Caracterização da sensibilidade de cabos de fibra óptica a vibrações acústicas

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7068 (2023) Citar este artigo

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A infraestrutura de fibra óptica 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 câmara anecóica para garantir condições estáveis ​​de pressão acústica na faixa de 20 Hz a 20 kHz. A resposta de frequência, a relação sinal-ruído por frequência e o Índice de Transmissão de Fala são avaliados para vários tipos de cabos de fibra óptica 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 utilizadas para transmissão de dados e não dados. Muitos grupos de investigação centram-se na protecção de infra-estruturas baseadas em fibra contra a escuta de dados, o que pode ser feito através de diversas técnicas1. Algumas transmissões de dados não são criptografadas e, mesmo que o sejam, existe um alto risco de que, num futuro próximo, esses dados sejam descriptografáveis ​​por computadores quânticos. Portanto, os temas quentes hoje são a criptografia quântica e a criptografia pós-quântica. Uma área relativamente inexplorada é a detecção de fibras ópticas para vibrações no espectro acústico e, portanto, audível.

Vibrações mecânicas e ruído acústico atuando na fibra óptica causam alterações na deformação e no índice de refração do núcleo da fibra. Estas alterações podem posteriormente ser detectadas por vários métodos e convertidas num sinal eléctrico seguido de reprodução acústica. Informações como o componente de áudio de uma videochamada, 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 óptica, 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 remontam à década de 1970, quando foram realizados os primeiros experimentos de detecção de som audível2,3,4. A detecção acústica tem sido recentemente uma área altamente estudada5,6,7 devido à segurança dos sistemas e redes de informação baseados em fibra óptica. As técnicas de detecção acústica podem ser divididas com base nos métodos utilizados.

Mudanças na deformação da fibra podem ser detectadas no retroespalhamento Rayleigh. A técnica de detecção acústica distribuída (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 ela 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 em nível de pico-deformação na fibra induzidas 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 do subcomprimento de onda formadas quando a fibra é estirada. Outras pesquisas estão focadas na tecnologia de reflectometria óptica no domínio do tempo sensível à fase (\(\Phi\)-OTDR)9.

Mudanças no índice de refração do núcleo da fibra causadas por vibrações mecânicas externas e ruído acústico levam a desvios Doppler das 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 no sinal elétrico . A mudança de frequência é detectável em um arranjo de interferômetros Fabry – Perot (FPI), Mach – Zehnder (MZI) ou Michelson (MI) formados por fibras ópticas com elementos ópticos necessários incluídos na configuração óptica.