基于光偏振的跨洋电缆地震和水波传感

Google拥有的位于太平洋底部的10,000公里长的光纤电缆，加州理工学院，谷歌，以及意大利拉奎拉大学的研究人员合作，使用了Google的一根光纤电缆流量数据来测量电缆中的压力和应变的变化。利用这些数据，可以检测到地震和海浪。相关论文发表在《Science》上。

图注，水下电缆在世界范围内传输互联网流量

海洋是地球物理仪器的一个主要缺口，阻碍了海底地震和地球内部结构的基础研究以及对近海事件的有效地震和海啸预警。这项数据空白激发了许多技术，如海地地震或压力传感器。新兴的光纤传感技术带来了一种可能的解决方案，现有研究人员已经使用往返信号的超稳定激光干涉法，将一条96公里长的海底电缆转变为灵敏的地震传感器。另一项技术是分布式声学传感（DAS），它可以查询固有的瑞丽反向散射，并将数十公里的专用光纤转换为海底成千上万的地震应变仪。如果百万公里海底光纤网络中的一小部分可以用作地球物理传感器，那么我们对于海底大部分地区的数据覆盖范围将会大大增加。然而，与陆地上的电缆不同，海底电缆部署成本极高，使用量大，管理严格。因此，DAS目前所需的还未使用的光纤束（称为暗纤维）很少。一些实际的考虑因素重新大规模并入现有或未来的海底电缆具有挑战性。

这里，研究人员采取了另一种方法，将1万公里长的海底电缆“居里”变成了一种既能探测地震又能探测海浪的地球物理仪器。“居里”电缆于2019年由谷歌部署，沿太平洋东缘连接加利福尼亚州的洛杉矶和智利瓦尔帕莱索。从北到南，电缆穿过南加州海岸的多个断层，然后三次穿过东太平洋上升沿，到达科科斯板块。电缆的大部分长度位于中美洲和南美洲的俯冲带，距离海沟的海面约400公里。沿公海电缆段，平均水深为4000m，但在海脊和高原附近水深可达2000m，穿过瓦尔帕莱索附近海沟时水深可达6000m。在这条路径附近，自1900年以来发生了50多次矩震级（Mw）大于7.5的浅层地震，其中10次大于Mw 8.0，地震和海啸已成为巨大威胁。研究人员通过“局里”电缆监视了常规光通信流量的偏振状态（SOP）成功地感测了地震波和水波。研究人员发现“居里”海底电缆的输出SOP与陆上电缆的输出SOP相比要稳定得多，这是因为绝大多数路径在深海中，温度几乎恒定，机械或电磁扰动最小。因此，靠近居里电缆的地震产生的强地震波或长周期水波可引起明显的、可观察到的SOP异常。现已经在10毫赫至5赫兹波段的电缆沿线探测到多个中到大地震。同时，还记录了主要微震带中海洋涌浪的压力信号，这暗示了海啸感测的可能性。该方法由于不需要专门的设备，激光源或专用光纤，因此具有很高的可扩展性，可以将全球海底电缆转换为连续的实时地震和海啸观测站。

这是第一次直接实验证明，横贯大陆的海底电缆可以通过传感能力用于环境监测，特别是地震和海浪探测。相干海底电缆SOP检测技术显示了光学偏振干涉仪的灵敏度水平。研究人员发现，通过常规设备监测常规光远程通信信道的SOP，检测到10000 km海底电缆或20000 km往返信道上峰值位移小至0. 1mm的振动。两个正交偏振的光路中波长变化的分数意味着较高的相对相位到偏振稳定性，导致相对光路变化优于现已经提出的相关技术。

SOP体系还有很大的改进空间。例如，单个海底电缆中SOP信道的数量可以与电信信道的数量相同，约为数百个，每个光纤束具有多个频率。未来期望通过结合同一电缆上运行的多个转发器的独立SOP测量来提高SOP信噪比。在高频（1至10 Hz）降低SOP噪声水平，可以探测到远处地面上地震台无法探测到的小地震，而在低频（<0.01 Hz）下，可以准确估计大地震的震级并直接观测海啸波。通过适当的定时机制，SOP系统将能够在第一波到达海底电缆的30ms内沿10000 km路径的任何地方感测到强地震波或海浪，这在许多情况下大大快于最近的陆基台站。