À ce jour, aucun système efficace d'alerte rapide aux tsunamis (TEWS pour ses initiales en anglais) n'a encore été mis en place à l'échelle mondiale. Cette situation reflète un défi proverbial dans le domaine des géosciences : Instrumenter les fonds marins du monde entier et mener des observations à long terme avec une couverture spatiale et temporelle suffisante. Un paradigme sous la forme d'une nouvelle technologie photonique a été proposé pour une surveillance véritablement multi-échelle, tout en maintenant des coûts relativement bas. La détection acoustique distribuée (DAS) utilise les fibres optiques elles-mêmes pour mesurer la distribution spatiale des propriétés environnementales en chaque point de la fibre optique. En exploitant les plus d'un million de kilomètres de fibres optiques posées sur les continents et les océans, la communauté scientifique disposerait d'un réseau mondial permanent de surveillance composé de capteurs à composante unique, très sensibles et densément espacés, capables de fournir des données en temps réel et en continu. Bien qu'il ait été démontré que le DAS est capable d'enregistrer des phénomènes océanographiques de longue période tels que les marées et les ondes de gravité, et que des observations empiriques de sensibilité aux variations de pression du fond marin aient été rapportées, le mécanisme de détection de la pression dans le DAS reste à décrire quantitativement. Dans ce contexte, cette thèse vise à fournir une preuve de concept d'une architecture DAS spécifique (détection sensible à la phase utilisant des impulsions laser chirpées) adaptée aux applications TEWS. Pour atteindre cet objectif, ce travail a évalué la sensibilité requise et examine les performances de l'instrument DAS pour s'assurer de la détection des vagues de tsunami. Un modèle dérivé des déformations (strain) du fond marin potentiellement induites par les vagues de tsunami est présenté et montre que la compliance du sol marin et l'effet de Poisson sur le câble sont les principaux mécanismes par lesquels le DAS est censé enregistrer le passage des vagues de tsunami. L'analyse du modèle dérivé est étayée par des simulations physiques tridimensionnelles entièrement couplées de la rupture sismique, des ondes sismo-acoustiques et de la propagation des ondes de tsunami. En outre, comme pour la plupart des instruments, la sensibilité aux basses fréquences est principalement entravée par le bruit de 1/f de l'instrument. Ce travail identifie plusieurs améliorations dans le matériel opto-électronique afin de réduire le bruit de l'instrument et d'augmenter la sensibilité aux signaux à basse fréquence pertinents pour les signaux de tsunami, en particulier dans le régime de 1 à 10 mHz. L'analyse théorique et les simulations numériques présentées dans ce travail montrent qu'il est réellement possible de détecter les vagues de tsunami à l'aide de câbles à fibres optiques.

To date, an effective Tsunami Early-Warning System (TEWS) at a global scale is not yet in place. This reflects a proverbial challenge in geosciences: To instrument the world's ocean floors and conduct long-term observations with sufficient spatial and temporal coverage. A paradigm in the form of a novel photonic technology has been proposed for truly multi-scale monitoring, whilst keeping costs relatively low. Distributed Acoustic Sensing (DAS) uses optical fibers themselves to measure the spatial distribution of environmental properties along every point of the optic fiber. By leveraging the more than one million kilometers of optical fiber laid across the continents and oceans, the scientific community stands to gain permanent, global monitoring network of densely-spaced, highly sensitive single-component sensors, capable of providing continuous real-time data. Although it's been shown that DAS is capable of recording long-period oceanographic phenomena such as tides and gravity waves waves, and empirical observations of sensitivity to seafloor pressure variations; the pressure detection mechanism in DAS remains to be quantitatively described.Within this context, this thesis aims to provide a proof-of-concept of a specific DAS architecture (phase-sensitive detection employing chirped laser pulses) suitable for TEWS applications. Towards this objective, this work assessed the sensitivity required, and considers DAS instrument performance to ascertain detection of tsunami waves. A derived model of the expected seafloor strains potentially induced by tsunami waves is presented and finds seafloor compliance and the Poisson effect on the cable as the primary mechanisms through which DAS is anticipated to record the passage of tsunami waves. The analysis of the derived model is supported by fully coupled 3-D physics-based simulations of earthquake rupture, seismo-acoustic waves and tsunami wave propagation. Furthermore, as most instrumentation, the sensitivity at low frequencies is primarily hindered by 1/f instrument noise. This work identifies several enhancements in the opto-electronic hardware towards reducing instrument noise, and increase of sensitivity to low-frequency signals relevant to tsunami signals, specifically in the 1-10 mHz regime. The theoretical analysis and numerical simulations presented in this work point to the real possibility of detecting tsunami waves using fiber optic cables.