Sensori sismici sensibili basati sull'interferometria delle fibre a frequenza di microonde nei cavi utilizzati a livello commerciale

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14000 (2022) Citare questo articolo

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L’uso delle infrastrutture in fibra per il rilevamento ambientale sta attirando l’interesse globale, poiché le fibre ottiche emergono come piattaforme a basso costo e facilmente accessibili che presentano un ampio dispiegamento terrestre. Inoltre, le reti in fibra ottica offrono il vantaggio unico di fornire osservazioni di aree sottomarine, dove la scarsa esistenza di strumentazione sismica permanente a causa dei costi e delle difficoltà di implementazione limita la disponibilità di informazioni sottomarine ad alta risoluzione sui rischi naturali sia nel tempo che nello spazio. L’uso di tecniche ottiche che sfruttano l’infrastruttura in fibra preesistente può fornire in modo efficiente una copertura a risoluzione più elevata e aprire la strada all’identificazione della struttura dettagliata della Terra, in particolare sulle faglie sottomarine sismogeniche. La tecnica ottica prevalente da utilizzare nel rilevamento dei terremoti e nell'analisi strutturale è il rilevamento acustico distribuito (DAS) che offre elevata risoluzione spaziale e sensibilità, tuttavia ha un raggio limitato (< 100 km). In questo lavoro presentiamo una nuova tecnica che si basa sulla diffusione di una frequenza di microonde stabile lungo le fibre ottiche in una configurazione ad anello chiuso, formando così un interferometro sensibile alla deformazione. Chiamiamo la tecnica proposta Interferometro in fibra a frequenza di microonde (MFFI) e dimostriamo la sua sensibilità alla deformazione indotta da terremoti da moderati a grandi provenienti da epicentri locali o regionali. I segnali MFFI vengono confrontati con i segnali registrati dagli accelerometri dell'Osservatorio Nazionale di Atene, della Rete Sismica Nazionale dell'Istituto di Geodinamica e da un interrogatore DAS disponibile in commercio che opera in parallelo nella stessa posizione. È stato raggiunto e dimostrato un notevole accordo nel comportamento dinamico e nella stima della velocità di deformazione. Pertanto, l'MFFI emerge come una nuova tecnica nel campo dei sismometri a fibra che offre vantaggi critici rispetto ai costi di implementazione, alla massima portata e alla semplicità.

L'imaging dettagliato della struttura della Terra, comprese le zone di rottura attive, è di fondamentale importanza per la stima dei rischi naturali1,2,3. Sebbene siano stati compiuti progressi significativi per quanto riguarda lo studio delle proprietà sismiche e della pericolosità delle zone di faglia nelle aree terrestri4,5, la struttura delle faglie sottomarine sismogeniche spesso rimane scarsamente vincolata. Inoltre, le frane e le correnti di torbidità rappresentano rischi geologici significativi per le infrastrutture marine6,7. Queste aree geografiche di interesse non sono facilmente accessibili, spesso a distanza di centinaia di km dalla costa. Attualmente, l’unica soluzione praticabile per l’acquisizione dei dati sismici è l’uso di sismometri di fondale oceanico, che tuttavia pone ostacoli nel posizionamento e nel recupero8.

Negli ultimi dieci anni sono stati condotti molti studi che dimostrano che i cavi in fibra ottica nelle installazioni terrestri e, soprattutto, sottomarine, possono funzionare come sismometri distribuiti di elevata precisione fornendo la possibilità di telemetria e funzionamento continuo. Sebbene le fibre ottiche siano state progressivamente installate a partire dai primi anni ’80 per consentire la comunicazione a banda larga in tutto il mondo9,10, sorprendentemente, la sensibilità delle fibre ottiche alle vibrazioni meccaniche le trasforma in una potenziale piattaforma globale per il rilevamento e il monitoraggio di un’ampia gamma di effetti geofisici e ambientali. Lo sfruttamento di tali sensori in tutto il mondo consente applicazioni significative nei sistemi di allarme rapido e potrebbe anche fornire una grande quantità di dati per servire la scienza aperta negli studi geofisici e sui cambiamenti climatici. Tuttavia, un’implementazione massiccia richiede anche un metodo di misurazione ottica sensibile ed economicamente vantaggioso. La tecnica di rilevamento prevalente per rilevare eventi sismici e altri disturbi ambientali è il rilevamento acustico distribuito (DAS)11,12,13,14,15. DAS si basa sulla retrodiffusione di Rayleigh (RBS) della luce ed è in grado di rilevare e misurare le vibrazioni lungo la fibra nei domini di ampiezza, frequenza e fase16,17,18. Gli interrogatori DAS disponibili in commercio basati sulla demodulazione di fase possono offrire una risoluzione spaziale dell'ordine di 1 m, una copertura della distanza fino a circa 100 km con una deformazione massima e minima rilevabile di poche nanodeformazioni e inferiore19,20. I sistemi DAS sono stati utilizzati con successo nel rilevamento dei terremoti e nella caratterizzazione dettagliata della struttura delle faglie sottomarine21,22,23, dimostrando così che le fibre ottiche possono fornire una migliore visibilità in luoghi in cui l'accesso umano e l'installazione di strumentazione speciale sono impegnativi. Nonostante i suoi superbi meriti in termini di risoluzione spaziale e sensibilità nella misurazione della deformazione, DAS presenta limitazioni fondamentali a causa della sua intrinseca dipendenza da RBS. In particolare, lo svantaggio principale del DAS è che è molto sensibile alle riflessioni causate da connessioni non ideali tra diversi segmenti di fibra nelle implementazioni installate e generalmente non può funzionare oltre distanze di circa 50-100 km a causa del basso valore del rapporto segnale/rumore del segnale retrodiffuso20. Questo vincolo rende il DAS del tutto incompatibile con gli studi che cercano di sfruttare lunghi cavi transoceanici per le esplorazioni delle profondità oceaniche. Inoltre, al fine di migliorare la portata del DAS con l'uso di amplificazione distribuita, laser potenti e codifica24, dovrebbe essere preferibilmente implementato in fibre scure22, il che significa che nessun altro canale di comunicazione dovrebbe co-propagarsi nella fibra sotto interrogatorio, che non è conforme con i piani degli operatori di telecomunicazioni per la diffusione al 100% delle fibre installate. Infine, gli strumenti DAS, in quanto prodotti commerciali, sono piuttosto costosi (nell'ordine di 100 k$) rendendo inefficace il loro utilizzo massiccio in più collegamenti in fibra simultaneamente25.

