利用承载实时流量的海底光缆收发器提取的琼斯矩阵进行地球物理探测

把全球互联网电缆变成地震之耳

每天，大量数据通过埋在海底的发丝般细的玻璃光纤跨洋传输。本文表明，这些通信电缆可以在不窃听或泄露任何数据的情况下，默默地充当全球性的海底“听觉”网络，监听地震和海洋中微小的变化。通过观测光在光纤中如何被环境稍微扭曲，作者们展示了一种强有力的新方法，利用现有基础设施监测我们这颗不断活动的行星。

光在电缆中如何感知地球运动

在光纤中传播的光并非单纯沿直线传播；其电场具有方向性，即偏振，并会在传播过程中发生旋转。工程上用琼斯矩阵来数学描述这种旋转，它说明任何输入偏振如何在光从电缆远端出来时被转换。本研究的关键见解是，琼斯矩阵对沿线路径上电缆经历的一切都很敏感：海浪的压力、海底沉积物的缓慢迁移，以及穿过的地震波产生的快速应变。现代电信系统中的相干接收机已经实时重建这一矩阵以保持信号清晰，重要的是，这一矩阵可以被提取而不会暴露所传输信息的内容。

从复杂数学到简单的传感信号

实际上，光纤并不完美：其内部特性每隔几十米就会随机变化，光的偏振被反复混合和扰乱。作者们建立了一个严谨的框架，将电缆的缓慢背景变化与由环境事件引起的快速、小幅的变化区分开来。他们将琼斯矩阵表示为一个整体相位和一个描述在几何球面上偏振如何被转动的旋转向量。通过在数学上进入一个随慢漂移跟随的“旋转参考系”，他们仅孤立出编码沿缆局部压力变化的小幅波动旋转向量。这些波动被证明与海水静水压随时空变化成正比，而这正是地震学家或海洋学家想要了解的量。

实时监听地中海海底

团队在Sparkle的MedNautilus海底系统上对该理论进行了检验，该系统连接西西里岛的卡塔尼亚与以色列的海法和特拉维夫。他们在正常流量条件下使用商用收发器，每半秒采样一次琼斯矩阵，持续数日。处理后，他们计算了旋转向量三个分量的频谱图——时间-频率图——并将它们相加，形成一个与方向无关的偏振扰动度量。在卡塔尼亚—海法与卡塔尼亚—特拉维夫链路上，在2025年6月2日多德卡尼斯群岛附近发生的5.8级地震发生时出现了清晰而尖锐的特征。相反方向传播的信号和同缆不同光纤中均出现相同特征，证实该效应来自海底而非电子设备。

电缆告诉我们的地震细节

通过观察偏振变化的详细时间波形并应用简单滤波以抑制更慢的背景噪声，作者们能够估算出首次、最快地震波到达每条电缆的时间。在卡塔尼亚—海法段，信号在震源时间后约30秒到达；在更远的卡塔尼亚—特拉维夫电缆上，大约在116秒后出现。将这些到时与电缆和地震震中已知位置结合，可得主要波的传播速度约为每秒4.3–4.7公里，与东地中海下方富含沉积物的地壳相符。频谱图还揭示了与潮汐、声学模态和厚沉积层相关的共振和微震，特别是在穿越尼罗河三角洲的路段上。

隐藏在显而易见中的安静全球传感器

对非专业读者而言，核心信息是：现有的海底互联网电缆可以在不安装新硬件或中断数据流的情况下，兼作高度灵敏、始终在线的地球物理传感器。通过谨慎地重复利用电信系统为信号校正而已计算的偏振信息，该方法可以检测地震、追踪地震波在沉积物中的传播，以及感知深海中微小的压力变化。由于该方法对光在光纤中随机扰乱具有鲁棒性且不会暴露用户数据，它为将全球海底通信网络转变为一个广阔的、被动的动态地球观测台提供了一条可行路径。

引用: Antonio Mecozzi, Cristian Antonelli, Alberto Marullo, Danilo Decaroli, Luca Palmieri, Luca Schenato, Siddharth Varughese, Pierre Mertz, and Antonio Napoli, "Geophysical sensing using Jones matrices extracted from submarine optical cable transceivers carrying live traffic," Optica 12, 1712-1719 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.572883

关键词: 海底光缆, 地震探测, 光纤传感, 偏振监测, 海底地球物理