Caratterizzazione della sensibilità dei cavi in ​​fibra ottica alle vibrazioni acustiche

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7068 (2023) Citare questo articolo

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L'infrastruttura in fibra ottica è essenziale nella trasmissione di dati di ogni tipo, sia per le lunghe distanze che per le distanze più brevi nelle città. Le fibre ottiche sono preferite anche per le infrastrutture dati all'interno degli edifici, soprattutto nelle organizzazioni altamente protette e nelle strutture governative. Questo articolo si concentra su una misurazione di riferimento e sull'analisi della sensibilità dei cavi in ​​fibra ottica alle onde acustiche. La misurazione è stata effettuata in una camera anecoica per garantire condizioni stabili di pressione acustica nell'intervallo da 20 Hz a 20 kHz. La risposta in frequenza, il rapporto segnale-rumore per frequenza e l'indice di trasmissione vocale vengono valutati per vari tipi di cavi in ​​fibra ottica e diversi pannelli del controsoffitto, seguiti dal loro confronto. Viene inoltre studiata l'influenza dei mezzi di fissaggio del cavo. I risultati dimostrano che l’infrastruttura basata su fibra ottica negli edifici può essere sfruttata come un microfono sensibile.

Al giorno d'oggi, le fibre ottiche vengono utilizzate sempre più spesso sia per la trasmissione di dati che per quella non di dati. Molti gruppi di ricerca si concentrano sulla protezione delle infrastrutture basate sulla fibra contro l'intercettazione di dati che può essere effettuata con diverse tecniche1. Alcune trasmissioni di dati non sono crittografate e, anche se lo fossero, esiste un alto rischio che nel prossimo futuro questi dati possano essere decifrabili dai computer quantistici. Pertanto, i temi caldi oggi sono la crittografia quantistica e la crittografia post-quantistica. Un'area relativamente inesplorata è il rilevamento delle vibrazioni nello spettro acustico, quindi udibile, tramite fibra ottica.

Le vibrazioni meccaniche e il rumore acustico che agiscono sulla fibra ottica causano cambiamenti nella deformazione e nell'indice di rifrazione del nucleo della fibra. Questi cambiamenti possono successivamente essere rilevati con diversi metodi e convertiti in un segnale elettrico seguito dalla riproduzione acustica. Informazioni come la componente audio di una videochiamata, una conversazione tra persone in una stanza o una telefonata possono essere intercettate ancor prima di essere convertite in forma digitale e crittografate. Pertanto, le infrastrutture in fibra ottica, principalmente all’interno degli edifici, possono essere utilizzate come microfoni sensibili, ponendo un rischio significativo per la sicurezza. Le radici del rilevamento acustico in fibra ottica risalgono agli anni '70, quando furono realizzati i primi esperimenti di rilevamento del suono udibile2,3,4. Il rilevamento acustico è stato recentemente un settore altamente studiato5,6,7 a causa della sicurezza dei sistemi e delle reti informativi basati su fibra ottica. Le tecniche di rilevamento acustico possono essere suddivise in base ai metodi utilizzati.

I cambiamenti nella deformazione della fibra possono essere rilevati nella retrodiffusione di Rayleigh. La tecnica di rilevamento acustico distribuito (DAS) utilizza questo effetto, in cui un impulso laser coerente viene trasmesso lungo una fibra ottica8. I punti di dispersione nella fibra fanno sì che la fibra agisca come un interferometro distribuito. L'intensità della luce riflessa viene misurata in funzione del tempo dopo la trasmissione dell'impulso laser. DAS rileva le tracce a livello di pico-deformazione nella fibra indotte da disturbi vibroacustici causati da un evento vicino al cavo ottico. Queste perturbazioni modificano la dispersione nel nucleo della fibra su scala molecolare, originando dalle eterogeneità sub-lunghezza d'onda formate quando la fibra viene stirata. Ulteriori ricerche si concentrano sulla tecnologia di riflettometria ottica nel dominio del tempo sensibile alla fase (\(\Phi\)-OTDR)9.

I cambiamenti nell'indice di rifrazione del nucleo della fibra causati da vibrazioni meccaniche esterne e rumore acustico portano a spostamenti Doppler delle onde luminose che viaggiano attraverso una fibra ottica. Questo fenomeno può essere spiegato come un effetto Doppler in una guida d'onda flessibile ed espandibile10. La frequenza indotta dal Doppler o lo sfasamento di un'onda luminosa che si propaga è rilevabile in schemi di interferometri ottici in cui la fase di interferenza istantanea nel dominio del tempo viene convertita in segnale elettrico11. Lo spostamento di frequenza è rilevabile in una disposizione di interferometri Fabry-Perot (FPI), Mach-Zehnder (MZI) o Michelson (MI) formati da fibre ottiche con gli elementi ottici necessari inclusi nella configurazione ottica.