Caractérisation de la sensibilité des câbles à fibres optiques aux vibrations acoustiques

De nos jours, les fibres optiques sont de plus en plus souvent utilisées pour la transmission de données et de non-données. De nombreux groupes de recherche se concentrent sur la protection des infrastructures à base de fibre contre les écoutes de données qui peuvent être faites par plusieurs techniques. Certaines transmissions de données ne sont pas cryptées et même si elles le sont, il y a un risque élevé que dans un avenir proche, ces données soient déchiffrables par des ordinateurs quantiques. Par conséquent, les sujets d'actualité aujourd'hui sont le cryptage quantique et le cryptage post-quantique. Une zone relativement inexplorée est la détection par fibre optique des vibrations dans le spectre acoustique, donc audible.

Www.adsscable.cn (en)

Les vibrations mécaniques et le bruit acoustique agissant sur la fibre optique provoquent des changements dans la contrainte et l'indice de réfraction du cœur de la fibre. Ces changements peuvent ensuite être détectés par plusieurs méthodes et convertis en un signal électrique suivi d'une reproduction acoustique. Des informations telles que la composante audio d'un appel vidéo, une conversation entre des personnes dans une pièce ou un appel téléphonique peuvent être interceptées avant même d'être converties en forme numérique et cryptées. Ainsi, les infrastructures à fibre optique, principalement à l'intérieur des bâtiments, peuvent être utilisées comme microphones sensibles, ce qui pose un risque important pour la sécurité. Les racines de la détection acoustique à fibre optique remontent aux années 1970, lorsque les premières expériences de détection sonore audible ont été réalisées. La détection acoustique a récemment été un domaine très étudié en raison de la sécurité des systèmes et réseaux d'information basés sur la fibre optique. Les techniques de détection acoustique peuvent être divisées en fonction des méthodes utilisées.

Www.adsscable.cn (en)

Les changements de déformation des fibres peuvent être détectés dans la rétrodiffusion de Rayleigh. La technique de détection acoustique distribuée (DAS) utilise cet effet, où une impulsion laser cohérente est transmise le long d'une fibre optique. Les points de diffusion dans la fibre amènent la fibre à agir comme un interféromètre distribué. L'intensité de la lumière réfléchie est mesurée en fonction du temps après l'émission de l'impulsion laser. Le DAS détecte des signatures au niveau de la pico-contrainte dans la fibre induites par des perturbations vibro-acoustiques provoquées par un événement à proximité du câble optique. Ces perturbations modifient la diffusion dans le coeur de la fibre à une échelle moléculaire, provenant des hétérogénéités de sous-longueur d'onde formées lors de l'étirage de la fibre. D'autres recherches portent sur la réflectométrie optique temporelle sensible à la phase (Φ-Technologie OTDR.

Les variations de l'indice de réfraction du cœur de la fibre causées par des vibrations mécaniques externes et le bruit acoustique conduisent à des décalages Doppler des ondes lumineuses traversant une fibre optique. Ce phénomène peut être expliqué par un effet Doppler dans un guide d'onde flexible et extensible. La fréquence induite par Doppler ou le déphasage d'une onde lumineuse se propageant peuvent être détectés dans des schémas d'interféromètres optiques dans lesquels la phase d'interférence instantanée dans le domaine temporel est convertie en signal électrique. Le décalage de fréquence est détectable dans un agencement d'interféromètres de Fabry-Perot (FPI), de Mach-Zehnder (MZI) ou de Michelson (MI) formés par des fibres optiques avec les éléments optiques nécessaires inclus dans le montage optique.

Le FPI est très souvent utilisé pour la disposition des microphones point-optiques. Une variété de conceptions de microphone basées sur FPI sont disponibles et les dépendances de la longueur de la cavité et des matériaux utilisés peuvent être comparées. De tels microphones peuvent également être utilisés pour la détection multipoint, par exemple en utilisant un séparateur 1:4.

Une utilisation spéciale du FPI est possible lorsque la structure multimode-monomode-multimode (MSM) et la détection de mesure directe sont utilisées pour détecter les vibrations acoustiques. Des microstructures de réseau de Bragg à fibre (FBG) incorporées dans la fibre optique de détection peuvent être utilisées comme miroirs pour le FPI lorsqu'une cavité optique est formée entre deux ou plusieurs FBG. La disposition FPI convient également à l'utilisation en tant que microphones et hydrophones. Plusieurs travaux basés sur l'arrangement FPI ont été consacrés à la détection vocale avec un film de terpolymère d'éthylène propylène diène et la surface de l'aluminium et à base de diaphragme de triacétate de cellulose. Il existe également des variantes uniques des schémas de détection dans la disposition avec le FPI. Ils comprennent une expérience utilisant un interféromètre à rétroaction laser, où des changements de l'indice de réfraction de la fibre de détection conduisent à des changements de la fréquence optique du laser de détection. Un inconvénient important des techniques à base de FPI pour la détection acoustique est la possibilité limitée de mesurer en un seul ou très faible nombre de points sur la fibre optique. L'autre inconvénient est la nécessité d'une fibre spécialement modifiée, par exemple avec des microstructures FBG.Www.adsscable.cn (en)

Des dispositions utilisant le MZI pour la détection acoustique sont utilisées par exemple, il est possible d'utiliser des microfibres MZI qui nécessitent encore une fibre spéciale, ou d'utiliser des fibres classiques pour la surveillance acoustique de turbines à gaz. Il est également possible d'utiliser la cavité ouverte et les collimateurs dans le bras de détection du MZI pour la détection du son.

Les arrangements du MI sont souvent utilisés comme hydrophones de détection des ultrasons mais aussi comme capteurs pour les fréquences audibles. Des mises en œuvre dans la détection des vibrations sismiques ont également été rapportées ainsi que l'utilisation possible dans la surveillance des structures marines. Il convient également de noter que des recherches portant sur l'amélioration de la stabilité au bruit du MI sont menées. La topologie en étoile de l'infrastructure de fibre optique à l'intérieur des bâtiments donne la possibilité de construire l'arrangement MI. Une seule fibre optique va généralement de la pièce avec le commutateur optique central à la pièce avec un équipement terminal. La fibre peut ainsi détecter des signaux acoustiques tout au long de son parcours et peut être connectée en tant que bras de mesure d'un dispositif MI.

Dans cet article, nous avons mis en place un MI expérimental qui permet la détection de signaux acoustiques à travers une fibre optique guidée par différents types de couloirs. Nous nous sommes concentrés sur la mesure de la sensibilité de cet arrangement à des signaux acoustiques définis dans un laboratoire entièrement anéchoïque. Les expériences ont examiné l'influence de plusieurs facteurs tels que la position de fibre optique et les types de fibres optiques sur la qualité du signal détecté concernant un niveau d'intelligibilité de la parole. Les propriétés des signaux acquis ont été analysées, les réponses en fréquence des mesures individuelles ont été comparées et les rapports signal/bruit ont été étudiés. Dans notre travail, nous mesurons et évaluons également l'indice de transmission de la parole (STI), qui est la manière dominante d'évaluer objectivement l'intelligibilité attendue des signaux de parole après avoir traversé un système.