음향 진동에 대한 광섬유 케이블의 민감도 특성 분석

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7068(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

광섬유 인프라는 도시 내 장거리 및 단거리를 포함한 모든 종류의 데이터 전송에 필수적입니다. 광섬유는 건물 내부, 특히 보안이 철저한 조직 및 정부 시설의 데이터 인프라에도 선호됩니다. 본 논문은 광섬유 케이블의 음파 민감도에 대한 기준 측정 및 분석에 중점을 두고 있습니다. 20Hz ~ 20kHz 범위의 안정적인 음압 조건을 보장하기 위해 무향실에서 측정을 수행했습니다. 다양한 유형의 광섬유 케이블과 다양한 천장 타일에 대해 주파수 응답, 주파수 당 신호 대 잡음비 및 음성 전송 지수를 평가하고 비교합니다. 케이블 고정 수단의 영향도 연구됩니다. 결과는 건물의 광섬유 기반 인프라가 민감한 마이크로 활용될 수 있음을 입증합니다.

요즘에는 데이터 전송과 비데이터 전송 모두에 광섬유가 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 많은 연구 그룹은 여러 기술을 통해 수행할 수 있는 데이터 도청으로부터 광섬유 기반 인프라를 보호하는 데 중점을 둡니다1. 일부 데이터 전송은 암호화되지 않으며 암호화되어 있더라도 가까운 미래에 이러한 데이터가 양자 컴퓨터에 의해 해독될 위험이 높습니다. 그래서 오늘날 가장 뜨거운 화두는 양자암호화와 포스트양자암호화이다. 상대적으로 미개척 분야는 음향 진동, 즉 가청 스펙트럼을 감지하는 광섬유 감지입니다.

광섬유에 작용하는 기계적 진동과 음향 소음은 광섬유 코어의 변형률과 굴절률을 변화시킵니다. 이러한 변화는 이후 여러 가지 방법으로 감지될 수 있으며 전기 신호로 변환된 후 음향 재생이 가능합니다. 화상 통화의 오디오 구성 요소, 실내에 있는 사람들 간의 대화, 전화 통화 등의 정보는 디지털 형식으로 변환되어 암호화되기 전에도 가로챌 수 있습니다. 따라서 주로 건물 내부에 있는 광섬유 인프라는 민감한 마이크로 사용될 수 있어 심각한 보안 위험을 초래할 수 있습니다. 광섬유 음향 감지의 뿌리는 최초의 가청 소리 감지 실험이 실현된 1970년대로 거슬러 올라갑니다2,3,4. 음향 감지는 광섬유 기반 정보 시스템 및 네트워크의 보안으로 인해 최근 고도로 연구된 분야5,6,7였습니다. 음향 감지 기술은 사용되는 방법에 따라 구분될 수 있습니다.

Rayleigh 후방 산란을 통해 섬유 변형률 변화를 감지할 수 있습니다. 분산 음향 감지 기술(DAS)은 간섭성 레이저 펄스가 광섬유8를 따라 전송되는 이 효과를 사용합니다. 광섬유의 산란 지점으로 인해 광섬유는 분산 간섭계 역할을 합니다. 반사광의 강도는 레이저 펄스를 전송한 후 시간의 함수로 측정됩니다. DAS는 광케이블 근처의 이벤트로 인해 발생하는 진동음향 교란으로 인해 유발되는 광섬유의 피코 변형률 수준 시그니처를 감지합니다. 이러한 섭동은 섬유가 인발될 때 형성된 하위 파장 이질성에서 발생하는 분자 규모에서 섬유 코어의 산란을 변경합니다. 추가 연구는 위상 감지 광학 시간 영역 반사 측정(\(\Phi\)-OTDR) 기술9에 중점을 두고 있습니다.

외부의 기계적 진동과 음향 소음으로 인해 광섬유 코어의 굴절률이 변화하면 광섬유를 통과하는 광파의 도플러 편이가 발생합니다. 이 현상은 유연하고 확장 가능한 도파관10의 도플러 효과로 설명할 수 있습니다. 전파되는 광파의 도플러 유도 주파수 또는 위상 변이는 시간 영역의 순간 간섭 위상이 전기 신호로 변환되는 광학 간섭계 방식에서 감지할 수 있습니다. 주파수 편이는 광학 설정에 필요한 광학 요소가 포함된 광섬유로 형성된 Fabry-Perot(FPI), Mach-Zehnder(MZI) 또는 Michelson(MI) 간섭계 배열에서 감지할 수 있습니다.