Phase-coded Brillouin optical correlation domain analysis for fast and highly-resolved distributed strain and temperature monitoring

A fiber-optic sensor based on nonlinear Brillouin effect is developed. It is able to monitor strain or temperature variations along the whole length of an optical fiber in a truly distributed way, thereby greatly simplifying the monitoring of critical infrastructures, where a large number of sensing points is required. The proposed sensor exploits the dependence of Stimulated Brillouin Scattering (SBS) in optical fibers on temperature and strain, which affects the amount of amplification experienced by a probe light, counter-propagating against a pump light inside the sensing fiber. In particular, to achieve an extremely high spatial resolution a phase-coded correlation domain approach, called phase-coded BOCDA, has been adopted, capable to efficiently confine the SBS process on very short lengths of sensing fiber. A spatial resolution of 2 cm along few tens of meters of standard single mode fiber (SMF) has been experimentally demonstrated, both for strain and temperature analysis. Moreover, to address the limited measurement speed of phase-coded BOCDA, a slope-assisted approach has been applied, demonstrating an actual improvement of the measurement speed by 100 times. Finally, a novel all-optical polarization scrambling mechanism has been proposed to eliminate the polarization dependency in Brillouin gain measurements. This novel solution is based on nonlinear cross-polarization interaction between a light beam and its intense backward replica generated by means of a reflective delayed loop, and its seamless integration inside a new phase-coded BOCDA layout has been proposed.

Questo lavoro descrive lo sviluppo di un sensore a fibra ottica basato su effetto Brillouin nonlineare. Il sensore proposto è in grado di monitorare variazioni di temperatura o deformazioni sull'intera lunghezza della fibra sensore in maniera completamente distribuita, semplificando notevolmente il monitoraggio di infrastrutture critiche, in cui sono richiesti molteplici punti di misura. Il sensore proposto sfrutta la dipendenza dello Scattering Brillouin Stimolato (SBS) in fibra da temperatura e deformazione, che impattano sul livello di amplificazione sperimentata da una luce di probe. Per aumentare l'efficienza dello SBS e quindi il rapporto segnale-rumore (SNR), si sfrutta una configurazione stimolata, in cui un sengnale di probe ed un segnale di pompa ad alta potenza contropropagano all'interno della fibra sensore. Per poter ottenere risoluzioni spaziali estremamente alte, si è deciso di sfruttare un approccio basato sul dominio della correlazione con modulazione di fase (phase-coded BOCDA), che permette di confinare efficacemente il processo SBS su sezioni molto piccole della fibra sensore. E' stata sperimentalmente dimostrata una risoluzione spaziale di 2 cm su alcune decine di metri di fibra standard singolo modo (SMF), sia per misure di temperatura che per monitoraggio di deformazione. Inoltre, per mitigare la bassa velocità di misura dei sistemi phase-coded BOCDA, è stato applicato uno schema slope-assisted, che ha permesso di ridurre fino a 100 volte it tempo di misura. Infine, per eliminare la dipendenza del guadagno Brillouin dallo stato di polarizzazione relativo fra le luci di pompa e di probe, è stato proposto un innovativo schema di scrambling di polazrizzazione tutto-ottico. Questa nuova soluzione è basata su interazioni di cross-polarizzazione fra un segnale e la sua replica contropropagante, amplificata per mezzo di un anello riflettente che include un elemento di ritardo. Poichè la maggior parte dei componenti necessari per l'implementazione dello scrambler di polarizzazione tutto-ottico sono anche necessari alla realizzazione del sensore in fibra proposto, è stata anche discussa la possibile integrazione delle due configurazioni in un nuovo layout phase-coded BOCDA.