音響振動に対する光ファイバーケーブルの感度の特性評価

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7068 (2023) この記事を引用

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光ファイバーのインフラストラクチャは、都市内の長距離および短距離の両方で、あらゆる種類のデータの伝送に不可欠です。 光ファイバーは、建物内のデータ インフラストラクチャ、特に安全性の高い組織や政府施設にも好まれています。 この論文は、音響波に対する光ファイバーケーブルの感度の参考測定と分析に焦点を当てています。 測定は無響室で行い、20 Hz ～ 20 kHz の範囲で安定した音圧条件を確保しました。 さまざまなタイプの光ファイバーケーブルとさまざまな天井タイルについて、周波数応答、周波数ごとの信号対雑音比、および音声伝送指数が評価され、その後比較されます。 ケーブルを固定する手段の影響も研究されています。 この結果は、建物内の光ファイバーベースのインフラストラクチャが高感度のマイクとして利用できることを証明しています。

現在、光ファイバーはデータ伝送と非データ伝送の両方に使用されることが多くなってきています。 多くの研究グループは、いくつかの技術を使用してデータ盗聴からファイバーベースのインフラストラクチャを保護することに焦点を当てています1。 一部のデータ送信は暗号化されておらず、たとえ暗号化されていたとしても、近い将来、これらのデータが量子コンピューターによって復号化される可能性が高くなります。 したがって、今日の注目のトピックは量子暗号化とポスト量子暗号化です。 比較的未開発の領域は、音響、つまり可聴スペクトルの振動を感知する光ファイバーです。

光ファイバに作用する機械的振動や音響ノイズにより、ファイバコアの歪みや屈折率が変化します。 これらの変化はその後、いくつかの方法で検出され、電気信号に変換され、その後音響再生が行われます。 ビデオ通話の音声コンポーネント、室内にいる人々の間の会話、または電話などの情報は、デジタル形式に変換され暗号化される前であっても傍受される可能性があります。 したがって、主に建物内の光ファイバー インフラストラクチャが高感度のマイクとして使用される可能性があり、重大なセキュリティ リスクが生じます。 光ファイバー音響センシングのルーツは、最初の可聴音センシング実験が実現された 1970 年代に遡ります2、3、4。 音響センシングは、光ファイバーベースの情報システムおよびネットワークのセキュリティのため、最近非常に研究されている分野です5、6、7。 音響センシング技術は、使用される方法に基づいて分類できます。

ファイバーひずみの変化はレイリー後方散乱で検出できます。 分散音響センシング技術 (DAS) はこの効果を利用しており、コヒーレントなレーザー パルスが光ファイバー 8 に沿って送信されます。 ファイバー内の散乱スポットにより、ファイバーは分散干渉計として機能します。 反射光の強度は、レーザーパルスを送信した後の時間の関数として測定されます。 DAS は、光ケーブル近くのイベントによって引き起こされる振動音響外乱によって引き起こされるファイバ内のピコひずみレベルのシグネチャを検出します。 これらの摂動は、ファイバーの線引き時に形成されるサブ波長の不均一性に起因して、ファイバーコア内の散乱を分子スケールで変化させます。 さらなる研究は、位相感応型光時間領域反射率測定法 (\(\Phi\)-OTDR) テクノロジーに焦点を当てています9。

外部の機械的振動や音響ノイズによって引き起こされるファイバ コアの屈折率の変化は、光ファイバを通過する光波のドップラー シフトを引き起こします。 この現象は、柔軟で拡張可能な導波管におけるドップラー効果として説明できます10。 伝播する光波のドップラー誘起周波数または位相シフトは、時間領域の瞬間的な干渉位相が電気信号に変換される光干渉計方式で検出可能です11。 周波数シフトは、光学セットアップに必要な光学素子を備えた光ファイバーで形成されたファブリー・ペロー (FPI)、マッハ・ツェンダー (MZI)、またはマイケルソン (MI) 干渉計の配置で検出できます。