Quand les fibres optiques sous-marines font de la géophysique

Par Antoine Guy, 18 mai 2023 à 08:00, Sophia Antipolis

Planète bleue

À la fin des années quatre-vingt, les pionniers de la pose de fibres optiques sous-marines à des fins de télécommunications transatlantiques réalisaient-ils qu’ils déroulaient également un système de mesures sismiques, de cartographie de la croûte terrestre ou même de comptage des baleines ? Probablement pas. Anthony Sladen non plus, il avait 9 ans en 1988. Aujourd’hui, grâce aux fibres optiques marines utilisées comme capteurs, une équipe de chercheurs de l’Université Côte d’Azur ouvre des voies inédites pour l’étude de la géophysique des fonds marins et la dynamique des courants océaniques.

Fibre optique : c’est aussi un capteur !


À partir de 1999, ce « globe-chercheur », docteur en géophysique et séismologie formé à McGill University (Montréal) et à l’École normale supérieure (Paris), entame un solide parcours international entre le CEA, la NASA, et le California Institute of Technology. Il est aujourd’hui, au sein du laboratoire Géoazur, un expert, et a initié en 2017 le projet SEAFOOD. Revendique-t-il une appétence particulière pour les fruits de mer et les crustacés ? C’est fort possible quand il sort de son laboratoire et s’assied à une table azuréenne, mais là n’est pas du tout son sujet. SEAFOOD est l’acronyme de SEA-bottom-Fiber-Optic-Observatory-for-distributed-Deformation-measurements. C’ est le premier projet qui a lancé les études et Anthony est devenu depuis spécialiste de l’exploitation et de l’interprétation des mesures des nano-déformations des fibres optiques posées sur les fonds marins. 


De quoi s’agit-il ? « Malgré tout le soin apporté par les industriels lors de la fabrication des fibres optiques, de nombreuses imperfections y subsistent. C’est une chance car c’est ce sur quoi nous allons nous appuyer, explique-t-il. Nous envoyons des impulsions laser dans une fibre au repos, puis nous mesurons le temps de retour et les caractéristiques de l’écho lumineux dû à ces défauts. Nous obtenons alors leur position exacte le long de la fibre. Ensuite, les phénomènes physiques auxquels nous nous intéressons, puisqu’ils causent des déformations mécaniques sur la fibre, entraînent un déplacement local du défaut de quelques nanomètres. La mesure du déphasage du signal retour par rapport à un signal de référence nous donne une estimation très précise et en temps réel de l’amplitude de cette déformation, et donc une signature très précise du phénomène étudié se produisant à proximité de ce point de la fibre », dit-il pour achever son explication. Le projet pionnier SEAFOOD consistait à considérer des fibres optiques comme des capteurs géophysiques à grande sensibilité et à les mettre en œuvre.


Observer le fond de la mer confortablement depuis la terre : une révolution


L’étude de la dynamique des fonds marins se base traditionnellement sur peu de données fournies par peu de capteurs, dédiés, déposés sur certains fonds pélagiques. Ces objets lourds, volumineux, et surtout chers, fonctionnent sur batteries, collectent des données en un point singulier, et livrent leurs informations en temps différé, au moment où ils sont relevés, à l’expiration de leur réserve énergétique. Pour le géophysicien, ils n’offrent qu’une image à une dimension (en un point) de l’objet d’étude, et nécessitent des expéditions coûteuses pour leur dépose et leur récupération. « Grâce à cette nouvelle technologie de mesure des nano-déformations des fibres optiques, nous disposons d’un maillage de capteurs beaucoup plus étendu, très sensible, ne nécessitant aucune énergie, fournissant de la donnée en temps réel à moindre coût et exploitable directement depuis la terre. Nous utilisons des équipements optroniques du marché ne nécessitant pas d’investissements lourds », déclare-t-il enthousiaste. Dans le monde de la géophysique et de l’hydrodynamique des courants océaniques, la révolution est copernicienne. Ces flots de données permettent d’enregistrer l’équivalent de films en 2D, selon l’espace et le temps, depuis le littoral. « Aujourd’hui, nous collectons des données sur des distances de l’ordre de 100 km depuis le rivage, essentiellement car des répéteurs optiques sont installés sur les fibres tous les 100 km et empêchent nos signaux de progresser au-delà. Mais les essais en laboratoire ont validé des distances de l’ordre de 1 000 km. Les marges de progrès sont encore énormes, et pourtant depuis cinq ans la discipline a réalisé des pas de géant. Nous vivons la même révolution que celle de l’imagerie satellite pour l’observation de la terre », ajoute-t-il convaincu.  


