一个研究小组已经设计并测试了一种基于先进的光学物理原理的方案，该方案使用主动海底光纤数据电缆也可以感知海底地震和海洋表面的膨胀。
本文的前一部分建立了将地震传感能力“搭载”到现有海底光纤电缆的背景。这部分将更详细地介绍项目的基础和结果。请注意，物理电缆不是一个单一的、统一的组件，而是根据路径上的位置改变护套和保护（图1）．每100公里还有光放大器每100公里才能将光功率提升至多20dBm。
为了最大限度地提高吞吐量和实现最高的数据速率，电缆系统操作员监测的一个因素是光在光纤中传播的偏振(通常指定为偏振状态或SOP)。通过控制与此极化相关的电场方向，多个信号可以通过同一根光纤同时复用(图2)．在接收端，光学仪器检查每个信号的SOP，看看它如何沿其行程动态地改变 - 一种失真，导致光学信号被交叉。然后，它们彼此干扰，降低信噪比（SNR）并增加比特错误率（BER）。Stokes参数是一种广泛使用的因子，其表征了该光信号极化。
对于处于“安静”环境且不受外界时变扰动影响的光纤，输出偏振的Stokes矢量是恒定的。然而，当光纤受到拉伸、扭曲、压力或弯曲等随时间变化的干扰时，就会改变光纤的双折射。然后，光缆每一段的双折射发生变化，输出偏振的斯托克斯矢量也发生变化。
由于温度波动、雷击和微小的机械运动，极化可以在电缆内部发生变化。不过，前两种效应主要发生在陆地上，而不是海底电缆上。相比之下，海洋温度几乎保持不变。环境干扰更少，所以由于前两个因素，深水居里电缆不像陆地电缆那样“嘈杂”。研究人员发现，随着时间的推移，居里电缆的极化仍然相当稳定。这种稳定性是关键，使研究人员能够检测到电缆中的第三个因素——机械引起的张力。
然而，在地震和风暴产生大海浪时，极化突然变化了。可以使用现有的监控设备和合适的数据分析算法检测这些更改。结果，潜艇电缆的整个长度在难以监测位置中的单个传感器充当单个传感器。经常测量极化，通常每秒20次测量，因此当靠近特定区域的地震撞击时，可以在秒内检测到（图3）．
注意，这是一个非常低带宽的现象，变化在几十毫赫兹(1兆赫= 0.001赫兹)到几赫兹的范围内缓慢发生。相比这是一个非常不同的频谱大部分的电子和光学工程师用于思考和测量(但不是不寻常的机械工程师和现实世界的过程,认为温度),所以低频稳定性和固有的低漂移的极化测试仪器是必要的。
在长达9个月的连续观测期间，该团队记录了大约30次海洋风暴膨胀事件和20次中到大地震，包括2020年8月4日危地马拉近海发生的5.8级海底地震（图4）．
詹教授说:“这项新技术真的可以将大多数海底电缆转换成数千公里长的地球物理传感器，用于探测未来的地震和海啸。”“我们认为，这是监测海底地震活动的首个可行方案，可以在世界各地实施。它可以补充现有的地面地震仪和海啸监测浮标网络，在许多情况下，更快地探测海底地震和海啸。”
他还指出，由于这种方法不需要专用设备，激光源或专用纤维，因此对于将全球潜艇电缆转换为连续实时地震和海啸观察员，这是高度可扩展的。该项目的全部详细信息在纸质“基于光学偏振的地震和水波传感在跨界电缆上”发表在科学；也有补充材料具有详细的光学物理方程和分析，结果图等等。
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外部引用
- 詹等人，科学。”基于光学偏振的地震和水波传感在跨界电缆上”
- 詹等人，科学。”补充材料”
- 普渡大学物理系，”波与振荡:光的偏振”
- 西北大学，“光的斯托克斯参数的测量”
- 科学指引。”Stokes参数”
- 尼康显微镜，“双折射原则”
- 奥林匹斯生命科学光学双折射”
了下:传感器提示
