La fibre optique comme capteur : quels usages pour les projets de territoires connectés et durables ?

Le déploiement des réseaux à très haut débit en fibre optique (FttH/FttE) représente un enjeu majeur de développement économique et sociétal : c’est un marqueur fort de la construction des villes et des territoires 100 % numériques.

Bien que quasiment finalisé, le déploiement des réseaux par les opérateurs privés et publics représente un investissement important. Parmi les donneurs d'ordres de ce chantier se trouvent aussi les collectivités territoriales qui ont fait appel à des fonds publics et doivent s'assurer que ces réseaux sont économiquement viables dans la durée.

Soucieuses d'une gestion maîtrisée des coûts d'exploitation et de la maintenance du réseau, plusieurs collectivités ont mis en place des outils innovants de pilotage, de suivi et d'analyse.

Certains de ces outils s’appuient sur les propriétés physiques intrinsèques de la fibre optique. Ils permettent de surveiller en temps réel l'intégrité des câbles et matériels, détectant les variations de température, les vibrations ou les contraintes mécaniques qui signalent une dégradation, un dysfonctionnement ou une intrusion. Cette surveillance proactive permet de réaliser une maintenance préventive et de définir une stratégie d'investissement pour un réseau devenu essentiel.

Grâce à des solutions techniques, de plus en plus perfectionnées, les infrastructures télécoms deviennent ainsi des réseaux intelligents, capables d’alimenter les besoins en données de différents métiers. La fibre elle-même, ainsi que des capteurs conçus pour la fibre optique peuvent faciliter la collecte de nombreuses données liées à des cas d’usage qui touchent au fonctionnement des villes et des territoires et concernent l’eau, l’énergie, les déchets, la mobilité…

Une technologie mature, des cas d’usage en développement

L'essentiel des bases technologiques a été établi dans les années 90. Durant les décennies suivantes, on a vu émerger des technologies complémentaires — réseaux de Bragg, réflectométrie, effets non linéaires — qui ont considérablement élargi le champ des applications. Les bases technologiques sont donc éprouvées depuis plus de 30 ans. Aujourd’hui l'enjeu stratégique pour les décideurs publics et privés n'est plus la maturité de la technologie, mais l'identification des cas d'usage les plus pertinents et le coût d'intégration dans les infrastructures existantes.

La fibre, une opportunité pour la généralisation des capteurs

La fibre optique n’étant affectée ni par les champs électromagnétiques ni par les très hautes tensions ou les parasites électriques, elle devient un atout décisif dans les environnements industriels contraignants, comme dans ceux de certains métiers des territoires. De plus, sa dimension réduite et son faible poids facilite son intégration dans des structures complexes ou dans des espaces restreints, y compris dans des équipements embarqués. Un seul câble fibre peut concentrer des centaines de points de mesure sur plusieurs dizaines de kilomètres ; c'est l'un des avantages les plus structurants pour les grandes infrastructures. De par sa bonne résistance aux rayonnements, la fibre n’en a pas moins la capacité à fonctionner à haute température, avec une grande sensibilité et une dynamique de mesure élevée. Ces caractéristiques justifient leur utilisation dans des secteurs exigeants, tels que ceux de la défense, du nucléaire, de l’industrie pétrolière et gazière, mais aussi dans la gestion des digues, ou de tout autre type d’ouvrage soumis à des contraintes physiques.

Deux grandes familles de capteurs sont disponibles

Les capteurs extrinsèques

Dans cette configuration, la fibre joue le rôle de guide de lumière jusqu'à un capteur externe (l'optode). La mesure repose sur des phénomènes tels que la réflectance, la phosphorescence, la spectroscopie ou l'effet Doppler. Ces capteurs permettent notamment :

• La détection de gaz ;
• La mesure de grandeurs physiques : température, contrainte, déplacement.

Les capteurs intrinsèques

La fibre, elle-même, est l'élément sensible. La perturbation physique à mesurer modifie directement les propriétés de propagation de la lumière dans la fibre. Les phénomènes exploités sont variés : interférométrie (1), effet de speckle (2), microcourbures, biréfringence (3), ondes évanescentes (4)... Ces capteurs permettent des mesures de pression, de température, d'acoustique ou de champs magnétiques.

Les effets non linéaires : de la contrainte télécom à l'outil de mesure

En télécommunications, certains effets physiques apparaissant à forte puissance optique sont considérés comme des nuisances à compenser. On distingue deux grandes familles d'effets non linéaires utilisées:

L'effet Raman

Il se traduit par une diffusion inélastique (5) de photons lors de leur propagation dans la fibre. L'échange d'énergie avec les molécules de silice génère des raies spectrales dont le rapport en intensité est directement lié à la température. C'est le principe des systèmes DTS (Détection de Température Distribuée).

