Valencià:
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/articles/s41377-021-00490-0

Español:
Un equipo del Grupo de Investigación Fotónica (GRIFO) de la Universidad de Alcalá, en colaboración con el Instituto de Óptica «Daza de Valdés» del CSIC, y de la Universitat Jaume I de Castellón, ha publicado un artículo en la prestigiosa revista Light: Science and Applications, del grupo Nature, donde explican los fundamentos de una nueva técnica para realizar un sensor distribuido en fibra óptica.
Un sensor de este tipo es un sistema que convierte una fibra óptica de telecomunicaciones estándar, como la que podemos encontrar en nuestras casas, en una red densa de sensores de temperatura, deformación o vibración, sin más que conectar dicha fibra óptica a un equipo denominado «interrogador».
Hasta ahora, los sensores distribuidos en fibra óptica han resultado de muchísima utilidad en la monitorización de vías de tren o de tuberías de agua y gas, permitiendo hacer mediciones a lo largo de decenas de kilómetros con una resolución de varios metros. El estudio presenta un nuevo sistema interrogador capaz de mejorar la resolución en más de dos órdenes de magnitud, permitiendo obtener información de 10.000 puntos de medida independientes a lo largo de la fibra, separados 2 cm unos de otros.
Como gran novedad, el sistema desarrollado emplea un tipo de señal conocida como «peine de frecuencia dual» para interrogar la fibra óptica. Un peine de frecuencia es una señal óptica que se caracteriza por tener un espectro formado por una serie discreta de líneas equiespaciadas, que recuerdan la forma de un peine. En el nuevo interrogador se emplean dos peines de frecuencia con una separación entre líneas ligeramente diferente entre sí (peine dual). Estos peines modulan una portadora óptica, de manera similar a cómo se codifica la información que se transmite por la fibra en telecomunicaciones.
Uno de los peines se envía a la fibra para «interrogarla», es decir, para hacer que durante su propagación pequeñas fracciones de la señal incidente se reflejen en las imperfecciones microscópicas de la fibra. La posición relativa de estas imperfecciones varía si la fibra es sometida a algún estrés o cambio de temperatura, permitiendo detectar y cuantificar estas variaciones mediante la comparación de la luz reflejada en diferentes instantes de tiempo. El segundo peine se usa como referencia en la detección de la luz retrodispersada. La diferencia de interlineado entre los dos peines permite digitalizar espectros ópticos de varios GHz mediante electrónica de bajo ancho de banda, reduciendo así notablemente el coste de los componentes necesarios para adquirir las señales.
Además, un diseño inteligente de los espectros tipo peine (y en particular de la llamada fase espectral) proporciona un control preciso de las señales temporales que viajan por la fibra, mejorando la relación señal-ruido de la medida y permitiendo recuperar directamente la información de la perturbación sin necesidad de aplicar complejos algoritmos de decodificación.
«El objetivo de esta investigación ha sido desarrollar un sistema que pueda monitorizar una fibra óptica con una resolución espacial muy superior a la de los sistemas tradicionales, alcanzando resoluciones de pocos centímetros. Esto es un hito en el campo del sensado distribuido, ya que permite trasladar las ventajas de los sensores ópticos en fibra (ligereza, inmunidad a interferencia electromagnética, alta sensibilidad) a nuevos campos de aplicación», comenta Miguel Soriano Amat, investigador de la Universidad de Alcalá.
Por otra parte, Hugo Martins, del IO-CSIC, afirma que «una particularidad del sistema propuesto, es que los resultados se obtienen con un ancho de detección de pocos MHz, por comparación a los GHz típicamente requeridos por tecnologías similares. Además de disminuir el coste del sistema, esto presupone un potencial ahorro significativo de la energía consumida, porque se necesita digitalizar y procesar órdenes de magnitud menos de datos (y muchas de las aplicaciones de estos sistemas están pensadas para monitorización en tiempo real 24/7). Este dato toma particular relevancia en el contexto de los objetivos trazados por la UE de obtener neutralidad de emisiones de carbono en 2050».
En lo que hace referencia al empleo de peines de frecuencia, Vicente Durán, de la Universidad Jaume I, explica que «desde principios de siglo, los peines de frecuencia, cuyos inventores fueron galardonados con el premio Nobel de Física en el año 2005, han demostrado ser unas herramientas de medida extremadamente potentes y versátiles para una gran variedad de aplicaciones, entre las que destacan la espectroscopía molecular, la búsqueda de planetas extrasolares, la construcción de relojes ópticos o la medida precisa de distancias. En este trabajo se demuestra, por primera vez, la aplicación de peines de frecuencia ultra-densos, generados usando un equipamiento convencional de telecomunicaciones, para el diseño de un sensor distribuido de fibra con unas prestaciones extraordinarias».
Respecto a las aplicaciones, María del Rosario Fernández Ruiz, de la Universidad de Alcalá, asegura que «este tipo de interrogador es de gran interés para la monitorización de estructuras en sistemas aeronáuticos, como las alas de un avión, ya que permite un análisis de deformación o de integridad de las diferentes secciones de dichas alas con una excelente resolución y sensibilidad, sin añadir peso ni complejidad estructural».
Referencia: https://www.nature.com/articles/s41377-021-00490-0