Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14000(2022) 이 기사 인용
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환경 감지를 위한 광섬유 인프라의 사용은 광섬유가 대규모 지상 배포를 보여주는 저렴하고 쉽게 접근할 수 있는 플랫폼으로 등장함에 따라 전 세계적으로 관심을 끌고 있습니다. 더욱이, 광섬유 네트워크는 비용과 배치의 어려움으로 인해 영구 지진 장비가 드물기 때문에 시간과 공간 모두에서 자연 위험에 대한 고해상도 해저 정보의 가용성이 제한되는 해저 지역 관측을 제공하는 고유한 이점을 제공합니다. 기존 광섬유 인프라를 활용하는 광학 기술을 사용하면 더 높은 해상도 범위를 효율적으로 제공하고 특히 지진 발생 잠수함 단층에서 지구의 상세한 구조를 식별할 수 있는 길을 열 수 있습니다. 지진 탐지 및 구조 분석에 널리 사용되는 광학 기술은 높은 공간 분해능과 감도를 제공하지만 범위(< 100km)가 제한되는 분산 음향 감지(DAS)입니다. 이 연구에서는 폐쇄 루프 구성의 광섬유를 따라 안정적인 마이크로파 주파수를 전파하여 변형에 민감한 간섭계를 형성하는 새로운 기술을 제시합니다. 우리는 제안된 기술을 MFFI(Microwave Frequency Fiber Interferometer)라고 부르며 국지적 또는 지역적 진원지에서 발생하는 중대형 지진으로 인한 변형에 대한 민감도를 보여줍니다. MFFI 신호는 아테네 국립 천문대, 지구 역학 연구소 국립 지진 네트워크의 가속도계 및 동일한 위치에서 병렬로 작동하는 상용 DAS 인터로게이터에 의해 기록된 신호와 비교됩니다. 동적 거동 및 변형률 추정에 있어 현저한 일치가 달성되고 입증되었습니다. 따라서 MFFI는 구현 비용, 최대 범위 및 단순성과 관련하여 중요한 이점을 제공하는 섬유 지진계 분야의 새로운 기술로 부상하고 있습니다.
활성 파열대를 포함한 지구 구조의 상세한 이미징은 자연 재해를 추정하는 데 가장 중요합니다1,2,3. 육지 지역의 지진 특성 및 단층 구역 위험에 대한 조사가 상당한 진전을 이루었음에도 불구하고 지진을 유발하는 잠수함 단층의 구조는 여전히 제대로 제한되지 않는 경우가 많습니다. 더욱이, 산사태와 탁도 해류는 해양 기반 시설에 심각한 지질 위험을 초래합니다6,7. 이러한 지리적 관심 지역은 해안에서 수백 킬로미터 떨어진 곳에 있어 쉽게 접근할 수 없습니다. 현재 지진 데이터 수집을 위한 유일한 실행 가능한 솔루션은 해저 지진계를 사용하는 것입니다. 그러나 이는 위치 파악 및 검색에 장애물이 됩니다8.
지난 10년 동안 지상의 광섬유 케이블과 가장 중요하게는 잠수함 설치의 광섬유 케이블이 원격 측정 및 연속 작동 가능성을 제공하는 고정밀 분산 지진계로 작동할 수 있음을 입증하는 많은 연구가 있었습니다. 전 세계적으로 광대역 통신을 가능하게 하기 위해 1980년대 초부터 광섬유가 점진적으로 설치되었지만9,10 놀랍게도 기계적 진동에 대한 광섬유의 민감도는 광섬유를 광범위한 감지 및 모니터링을 위한 잠재적인 글로벌 플랫폼으로 전환시킵니다. 지구물리학적 및 환경적 영향. 전 세계적으로 이러한 센서를 활용하면 조기 경보 시스템에 중요한 응용이 가능하며 지구물리학 및 기후 변화 연구에서 공개 과학을 제공하기 위한 방대한 양의 데이터를 제공할 수도 있습니다. 그럼에도 불구하고 대규모 배포에는 민감하고 비용 효율적인 광학 측정 방법이 모두 필요합니다. 지진 사건 및 기타 환경 교란을 감지하기 위한 일반적인 감지 기술은 분산 음향 감지(DAS)입니다. DAS는 빛의 레일리 후방 산란(RBS)을 기반으로 하며 진폭, 주파수 및 위상 도메인에서 섬유를 따라 진동을 감지하고 측정할 수 있습니다. 위상 복조를 기반으로 하는 상업적으로 사용 가능한 DAS 인터로게이터는 1m 정도의 공간 분해능, 최대 약 100km의 거리 범위, 나노 변형률이 거의 없고 19,20 미만의 최소 감지 가능한 변형률을 제공할 수 있습니다. DAS 시스템은 지진 감지 및 해저 단층 구조의 상세한 특성화에 성공적으로 활용되어 인간의 접근 및 특수 계측기 설치가 어려운 장소에서 광섬유가 향상된 가시성을 제공할 수 있음을 입증했습니다. 변형률 측정의 공간 분해능과 감도 측면에서 뛰어난 장점에도 불구하고 DAS는 본질적으로 RBS에 의존하기 때문에 근본적인 한계를 나타냅니다. 특히 DAS의 가장 큰 단점은 설치된 배포에서 서로 다른 광섬유 세그먼트 간의 비이상적인 연결로 인해 발생하는 반사에 매우 민감하며 일반적으로 낮은 신호 대 잡음비 값으로 인해 대략 50~100km 거리 이상에서는 작동할 수 없다는 것입니다. 후방 산란 신호20. 이러한 제약으로 인해 DAS는 심해 탐사를 위해 긴 대양 횡단 케이블을 활용하려는 연구와 호환되지 않습니다. 더욱이, 분산 증폭, 강력한 레이저 및 코딩을 사용하여 DAS 도달 범위를 향상시키려면 어두운 섬유에 배치하는 것이 바람직합니다. 즉, 심문 중인 섬유에서 다른 통신 채널이 함께 전파되어서는 안 됩니다. 이는 준수하지 않습니다. 설치된 광케이블을 100% 배치하려는 통신 사업자의 계획에 따라. 마지막으로, 상용 제품인 DAS 도구는 상당히 비싸므로(100k$ 정도) 여러 광섬유 링크에서 동시에 대량으로 사용하면 비용이 비효율적입니다25.
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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