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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13983 (2023) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Presentiamo un sensore di deformazione ambientale in fibra ottica a lungo raggio basato sulla cancellazione attiva del rumore di fase (PNC) nella diffusione della frequenza metrologica. Il rilevamento PNC sfrutta le registrazioni di una frequenza di compensazione che viene comunemente scartata. Senza la necessità di dispositivi di misurazione dedicati, funziona in sincronia con i servizi metrologici, suggerendo che le reti metrologiche esistenti a fase stabilizzata possono essere utilizzate senza sforzo come sensori ambientali. La compatibilità del rilevamento PNC con l'amplificazione in linea consente l'interrogazione di cavi con lunghezze superiori a 1.000 km, rendendolo un potenziale contributo al rilevamento dei terremoti e all'allarme precoce negli oceani. Utilizzando simulazioni del campo d’onda con elementi spettrali che tengono conto accuratamente della complessa geometria del cavo, confrontiamo le registrazioni osservate e calcolate della frequenza di compensazione per un terremoto di magnitudo 3.9 nel sud-est della Francia e un collegamento in fibra di 123 km tra Berna e Basilea, in Svizzera. La corrispondenza sia in fase che in ampiezza indica che il rilevamento PNC può essere utilizzato quantitativamente, ad esempio, nel rilevamento e nella caratterizzazione dei terremoti.

Negli ultimi dieci anni, il rilevamento acustico distribuito (DAS) è diventato una tecnologia matura che offre un elevato campionamento spaziale e un'ampia larghezza di banda di frequenza dalla gamma mHz a kHz1,2. Ha così aperto diverse opportunità di ricerca con immediata rilevanza sociale, ad esempio, nell’imaging sismico e nel monitoraggio di strutture e serbatoi vicini alla superficie3,4,5,6,7, nel rilevamento e nella caratterizzazione della sismicità dei vulcani per un potenziale allarme precoce8,9, 10,11 e studi sulla struttura e dinamica dei ghiacciai e delle calotte glaciali12,13,14,15.

In sincronia con la divulgazione del DAS, sono stati sviluppati nuovi approcci di rilevamento per superare due dei suoi inconvenienti: il costo elevato delle unità DAS e la distanza massima di interrogazione tipicamente di diverse decine di chilometri, che può essere estesa utilizzando ripetitori, nei casi in cui il cavo è accessibile. Sfruttando la birifrangenza dipendente dalla deformazione, è stato dimostrato che i cambiamenti di polarizzazione ottica accumulati lungo i cavi di telecomunicazione transoceanici registrano il movimento sismico del suolo16,17. In uno studio precedente, è stato dimostrato che i cambiamenti di fase ottica nei segnali laser ultrastabili, trasmessi attraverso reti metrologiche o di telecomunicazione lunghe da centinaia a migliaia di chilometri, sono sensibili a un’ampia gamma di segnali ambientali, compresi i terremoti18. Adottando un approccio concettualmente simile, è stato sviluppato un interferometro in fibra a frequenza di microonde (MFFI) a una frazione del costo delle unità DAS commerciali19, rendendo questa tecnologia attraente per applicazioni relative ai rischi ambientali e naturali nei paesi a basso reddito. Un confronto fianco a fianco tra DAS e MFFI ha evidenziato il potenziale di quest’ultimo per la scienza quantitativa20. Mentre le tecnologie basate sulla trasmissione di fase forniscono solo misurazioni di deformazione spazialmente integrate, anziché distribuite, un certo livello di risoluzione spaziale può essere raggiunto attraverso l'uso di ripetitori tra segmenti di fibra21 o un'analisi dei segnali dipendente dal tempo22. Le tecnologie di rilevamento a fibra ottica basate sulla polarizzazione o sulla trasmissione di fase aumentano notevolmente la copertura, soprattutto negli oceani, con evidenti vantaggi per l’imaging sismico, nonché per l’allarme tempestivo di terremoti e tsunami. Richiedono però apparecchiature di misura dedicate18,19 ed eventualmente l'interruzione del servizio per il quale si suppone venga utilizzata principalmente la fibra18.

Qui presentiamo un approccio alternativo al rilevamento della deformazione in fibra ottica a lungo raggio basato sulla cancellazione attiva del rumore di fase (PNC). Comunemente utilizzato per stabilizzare la diffusione della frequenza nelle reti in fibra metrologica, il PNC produce misurazioni del cambiamento di fase ottica come prodotto collaterale che in genere viene scartato o monitorato solo per la sorveglianza della salute del sistema. Attraverso un confronto con simulazioni della forma d'onda completa di un terremoto regionale, dimostriamo che il PNC fornisce misurazioni quantitative della deformazione del suolo senza alcuna interruzione della diffusione della frequenza metrologica. Ciò implica che le reti metrologiche esistenti possono essere convertite in sensori di deformazione a lungo raggio senza costi e sforzi aggiuntivi.