I en ny studie, forskare visar att fiberoptiska kablar som transporterar data över världens hav också kan användas för att känna av geofysiska händelser och övervaka havs- och havsbottenförhållanden.

Även om bojar och kablage observatorier kan användas för att övervaka delar av havet, informationen de tillhandahåller är begränsad till deras omedelbara omgivning. Det nya tillvägagångssättet kan erbjuda ett sätt att använda det globala nätverket av undervattens fiberoptiska kablar för att studera annars otillgängliga delar av havet.

"En gång fulländad, denna nya teknik kommer att möjliggöra geofysisk avkänning i havets djup, som till stor del är outforskade på grund av bristen på instrumentering som fungerar i den här miljön, " sa Zhongwen Zhan, biträdande professor i geofysik vid Caltech. "Det kan en dag användas för att upptäcka jordbävningar med epicentra i havet, tillåter tidigare varningar om jordbävningar och tsunamier, till exempel."

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, Zhan, tillsammans med forskare från Google och University of L'Aquila visar att det nya tillvägagångssättet kan upptäcka jordbävningar och havsdyningar – samlingar av vågor som produceras av stormar. De gjorde detta med Curie transoceaniska fiberoptiska kabel som ansluter Los Angeles, Kalifornien med Valparaiso, Chile.

Går längre än att bära data

Den nya tekniken använder sig av det faktum att jordbävningar, tryckvariationer eller andra förändringar i miljön för en transoceanisk kabel skapar subtila förändringar i ljuset som färdas ner genom de optiska fibrerna. Även om transoceaniska fiberoptiska länkar har använts för att känna av geofysiska händelser i Medelhavet, det tillvägagångssätt som användes vid tidigare demonstrationer krävde extremt specialiserade lasrar som är svåra att få tag på och använda.

"Vi använde standard telekommunikationsutrustning utan några extra optiska komponenter förutom de som redan finns i kommersiella transceivrar, sade Zhan. Dessutom, det finns inget behov av en dedikerad ljuskanal eftersom de data som krävs för avkänning kan samlas in utan att störa den reguljära driften av det optiska transmissionssystemet."

De flesta transoceana kablar använder sofistikerade koherenta ljusmetoder för att koda data i både amplituden och fasen för det transmitterade ljuset. För att analysera förändringar i ljuset som färdas ner i kabeln, forskarna utvecklade ett teoretiskt ramverk för att använda polarisationsdata som genereras av ett koherent överföringssystem för avkänning i djuphavet. Metoden de utvecklade mäter små förändringar i polariseringen av det transmitterade ljuset.

"Alla förändringar i kabelns miljö kommer att inducera en liten, men detekterbar skillnad i ljusets polarisation, ", sa Zhan. "Vi utvecklade det teoretiska ramverket som krävs för att tolka polarisationsdata i undervattenskablar, vilket kommer att möjliggöra ytterligare kvantitativ förståelse av undervattens geofysiska processer."

Genomföra teorin i praktiken

Forskarna använde sitt nya tillvägagångssätt för att upptäcka djuphavsjordbävningar och havsdyningar baserat på avläsningar från Curie transoceaniska fiberoptiska kabel. Mätningarna stämde väl överens med oberoende mätningar gjorda med seismometrar på land.

"Stabiliteten för polarisationen i Curie ubåtssystem är så hög att vi kunde detektera differentiella förändringar i den optiska väglängden för två ljuspolarisationer på bara 1,5 mikron över hela kabelns längd, ", sa Zhan. "Detta motsvarar bara en bråkdel av våglängden för laserljuset som färdas nerför kabeln."

Forskarna arbetar fortfarande för att bättre förstå hur man använder polarisationsdata för att upptäcka olika förändringar i miljön för en undervattens optisk kabel.