Un equip del Grup d'Investigació Fotònica (GRIFO) de la Universitat d'Alcalá, en col·laboració amb l'Institut d'Òptica «Daza de Valdés» del CSIC, i de la Universitat Jaume I de Castelló, ha publicat un article en la prestigiosa revista Light: Science and Applications, del grup Nature, on expliquen els fonaments d'una nova tècnica per a realitzar un sensor distribuït en fibra òptica.
Un sensor d'aquest tipus és un sistema que converteix una fibra òptica de telecomunicacions estàndard, com la que podem trobar a les nostres llars, en una xarxa densa de sensors de temperatura, deformació o vibració, simplement connectant aquesta fibra òptica a un equip denominat «interrogador».
Fins ara, els sensors distribuïts en fibra òptica han resultat de moltíssima utilitat en el monitoratge de vies de tren o de canonades d'aigua i gas, i han permès fer mesuraments al llarg de desenes de quilòmetres amb una resolució de diversos metres. L'estudi presenta un nou sistema interrogador capaç de millorar la resolució en més de dos ordres de magnitud, el que permet obtenir informació de 10.000 punts de mesura independents al llarg de la fibra, separats 2 cm els uns dels altres.
Com a gran novetat, el sistema desenvolupat empra un tipus de senyal conegut com a «pinta de freqüència dual» per a interrogar la fibra òptica. Una pinta de freqüència és un senyal òptic que es caracteritza per tenir un espectre format per una sèrie discreta de línies equiespaiades, que recorden la forma d'una pinta. En el nou interrogador s'empren dues pintes de freqüència amb una separació entre línies lleugerament diferent entre si (pinta dual). Aquestes pintes modulen una portadora òptica, de manera similar a com es codifica la informació que es transmet per la fibra en telecomunicacions.
Una de les pintes s'envia a la fibra per a «interrogar-la», és a dir, per a fer que durant la seua propagació xicotetes fraccions del senyal incident es reflectisquen en les imperfeccions microscòpiques de la fibra. La posició relativa d'aquestes imperfeccions varia si la fibra és sotmesa a algun estrès o canvi de temperatura, el que permet detectar i quantificar aquestes variacions mitjançant la comparació de la llum reflectida en diferents instants de temps. La segona pinta s'usa com a referència en la detecció de la llum retrodispersada. La diferència d'interlineat entre les dues pintes permet digitalitzar espectres òptics de diversos GHz mitjançant electrònica de baixa amplada de banda, reduint així notablement el cost dels components necessaris per a adquirir els senyals.
A més, un disseny intel·ligent dels espectres tipus pinta (i en particular de l'anomenada «fase espectral») proporciona un control precís dels senyals temporals que viatgen per la fibra, millorant la relació senyal-soroll de la mesura i permetent recuperar directament la informació de la pertorbació sense necessitat d'aplicar complexos algorismes de descodificació.
«L'objectiu d'aquesta investigació ha sigut desenvolupar un sistema que puga monitorar una fibra òptica amb una resolució espacial molt superior a la dels sistemes tradicionals, aconseguint resolucions de pocs centímetres. Això és una fita en el camp del sensor distribuït, ja que permet traslladar els avantatges dels sensors òptics en fibra (lleugeresa, immunitat a interferència electromagnètica, alta sensibilitat) a nous camps d'aplicació», comenta Miguel Soriano Amat, investigador de la Universitat d'Alcalá.
D'altra banda, Hugo Martins, del IO-CSIC, afirma que «una particularitat del sistema proposat és que els resultats s'obtenen amb un ample de detecció de pocs MHz, per comparació als GHz típicament requerits per tecnologies similars. A més de disminuir el cost del sistema, això pressuposa un potencial estalvi significatiu de l'energia consumida, perquè es necessita digitalitzar i processar ordres de magnitud menor de dades (i moltes de les aplicacions d'aquests sistemes estan pensades per a monitoratge en temps real 24/7). Aquesta dada pren particular rellevància en el context dels objectius traçats per la UE d'obtenir neutralitat d'emissions de carboni en 2050».
En el que fa referència a l'ús de pintes de freqüència, Vicente Durán, de la Universitat Jaume I, explica que «des de principis de segle, les pintes de freqüència, els inventors de la qual van ser guardonats amb el premi Nobel de Física l'any 2005, han demostrat ser unes eines de mesura extremadament potents i versàtils per a una gran varietat d'aplicacions, entre les quals destaquen l'espectroscòpia molecular, la cerca de planetes extrasolars, la construcció de rellotges òptics o la mesura precisa de distàncies. En aquest treball es demostra, per primera vegada, l'aplicació de pintes de freqüència ultradenses, generades usant un equipament convencional de telecomunicacions, per al disseny d'un sensor distribuït de fibra amb unes prestacions extraordinàries».
Respecte a les aplicacions, María del Rosario Fernández Ruiz, de la Universitat d'Alcalá, assegura que «aquest tipus d'interrogador és de gran interès per al monitoratge d'estructures en sistemes aeronàutics, com les ales d'un avió, ja que permet una anàlisi de deformació o d'integritat de les diferents seccions d'aquestes ales amb una excel·lent resolució i sensibilitat, sense afegir pes ni complexitat estructural».
Referència: https://www.nature.com/