100 km). Its main weakness is that it requires low-linewidth sub-Hz lasers which are expensive—of the same order of DAS systems in terms of cost—and complex devices and quite noisy in the low-frequency region, as a result of their sensitivity to the 1/f2 noise attributed to the random walk of laser's phase27,28. This technique could indeed emerge as a strong alternative to DAS, provided that photonic integrated laser sources of ultra-low linewidth will become a mature counterpart to bulk solutions in the near future29. Very recently, Zhan et al. have revealed the possibility of tracking fiber deformations due to external forces by simply monitoring polarization variations in commercially deployed transoceanic links employing the already installed digital coherent transceivers30. The theoretical foundation of this method is presented by Mecozzi et al.31 and clearly shows the dependence of polarization fluctuations on the square of the local strain. This polarization sensing is a very elegant technique that is directly supported by the operating transceivers of long-haul optical communication systems. However, it is less sensitive than techniques based on phase detection26 and monitoring of state of polarization is almost impossible in terrestrial, "noisy" fibers due to the high sensitivity of polarization in temperature and mechanical variations caused mostly by human activity30./p> 400 km epicentral distance). Moreover, the comparison between MFFI and DAS confirmed that MFFI estimates the average strain experienced by the optical fiber as theoretically expected./p> 5 Hz) as an effect of second-order differentiation. Techniques for further optimization of the system are described in methods./p> 200 km) due to power fading effects which however can be mitigated using various techniques (see supplementary information as well)42,43,44. Further improvement could be achieved by increasing the RF modulation frequency and utilizing a higher resolution ADC to lower the quantization noise. Increase of RF modulation frequency can be accomplished with the use of carrier suppression44 or higher-order harmonic generation by means of optical modulation45. Our implementation that relies on low-cost off-the-shelf components can detect optical path variations in the order of ΔL ~ 2.5 μm. We envisage that this can be reduced by more than an order of magnitude with the use of a high-performance ADC (24 bit resolution, 1 kHz sampling rate) and with a factor of four if the microwave frequency is increased to 40 GHz. State of the art innovations in integrated microwave photonics46,47 could potentially enable the preparation of spectrally pure mm-wave carriers approaching 100 GHz, that can be detected with the use of high performance 100 GHz photodetectors48,49. Thus, keeping in mind that 100 GHz components will be soon available for telecom applications, MFFI prototypes could potentially provide sensitivity at unprecedented levels. Even with the use of off-the-shelf and mature 10–20 GHz optoelectronic components, satisfactory sensitivity can be attained at low cost and in real-time which is of high importance for the development of early warning systems. On the contrary, techniques relying on extracting events related to environmental effects by processing the huge amount of data offered by digital coherent receivers30,50 operating in the multi GSa/sec time scale require unparalleled processing power to offer real-time identification of critical events such as tsunamis, earthquakes, etc. A massive production of high performance MFFI prototypes offering real-time event detection at minimum cost could be achieved, thus paving the way for mid-term installation of MFFI tools in almost every fiber link of interest worldwide. Thus, our results in a rather noisy fiber located in a crowded area prove that MFFI could emerge as a key enabling technology for the widespread evolution of fiber optic seismology. MFFI can also provide the possibility of a better localization of fiber deformations and be converted to distributed strain meters. The simplest solution is to use two MFFI systems positioned at the two ends of the link. Through cross-correlating their time traces corresponding to counter-propagating waves in a periodic basis, one can localize perturbations of the link26,51. The spatial resolution depends on the integration time and sampling rate at each side51 and could be in the order of hundreds of meters or even less which is adequate for earthquake detection as wavelengths related to earthquakes are on the order of several hundred meters or several kilometers. Beyond that straightforward approach, continuum mechanics analysis of the relation between optical phase changes and the strain tensor reveal that the sensitivity of a fiber segment to deformation is proportional to the local fiber curvature52. This implies that strongly curved segments, such as tight loops, effectively act as individual sensors that contribute large phase measurements $\varphi (t)$ at distinct times when a wavefront reaches the segment. Consequently, a time-dependent analysis of $\varphi (t)$ may effectively mimic a distributed system of strongly curved fiber segments53. This, in turn, opens new perspectives for seismic tomography and earthquake location in remote regions where dense arrays of conventional seismometers are not available and may convert a single MFFI interrogator to a distributed measurement engine./p>

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