Caracterização da sensibilidade de cabos de fibra ótica a vibrações acústicas

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7068 (2023) Cite este artigo

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A infraestrutura de fibra ótica é essencial na transmissão de dados de todos os tipos, tanto para longas distâncias quanto para distâncias mais curtas nas cidades. As fibras ópticas também são preferidas para infraestruturas de dados dentro de edifícios, especialmente em organizações altamente seguras e instalações governamentais. Este artigo se concentra em uma medição de referência e análise da sensibilidade de cabos de fibra óptica a ondas acústicas. A medição foi realizada em uma câmara anecóica para garantir condições estáveis ​​de pressão acústica na faixa de 20 Hz a 20 kHz. A resposta em frequência, a relação sinal/ruído por frequência e o índice de transmissão de fala são avaliados para vários tipos de cabos de fibra ótica e diferentes forros, seguidos de sua comparação. A influência do meio de fixação do cabo também é estudada. Os resultados provam que a infraestrutura baseada em fibra óptica em edifícios pode ser explorada como um microfone sensível.

Hoje em dia, as fibras ópticas são cada vez mais usadas para transmissão de dados e não dados. Muitos grupos de pesquisa se concentram na proteção de infraestruturas baseadas em fibra contra espionagem de dados que pode ser feita por várias técnicas1. Algumas transmissões de dados não são criptografadas e, mesmo que sejam, existe um alto risco de que, em um futuro próximo, esses dados sejam descriptografados por computadores quânticos. Portanto, os tópicos atuais são a criptografia quântica e a criptografia pós-quântica. Uma área relativamente inexplorada é a detecção de fibra óptica para vibrações no espectro acústico, portanto, audível.

Vibrações mecânicas e ruído acústico atuando na fibra óptica causam mudanças na deformação e no índice de refração do núcleo da fibra. Essas alterações podem ser posteriormente detectadas por vários métodos e convertidas em um sinal elétrico seguido de reprodução acústica. Informações como o componente de áudio de uma chamada de vídeo, uma conversa entre pessoas em uma sala ou uma ligação telefônica podem ser interceptadas antes mesmo de serem convertidas em formato digital e criptografadas. Assim, as infraestruturas de fibra ótica, principalmente no interior de edifícios, podem ser utilizadas como microfones sensíveis, representando um risco de segurança significativo. As raízes da detecção acústica por fibra óptica datam da década de 1970, quando os primeiros experimentos de detecção de som audível foram realizados2,3,4. A detecção acústica tem sido recentemente uma área altamente estudada5,6,7 por causa da segurança de redes e sistemas de informação baseados em fibra óptica. As técnicas de detecção acústica podem ser divididas com base nos métodos utilizados.

Alterações na tensão da fibra podem ser detectadas na retrodifusão de Rayleigh. A técnica de sensoriamento acústico distribuído (DAS) utiliza esse efeito, onde um pulso de laser coerente é transmitido ao longo de uma fibra óptica8. Os pontos de dispersão na fibra fazem com que a fibra atue como um interferômetro distribuído. A intensidade da luz refletida é medida em função do tempo após a transmissão do pulso de laser. O DAS detecta assinaturas de nível de pico de tensão na fibra induzida por distúrbios vibroacústicos causados ​​por um evento próximo ao cabo óptico. Essas perturbações alteram o espalhamento no núcleo da fibra em escala molecular, originando-se das heterogeneidades de subcomprimento de onda formadas quando a fibra é estirada. Pesquisas adicionais estão focadas na tecnologia de Reflectometria óptica no domínio do tempo sensível à fase (\(\Phi\)-OTDR)9.

Alterações no índice de refração do núcleo da fibra causadas por vibrações mecânicas externas e ruído acústico levam a desvios Doppler de ondas de luz que viajam através de uma fibra óptica. Esse fenômeno pode ser explicado como um efeito Doppler em um guia de ondas flexível e expansível10. A frequência induzida por Doppler ou mudança de fase de uma onda de luz em propagação é detectável em esquemas de interferômetros ópticos onde a fase de interferência instantânea no domínio do tempo é convertida em sinal elétrico11. A mudança de frequência é detectável em um arranjo de interferômetros Fabry-Perot (FPI), Mach-Zehnder (MZI) ou Michelson (MI) formado por fibras ópticas com os elementos ópticos necessários incluídos na configuração óptica.