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

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7068 (2023) Citer cet article

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L’infrastructure de fibre optique est essentielle à la transmission de données de toutes sortes, aussi bien sur de longues distances que sur de plus courtes distances en ville. Les fibres optiques sont également privilégiées pour les infrastructures de données à l'intérieur des bâtiments, en particulier dans les organisations hautement sécurisées et les installations gouvernementales. Cet article se concentre sur une mesure de référence et une analyse de la sensibilité des câbles à fibres optiques aux ondes acoustiques. La mesure a été effectuée dans une chambre anéchoïque pour garantir des conditions stables de pression acoustique dans la plage de 20 Hz à 20 kHz. La réponse en fréquence, le rapport signal/bruit par fréquence et l'indice de transmission de la parole sont évalués pour différents types de câbles à fibres optiques et différentes dalles de plafond, suivis de leur comparaison. L'influence du moyen de fixation du câble est également étudiée. Les résultats prouvent que l’infrastructure à base de fibre optique dans les bâtiments peut être exploitée comme microphone sensible.

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 basées sur la fibre optique contre l'écoute clandestine des données, qui peut être réalisée par plusieurs techniques1. Certaines transmissions de données ne sont pas cryptées et même si elles le sont, il existe un risque élevé que dans un avenir proche, ces données soient déchiffrables par les ordinateurs quantiques. Par conséquent, les sujets brûlants d’aujourd’hui sont le chiffrement quantique et le chiffrement post-quantique. Un domaine relativement inexploré est la détection par fibre optique des vibrations dans le spectre acoustique, donc audible.

Les vibrations mécaniques et le bruit acoustique agissant sur la fibre optique provoquent des modifications de la déformation et de 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 personnes présentes dans une pièce ou un appel téléphonique peuvent être interceptées avant même d’être converties sous forme numérique et cryptées. Ainsi, les infrastructures à fibre optique, principalement à l’intérieur des bâtiments, peuvent être utilisées comme microphones sensibles, posant un risque de sécurité important. Les racines de la détection acoustique par fibre optique remontent aux années 1970, lorsque les premières expériences de détection du son audible ont été réalisées2,3,4. La détection acoustique est récemment un domaine très étudié5,6,7 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.

Les changements de déformation des fibres peuvent être détectés par 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 optique8. Les points de diffusion dans la fibre font que la fibre agit comme un interféromètre distribué. L'intensité de la lumière réfléchie est mesurée en fonction du temps après la transmission de l'impulsion laser. Le DAS détecte les signatures au niveau des pico-déformations dans la fibre induites par les perturbations vibro-acoustiques provoquées par un événement à proximité du câble optique. Ces perturbations modifient la diffusion dans le cœur de la fibre à l'échelle moléculaire, provenant des hétérogénéités sub-longueur d'onde formées lors de l'étirage de la fibre. Des recherches plus approfondies se concentrent sur la technologie de réflectométrie optique dans le domaine temporel sensible à la phase (\(\Phi\)-OTDR)9.

Les modifications de l'indice de réfraction du cœur de la fibre provoquées par les vibrations mécaniques externes et le bruit acoustique entraînent des déplacements Doppler des ondes lumineuses traversant une fibre optique. Ce phénomène peut s'expliquer par un effet Doppler dans un guide d'ondes flexible et extensible10. La fréquence ou le déphasage induit par Doppler d'une onde lumineuse se propageant est détectable dans les schémas d'interféromètres optiques où la phase d'interférence instantanée dans le domaine temporel est convertie en signal électrique11. Le décalage de fréquence est détectable dans un agencement d'interféromètres Fabry – Perot (FPI), Mach – Zehnder (MZI) ou Michelson (MI) formés de fibres optiques avec les éléments optiques nécessaires inclus dans la configuration optique.