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Licht als Träger geheimer Daten

Rasch wechselnde Polarisation / Weiterleitung mit Glasfasern

Von Rainer Scharf

Wenn große Datenmengen schnell übertragen werden sollen, geschieht dies zumeist mit Hilfe von Licht, das durch Glasfasern geschickt wird. Die Information steckt dabei in subtilen Änderungen der Intensität und der Frequenz des Lichtes. Im Prinzip könnte auch die Polarisation, also die Lage der Schwingungsebene, des Lichts genutzt werden. Es ist allerdings schwierig, durch Änderung der Polarisationsrichtung Daten zu übertragen. Auf dem Weg durch eine Glasfaser zum Empfänger wird die Polarisation nämlich oft in unvorhersehbarer Weise gestört. Doch sie läßt sich dazu verwenden, Nachrichten zu verschlüsseln, wie jetzt zwei Forscher aus den Vereinigten Staaten gezeigt haben.

Der Informationsgehalt eines Lichtsignals wird dadurch verschleiert, daß man die Polarisationsrichtung schnell und scheinbar völlig regellos verändert. Fängt ein Unbefugter das Licht auf, so nimmt er nur unregelmäßige Schwankungen der Intensität wahr. Ein Eingeweihter kann indes auf einfache Weise die in dem Licht enthaltene Information gewinnen, wenn er weiß, wie die Änderungen der Polarisationsrichtung zustande gekommen sind. Ein entsprechend präpariertes Licht haben Rajarshi Roy von der University of Maryland in College Park und sein Mitarbeiter Gregory van Wiggeren mit einem sogenannten Ringlaser erzeugt.

In einem Ringlaser wird das Licht nicht wie sonst üblich zwischen zwei Spiegeln festgehalten, sondern es durchläuft in einer Glasfaserschlaufe eine geschlossene Bahn. Angeregte Erbiumatome in der Glasfaser sorgen dafür, daß das Licht bei jedem Umlauf verstärkt wird. Zudem dreht die Glasfaser die Schwingungsrichtung des Lichtes, so daß sich dessen Polarisation bei jedem Umlauf in komplizierter, jedoch berechenbarer Weise ändert. Ein Teil des Lichtes entweicht schließlich über eine abzweigende Glasfaser. Die Forscher konnten dieser Laserstrahlung ein Signal aufprägen, indem sie die optischen Eigenschaften des Ringlasers mit einem sogenannten Phasenmodulator jeweils für einige Milliardstelsekunden änderten. Dies verursachte zusätzliche, charakteristische Änderungen der Polarisation, die allerdings für einen unbefugten Beobachter völlig in den unregelmäßigen Polarisationsänderungen der Ringlaserstrahlung untergingen.

Damit das aufgeprägte Signal wieder sichtbar wurde, haben die Wissenschaftler das Licht aufgeteilt. Ein Teil passierte einen Polarisationsfilter und traf auf eine Photodiode, mit der die unregelmäßig schwankende Intensität gemessen wurde. Der andere Teil durchlief ein zusätzliches Glasfaserstück sowie einige optische Filter, bevor er ebenfalls auf eine Photodiode traf. Mit dem Glasfaserstück und dem Filter konnte dieser Lichtstrahl zeitlich so weit verzögert und seine Polarisationsrichtung so verändert werden, als hätte dieses Licht einen zusätzlichen Umlauf im Ringlaser gemacht. Das hatte zur Folge, daß die beiden mit zeitlicher Verzögerung gemessenen Lichtintensitäten hervorragend miteinander übereinstimmten ("Physical Review Letters", Bd. 88, Nr. 097903). Sobald die Forscher allerdings den Phasenmodulator im Ringlaser einschalteten, war die Abstimmung augenblicklich gestört, und die beiden Lichtintensitäten waren völlig verschieden voneinander. Es ließ sich eindeutig erkennen, ob der Phasenmodulator angeschaltet war oder nicht. Auf diese Weise konnte ein der Laserstrahlung aufgeprägtes Signal sichtbar gemacht werden.

Die Forscher haben Übertragungsraten von 80 Megabit pro Sekunde erreicht, doch dies dürfte nicht die obere Grenze sein. Die Signale waren zwar nur für denjenigen sichtbar, der die Wirkung des benutzten Ringlasers auf das Licht kannte und neutralisieren konnte. Absolut "abhörsicher" ist dieses Verfahren indes nicht. Auch wenn keine Signale übermittelt wurden, schwankte die Lichtintensität und enthielt wertvolle Informationen über den Ringlaser. Die könnte ein Lauscher dazu nutzen, die nötige zeitliche Verzögerung des Lichtes und die richtige Einstellung der Filter herauszufinden, mit denen man das Signal wieder sichtbar machen kann. 
 
Frankfurter Allgemeine Zeitung, 06.03.2002, Nr. 55 / Seite N1

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