L'effet Brillouin

Comme l'effet Raman, l’effet Brillouin est un processus inélastique induisant un décalage en fréquence. La fibre est sensible à la fois à la température et à la contrainte mécanique, ce qui en fait un outil de mesure particulièrement polyvalent, notamment pour les applications nécessitant une haute précision sur de longues portées.

La réflectométrie : l'outil universel d'interrogation

L'OTDR (réflectomètre optique temporel) est l'instrument de référence pour interroger les capteurs distribués. Il émet une impulsion lumineuse dans la fibre et analyse le signal rétrodiffusé depuis une seule extrémité du câble.

Ce mode de fonctionnement unilatéral est particulièrement adapté aux déploiements sur de grandes distances, où l'accès aux deux extrémités d'un câble peut être difficile ou coûteux. Un réflectomètre peut surveiller en continu plusieurs capteurs positionnés à différents points d'une liaison optique.

L’innovation pour la croissance du marché du très haut débit

Applications industrielles : un éventail en forte croissance

Les systèmes DTS transforment chaque mètre de fibre en capteur de température, permettant une surveillance thermique continue sur l'ensemble d'un linéaire. Les secteurs utilisateurs sont nombreux : industrie pétrolière et gazière, industrie chimique et géothermie, distribution d'énergie électrique ou télécom, génie civil, prévention incendie et environnementale.

Les systèmes DAS (détection acoustique distribuée), c’est-à-dire des capteurs de vibration et d'acoustique basés sur la diffusion Rayleigh, ouvrent un champ applicatif très large : surveillance de périmètres et de frontières, études sismiques, surveillance des voies ferrées, industrie de distribution de fluides.

Les réseaux de Bragg sont particulièrement utilisés en génie civil pour une surveillance structurelle grâce à des mesures de pression et de contrainte dans les structures. Leur précision est élevée, bien que leur coût de mise en œuvre, tant pour l'installation que pour le système d'analyse, reste un facteur à considérer dans les décisions d'investissement.

En synthèse

Le déploiement actuel des réseaux FttH est une opportunité à saisir : les fibres télécom installées peuvent être valorisées comme infrastructure de capteurs répartis, en particulier pour la détection acoustique ou sismique, sans surcoût d'infrastructure significatif. Les capteurs à fibre optique constituent aujourd'hui une technologie mature, aux performances éprouvées et aux applications clairement identifiées, notamment dans l’industrie. Pour les décideurs et les managers techniques, les questions à poser ne portent désormais plus sur la fiabilité de la technologie, mais sur trois axes stratégiques :

• L'adéquation entre le type de capteur et les besoins de mesure spécifiques ;
• L'intégration dans les infrastructures existantes, notamment la valorisation des fibres télécom déployées ;
• Le rapport coût/bénéfice des systèmes d'analyse associés.

L’utilisation de la fibre optique comme capteur dans le modèle économique des réseaux construits dans le cadre du Plan France Très haut débit apporte une réponse optimale à la définition d’un territoire connecté : en effet, elle permet d’élargir l’accès à de nouvelles applications dans plusieurs domaines - énergie, transports, sécurité, industrie - tout en contribuant à réduire notre empreinte environnementale.

Afin d’éclairer les applications de la fibre autres que celles traditionnelles qui adressent le marché résidentiel et/ou professionnel, le Cercle CREDO rédige actuellement un guide sur le "fiber sensing" en ajoutant notamment une brique aux nombreuses utilisations possibles de ce nouvel outil.

Notes :

(1) L'interférométrie est une famille de techniques dans lesquelles des ondes, généralement des ondes électromagnétiques, se superposent, provoquant le phénomène d'interférence afin d'extraire des informations.

(2) L’effet de speckle (ou de chatoiement en français) est l'ensemble des petites taches rapidement fluctuantes qui apparaissent dans la texture instantanée d'une image et qui lui donnent un aspect granuleux

(3) La biréfringence est la propriété qu'ont certains corps transparents de diviser en deux le rayon lumineux qui les pénètre.

(4) Ondes électromagnétiques qui se créent à proximité de la surface d'un milieu, se propagent parallèlement à cette surface et s'amortissent très rapidement à l'intérieur du milieu.

(5) On parle de diffusion inélastique du rayonnement lorsque l'énergie du rayonnement diffusé est différente de l'énergie du rayonnement incident.