibra y el estudio de esquemas experimentales alternativos para el protocolo hibrido de DCC propuesto. Tambien se puede destacar la puesta a punto de un prototipo autonomo de DCC en aire y su adaptacion para obtener un protocolo que distingue mezclas computables (pseudoaleatorias) de estados cuanticos. Este es un tema de interes para el procesamiento cuantico de la informacion en general. Las tecnicas abordadas y el know-how adquirido permiten entender y superar distintos problemas particulares de la utilizacion de estados cuanticos en comunicaciones por fibra optica. Ademas, estos desarrollos tienen la capacidad de ser empleados tanto en ensayos de DCC que excedan el ambito del laboratorio, como en un contexto mas amplio que permita implementar otros protocolos de comunicacion cuantica usando fibras opticas de telecomunicaciones como canal cuantico.