Des applications déjà opérationnelles, beaucoup d’autres en devenir


Les applications de cette technologie de mesure sont déjà nombreuses et affolent les milieux de la recherche. « Actuellement, les États-Unis et la France se disputent le podium en nombre de publications sur le sujet. Nous sommes dans le trio de tête mondial », note Anthony. La houle de surface, par son régime d’ondes très reconnaissables, impacte les fibres déposées sur le fond et génère un signal très fort dans les données remontées. On en déduit une météo marine quasi instantanée, première application opérationnelle. La deuxième application, majeure elle aussi, concerne l’étude des séismes et des systèmes de failles sous-marines. « On va beaucoup mieux cartographier les fonds, la croûte terrestre, anticiper et comprendre l’aléa sismique », souligne le géophysicien. Les fibres alertent aussi sur le passage des baleines et des bateaux. Voilà encore quelques pistes prometteuses d’applications à développer.


Encore plus étonnant. Si les ondes sonores induisent une déformation mécanique sur la fibre sur des temps très courts, les variations de température, sur des temps plus longs de l’ordre de la minute, produisent aussi des nano-déformations. Ainsi les vagues de chaleurs marines beaucoup plus fréquentes depuis l’accélération du réchauffement climatique et qui impactent sérieusement les écosystèmes littoraux, peuvent être détectées et étudiées. L’énergie des vagues, les circulations océaniques et la dynamique des courants marins sont aussi pris en compte par ce système. Il semblerait que les tsunamis disposent d’une signature thermique. « Nous n’avons pas encore eu l’opportunité de tester notre système dans un contexte de tsunami. Nous manquons simplement de données », remarque Anthony. L’anticipation et la compréhension de ces vagues très énergétiques et potentiellement (très) dangereuses pour les populations côtières devraient entrer rapidement dans le périmètre des applications potentielles. 


Des applications terrestres, également


Les opérateurs de télécommunications, frileux forcément au début de l’aventure pour ouvrir l’accès à leurs fibres en exploitation, manifestent maintenant un grand intérêt, ne serait-ce que parce que la technologie permet de localiser très rapidement des ruptures de fibres et d’anticiper l’approche des chaluts, responsables à 90 % des dommages causés sur les câbles sous-marins. Encore un argument avantageux : les mesures peuvent désormais s’effectuer sans interrompre le trafic sur la fibre.


La fibre n’a pas forcément besoin d’être immergée. L’équipe de Géoazur collabore avec la métropole niçoise à des études de densité de trafic sur la voie Mathis et dans le centre-ville, en lien avec le volet « Smart Territories » de l’institut 3IA Côte d’Azur. Poids-lourds, voitures et deux roues, en passant à proximité d’une fibre enterrée, causent des déformations détectables. Les variations d’écartement de rails qui influent sur le roulement des trains et leur sécurité sont aussi démasqués par les fibres déroulées le long des voies. Peut-être que les opérateurs de fibres, maritimes ou terrestres, proposeront prochainement à leurs usagers des services basés sur la collecte des données issues de leurs infrastructures ?


Le verre à moitié plein


Tout n’est cependant pas aussi idyllique… forcément. « Des centaines de capteurs déployés sur des centaines de km de fibres, aux fréquences auxquelles nous échantillonnons les données, génèrent des volumes titanesques, rappelle Anthony. Nous sommes clairement dans le Big Data et le recours à l’IA est une nécessité. À la fois car, c’est le cas de dire, nous nageons dans un océan de données, mais aussi car nous avons besoin d’extraire les signaux forts, les patterns caractéristiques des phénomènes que nous prétendons détecter, et bâtir l’équivalent d’une librairie de signatures de références », déclare-t-il. En effet, si souvent les causes de la déformation de la fibre par un phénomène étudié ne sont pas entièrement caractérisées, la corrélation entre la survenue du phénomène et les données mesurées existe. L’IA sur ce sujet est très performante ; un bel alignement de planètes. Cette partie du travail s’appuie sur une collaboration avec des chercheurs de l’institut 3IA Côte d’Azur et une chaire dédiée à ces travaux d’identification de signatures.


La géophysique et l’étude des océans ont souffert dans le passé d’une relative « indigence » par manque de données. La possibilité de mesurer, à ce prix et avec cette ampleur est inespérée. Désormais, grâce à cette révolution silencieuse et aux déformations nanométriques des fibres optiques, il est réaliste d’envisager de grandes avancées pour comprendre la dynamique des océans, la croûte terrestre, les systèmes de failles, et tant d’autres phénomènes liés à la vie des machines « climat », « mer », « terre » affectées par les activités anthropiques.

Parution magazine N°41 (juin, juillet, août)

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