Caracterización de la sensibilidad de los cables de fibra óptica a las vibraciones acústicas

Hoy en día, las fibras ópticas se utilizan cada vez más para la transmisión de datos y no de datos. Muchos grupos de investigación se centran en la protección de infraestructuras basadas en fibra contra el espionaje de datos que puede realizarse mediante varias técnicas. Algunas transmisiones de datos no están encriptadas e incluso si lo están, existe un alto riesgo de que en un futuro próximo, estos datos sean descifrables por computadoras cuánticas. Por lo tanto, los temas candentes de hoy son el cifrado cuántico y el cifrado post-cuántico. Un área relativamente inexplorada es la detección de fibra óptica para vibraciones en el espectro acústico, por lo tanto, audible.

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Las vibraciones mecánicas y el ruido acústico que actúan sobre la fibra óptica provocan cambios en la tensión y el índice de refracción del núcleo de la fibra. Estos cambios pueden detectarse posteriormente por varios métodos y convertirse en una señal eléctrica seguida de reproducción acústica. La información, como el componente de audio de una videollamada, una conversación entre personas en una habitación o una llamada telefónica, puede interceptarse incluso antes de que se convierta en formato digital y se cifre. Por lo tanto, las infraestructuras de fibra óptica, principalmente dentro de edificios, pueden usarse como micrófonos sensibles, lo que representa un riesgo de seguridad significativo. Las raíces de la detección acústica de fibra óptica se remontan a la década de 1970, cuando se realizaron los primeros experimentos de detección de sonido audible. La detección acústica ha sido recientemente un área muy estudiada debido a la seguridad de los sistemas y redes de información basados en fibra óptica. Las técnicas de detección acústica se pueden dividir en función de los métodos utilizados.

Los cambios de deformación de la fibra se pueden detectar en retrodispersión Rayleigh. La técnica de detección acústica distribuida (DAS) usa este efecto, donde un pulso de láser coherente se transmite a lo largo de una fibra óptica. Los puntos de dispersión en la fibra hacen que la fibra actúe como un interferómetro distribuido. La intensidad de la luz reflejada se mide en función del tiempo después de transmitir el pulso de láser. DAS detecta las firmas de nivel de pico-tensión en la fibra inducida por las perturbaciones vibroacústicas causadas por un evento cerca del cable óptico. Estas perturbaciones cambian la dispersión en el núcleo de la fibra a escala molecular, originándose a partir de las heterogeneidades de sub-longitud de onda formadas cuando se extrae la fibra. La investigación adicional se centra en la reflectometría óptica sensible a la fase en el dominio del tiempo (Optical Time-Domain Reflectometry).Φ-Tecnología OTDR.

Los cambios en el índice de refracción del núcleo de la fibra causados por las vibraciones mecánicas externas y el ruido acústico conducen a desplazamientos Doppler de las ondas de luz que viajan a través de una fibra óptica. Este fenómeno puede explicarse como un efecto Doppler en una guía de ondas flexible y expandible. La frecuencia inducida por Doppler o el desplazamiento de fase de una onda de luz que se propaga es detectable en esquemas de interferómetros ópticos donde la fase de interferencia instantánea en el dominio del tiempo se convierte en la señal eléctrica. El desplazamiento de frecuencia es detectable en una disposición interferómetros Fabry-Perot (FPI), Mach-Zehnder (MZI) o Michelson (MI) formados por fibras ópticas con elementos ópticos necesarios incluidos en la configuración óptica.

El FPI se utiliza muy a menudo para la disposición de los micrófonos de punto óptico. Hay una variedad de diseños de micrófonos basados en FPI disponibles y se pueden comparar las dependencias de la longitud de la cavidad y los materiales utilizados. Dichos micrófonos también pueden usarse para detección multipunto, por ejemplo, usando un divisor 1:4.

Un uso especial del FPI es posible cuando se utiliza la estructura multimodal-singlemode multimodo (MSM) y la detección de medición directa para detectar vibraciones acústicas. Las microestructuras de rejilla de Bragg de fibra (FBG) incorporadas en la fibra óptica de detección pueden usarse como espejos para la FPI donde se forma una cavidad óptica entre dos o más FBG. La disposición de FPI es adecuada para el uso como micrófonos e hidrófonos también. Varios trabajos basados en la disposición de FPI se han dedicado a la detección de voz con película de terpolímero de etileno propileno dieno y la superficie de aluminio y se han basado en el diafragma de triacetato de celulosa. También hay variantes únicas de los esquemas de detección en la disposición con el FPI. Incluyen un experimento que utiliza un interferómetro de retroalimentación láser, donde los cambios del índice de refracción de la fibra de detección conducen a cambios de la frecuencia óptica del láser de detección. Una desventaja importante de las técnicas basadas en FPI para la detección acústica es la posibilidad limitada de medir en uno solo o en un número muy bajo de puntos en la fibra óptica. La otra desventaja es la necesidad de una fibra especialmente modificada, por ejemplo con microestructuras FBG.

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Se usan disposiciones que usan el MZI para la detección acústica, por ejemplo, es posible usar una microfibra MZI que de nuevo requiere una fibra especial, o usar fibras convencionales para el monitoreo acústico de turbinas de gas. También es posible utilizar la cavidad abierta y los colimadores en el brazo de detección del MZI para la detección de sonido.

Las disposiciones del MI se usan a menudo como hidrófonos que detectan ultrasonidos pero también como sensores para frecuencias audibles. También se han reportado implementaciones en la detección de vibraciones sísmicas, así como un posible uso en el monitoreo de estructuras marinas. También vale la pena señalar que se lleva a cabo una investigación que se ocupa de mejorar la estabilidad del ruido del MI. La topología en estrella de la infraestructura de fibra óptica dentro de los edificios brinda la oportunidad de construir la disposición de MI. Una sola fibra óptica generalmente se extiende desde la habitación con el interruptor óptico central a la habitación con una pieza de equipo terminal. De este modo, la fibra puede detectar señales acústicas a lo largo de todo su recorrido y puede conectarse como un brazo de medición de una disposición MI.

En este trabajo, configuramos un MI experimental que permite la detección de señales acústicas a través de una fibra óptica guiada por diferentes tipos de corredores. Nos enfocamos en medir la sensibilidad de esta disposición a las señales acústicas definidas en un laboratorio totalmente anecoico. Los experimentos examinaron la influencia de varios factores tales como la posición de la fibra óptica y los tipos de fibras ópticas en la calidad de la señal detectada con respecto a un nivel de inteligibilidad del habla. Se analizaron las propiedades de las señales adquiridas, se compararon las respuestas de frecuencia de las mediciones individuales y se investigaron las relaciones de señal a ruido. En nuestro trabajo, también medimos y evaluamos el Índice de Transmisión del Habla (STI), que es la forma predominante de evaluar objetivamente la inteligibilidad esperada de las señales de voz después de pasar por un sistema.