Le fibre ottiche abilitano la nostra era di Internet, poiché trasportano grandi quantità di dati in tutto il mondo. Le fibre sono anche un'eccellente piattaforma di sensori. Possono raggiungere centinaia di chilometri, semplicemente incorporato all'interno di strutture, e può essere installato in un ambiente pericoloso dove è vietato l'uso di elettricità. Però, sensori in fibra ottica affrontano anche un intrinseco, sfida fondamentale.

"Tutto ciò che la luce tocca è il nostro regno, " dice il dottorando Hagai Diamandi della Facoltà di Ingegneria dell'Università Bar-Ilan in Israele. "In questo, intendiamo dire che qualsiasi misurazione ottica impone che la luce tocchi il mezzo in prova." Fibre ottiche standard, però, sono progettati per fare l'esatto contrario. "Le fibre standard sono costituite da un rivestimento di vetro, con un molto più sottile, nucleo interno, " continua Diamandi. "La luce è guidata nel nucleo interiore, e viene fatto ogni sforzo per impedire alla luce di fuoriuscire all'esterno. Una sostanza in esame, nella maggior parte dei casi, si trova al di fuori del rivestimento molto più grande. Sfortunatamente, la luce guidata non tocca gran parte del mondo esterno."

È disponibile una possibile soluzione basata su altre forme di propagazione nella stessa fibra. Il dottorando Yosef London spiega:"Oltre alla modalità core, la luce può propagarsi nella fibra riempiendo l'intero rivestimento. In quel caso, potrebbe "sentire" ciò che c'è fuori." Ma come si fa a far passare la luce dalla modalità "normale" a quelle modalità di rivestimento? London continua:"Qui c'è un problema. L'accoppiamento alle modalità di rivestimento richiede l'iscrizione di permanenti, perturbazioni periodiche nel mezzo fibroso, chiamati "grate". Le grate sono scritte a specifico, posizioni discrete. Non puoi cancellarli o spostarli." Per questo motivo, i sensori in modalità cladding sono limitati alle sole misurazioni puntuali.

Il principale punto di forza dei sensori in fibra ottica è l'analisi distribuita nello spazio, in cui ogni segmento di fibra funge da nodo di misurazione indipendente. Le modalità di rivestimento non possono supportare misurazioni distribuite, fino ad ora. L'idea rivoluzionaria è venuta da un terzo dottorando del gruppo, Gil Bashan:"C'è un'alternativa all'uso dei reticoli. Possiamo invece lanciare due forti onde ottiche nella fibra. Quando le loro frequenze sono scelte correttamente, le due onde possono guidare oscillazioni acustiche all'interno del nucleo della fibra, a frequenze ipersoniche molto elevate. Quelle onde acustiche diventano i nostri reticoli." Il principio è noto come reticoli dinamici di Brillouin. A differenza dell'iscrizione permanente, Le griglie dinamiche Brillouin possono essere accese e spente a piacimento. Possono anche essere confinati a brevi segmenti di posizioni arbitrarie, e scansionato lungo la fibra. "Il principio è stato utilizzato tra le modalità principali delle fibre per oltre un decennio, " dice Bashan. "Lo riportiamo alle modalità di rivestimento."

In un articolo pubblicato di recente in ottica rivista, il gruppo riporta un sensore in fibra in modalità a mantello distribuito, una prima nel suo genere. Così facendo, dovettero superare notevoli ostacoli. Il consigliere Prof. Avi Zadok spiega:"C'è una grande disparità di dimensioni tra le modalità core e cladding. Le modalità core sono confinate in una regione molto ristretta. Le modalità Cladding si estendono su un'area 200 volte più grande. Per questo motivo, eravamo preoccupati che l'accoppiamento tra le due modalità fosse debole e inefficiente." Tuttavia, il team potrebbe mostrare la misurazione precisa dell'indice di rifrazione al di fuori del limite del rivestimento dello standard, fibra ottica non modificata. La risoluzione spaziale delle misurazioni era di otto centimetri. L'analisi ha identificato correttamente sezioni di fibre corte immerse in acqua ed etanolo, e nettamente distinto tra i due. L'incertezza nelle misurazioni dell'indice era nel quarto punto decimale.

Il prof. Zadok conclude:"Abbiamo dimostrato un nuovo concetto di sensori in fibra ottica. Affronta una sfida decennale:la mappatura distribuita dell'indice di rifrazione al di fuori del rivestimento della fibra standard, dove la luce non arriva." Il sensore può essere utilizzato per il rilevamento di perdite in infrastrutture critiche, e monitoraggio di processo nell'industria petrolchimica, impianti di desalinizzazione, produzione di alimenti e bevande e altro ancora.