光ファイバケーブルの音響振動に対する感度の特性評価

今日では、光ファイバは、データ伝送と非データ伝送の両方に使用されることが増えている。多くの研究グループは、いくつかの手法で実行できるデータ盗聴に対するファイバーベースのインフラストラクチャの保護に焦点を当てています。一部のデータ送信は暗号化されておらず、暗号化されていても、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解読可能になるリスクが高くなります。したがって、今日のホットトピックは、量子暗号化とポスト量子暗号化です。比較的未踏の領域は、音響、つまり可聴スペクトルの振動を光ファイバーで感知することです。

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光ファイバに作用する機械的振動と音響ノイズは、ファイバコアのひずみと屈折率の変化を引き起こします。これらの変化は、その後、いくつかの方法で検出し、電気信号に変換して音響再生を行うことができます。ビデオ通話の音声コンポーネント、部屋にいる人の間の会話、電話などの情報は、デジタル形式に変換されて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は、敏感なマイクとして使用でき、重大なセキュリティリスクをもたらします。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年代にさかのぼります。光ファイバ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に、音響センシングは最近、高度に研究された分野である。音響感知技法は、使用される方法に基づいて分割することができる。

ファイバーひずみ変化は、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、この効果を使用します。この効果では、コヒーレントなレーザーパルスが光ファイバーに沿って送信されます。ファイバ内の散乱スポットは、ファイバを分散干渉計として作用させる。反射光の強さは、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る。DASは、光ケーブルの近くのイベントによって引き起こされた振動音響障害によって引き起こされたファイバー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、ファイバーが引き出されたときに形成されるサブ波長の不均一性に起因する分子スケールでのファイバーコアの散乱を変化させます。さらなる研究は、位相感応性光学時間領域反射法に焦点を当てています (Φ-OTDR) テクノロジー。

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外部の機械的振動と音響ノイズによって引き起こされるファイバーコアの屈折率の変化は、光ファイバーを通過する光波のドップラーシフトにつながります。この現象は、柔軟で拡張可能な導波管のドップラー効果として説明できます。伝播する光波のドップラー誘発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のスキームで検出可能です。周波数シフトは、Fabry-Perot (FPI) 、Mach-Zehnder (MZI) 、またはMichelson (MI) 干渉計が光セットアップに含まれている必要な光学要素を備えた光ファイバーによって形成された配置で検出できます。

FPIは、点光学マイクの配置に非常によく使用されます。さまざまなFPIベースのマイク設計が利用可能であり、キャビティの長さと使用される材料の依存関係を比較できます。このようなマイクロフォンは、例えば1:4スプリッタを使用するマルチポイント検知にも使用することができる。

マルチモード-シングルモード-マルチモード (MSM) 構造と直接測定検出を使用して音響振動を検出する場合、FPIの特別な使用が可能です。センシング光ファイバに組み込まれたファイバブラッググレーティング (FBG) マイクロ構造は、2つ以上のFBGの間に光キャビティが形成されるFPIのミラーとして使用できます。FPI配置は、マイクやハイドロフォンとしての使用にも適しています。FPI配置に基づくいくつかの作業は、エチレンプロピレンジエンターポリマーフィルムとアルミニウム表面を使用し、セルロース三酢酸ダイアフラムをベースにした音声センシングに専念しています。FPIとの配置には、検出スキームのユニークな変形もあります。これには、レーザーフィードバック干渉計を使用した実験が含まれます。この実験では、センシングファイバーの屈折率の変化により、検出レーザーの光周波数が変化します。音響センシングのためのFPIベースの技術の重要な欠点は、光ファイバ上の1つのポイントのみまたは非常に少数のポイントで測定する可能性が限られていることです。他の欠点は、例えばFBGマイクロ構造を有する特別に改変されたファイバの必要性である。

音響センシングにMZIを使用する配置が使用されます。たとえば、特別なファイバーを再び必要とするマイクロファイバーMZIを使用したり、ガスタービンの音響監視に従来のファイバーを使用したりできます。また、MZIの感知アーム内のオープンキャビティおよびコリメータを音感知のために使用することも可能である。

MIの配置は、超音波を感知するハイドロフォンとしてだけでなく、可聴周波数のセンサーとしてもよく使用されます。地震振動の感知の実施と、海洋構造物の監視における使用の可能性も報告されています。MIのノイズ安定性の向上を扱う研究が行われていることも注目に値します。建物内の光ファイバーインフラストラクチャのスタートポロジは、MI配置を構築する機会を与えます。単一の光ファイバーは通常、中央の光スイッチを備えた部屋から端末装置を備えた部屋まで走っています。したがって、ファイバーはルート全体に沿って音響信号を感知でき、MI配置の測定アームとして接続できます。

この論文では、さまざまな種類の廊下によって導かれる光ファイバーを介して音響信号を検出できる実験的なMIを設定しました。私たちは、完全に無反響の実験室で定義された音響信号に対するこの配置の感度を測定することに焦点を合わせました。実験では、光ファイバーの位置や光ファイバーの種類など、音声明瞭度のレベルに関する検出された信号の品質に対するいくつかの要因の影響を調べました。取得された信号の特性を分析し、個々の測定値の周波数応答を比較し、信号対雑音比を調査しました。私たちの仕事では、音声伝達指数 (STI) も測定および評価します。これは、システムを通過した後の音声信号の予想される了解度を客観的に評価するための一般的な方法です。