Étude des ondes à Moment Angulaire Orbital pour les liaisons Radiofréquences

par Duy Kevin Nguyen

Thèse de doctorat en Electromagnétisme et systèmes haute fréquence

Sous la direction de Olivier Pascal et de Jérôme Sokoloff.

Soutenue en 2016

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Despite his discovery in the early twentieth century, the Orbital Angular Momentum (OAM) is an electromagnetic wave property unexploited yet. Since the 1990s, it has been firstly used in Optics with paraxial or Gaussian beams. On the contrary to the Spin Angular Momentum which has two orthogonal states, the Orbital Angular Momentum has theoretically infinite orthogonal states. Recently, this property has been studied with experiments in the radiofrequency domain which arouse the interest for these kinds of waves. Indeed, the Orbital Angular Momentum, as an information encoding medium, has been highly considered in optical links. In the telecommunication community, it shows the perspective of improving the link capacity with equivalent spectral occupation. In a highly controversial context, the objective of this work is to study the fundamental properties of the Orbital Angular Momentum to learn the basic properties of waves carrying Orbital Angular Momentum, called electromagnetic vortexes. It will permit to finally determine the potentials and the limits of his use. This first step gave two ways of study. On the one hand, we bring our contribution in improving the existent works on the estimation theory of the order of Orbital Angular Momentum. On the other hand, the link budget of a wave carrying Orbital Angular Momentum is proposed with an asymptotic study to end with an original formulation. It shows the equivalent terms of gains and losses which can help the pre-conception of a communication system using Orbital Angular Momentum. This formulation is validated in simulation and with an experimental prototype of a system with four Orbital Angular Momentum communication channels, realized with the support of the CNES. Finally, this manuscript ends with discussions on the many possibilities given by the Orbital Angular Momentum.

  • Titre traduit

    Studyof waves carrying Orbital Angular Momentum for Radiofrequency Links


  • Résumé

    Malgré sa découverte au début du XXe siècle, le Moment Angulaire Orbital (OAM) est une propriété de l'onde encore inexploitée actuellement. Au cours des années 1990, les premières utilisations pratiques du Moment Angulaire Orbital d'une onde électromagnétique ont vu le jour dans le domaine optique. Il s'agissait alors de faisceaux collimatés ou gaussiens. Contrairement au Moment Angulaire de Spin qui ne possède que deux états orthogonaux, il existe en principe une infinité d'états pour le Moment Angulaire Orbital. On peut également exhiber pour eux des propriétés algébriques d'orthogonalité. Les récentes expériences qui mettent en oeuvre cette propriété dans le domaine des hyperfréquences ont suscité un intérêt pour ces ondes. En effet, l'utilisation du Moment Angulaire Orbital, en tant qu'élément de codage de l'information, a été récemment investiguée dans le domaine des liaisons optiques. Au sein de la communauté des télécommunications, elle laisse notamment apparaître des perspectives d'accroissement des capacités de transmission, à occupation spectrale équivalente. Nous proposons dans cette thèse l'étude des concepts fondamentaux, en appui sur l'état de l'art, pour poser les bases de la compréhension de ces ondes si particulières, également appelées vortex électromagnétiques. Malgré la très vive controverse actuelle autour de ce sujet, l'objectif de ces travaux est de dresser un premier bilan des aspects fondamentaux sur le Moment Angulaire Orbital et de statuer sur les potentialités et les limites de son utilisation. Nous avons défini deux axes d’étude pour atteindre ces objectifs. D'une part, nous apportons une contribution en approfondissant les travaux existants sur la théorie de l'estimation locale de l'ordre du Moment Angulaire Orbital. D'autre part, la problématique du bilan de liaison d'une onde porteuse de Moment Angulaire Orbital est largement étudiée. Un développement asymptotique est proposé pour aboutir à une formulation originale faisant apparaître des termes équivalents de gains et de pertes. Cette formulation, permettant de pré-dimensionner un système de communication à Moment Angulaire Orbital, est validée en simulation et expérimentalement à l'aide d'un prototype de système de communication à quatre canaux de Moment Angulaire Orbital, conçu et réalisé avec le soutien du CNES. Enfin, prenant part à un travail amont sur le Moment Angulaire Orbital, ce manuscrit s'achève sur des discussions quant aux potentialités multiples liées à cette propriété.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (127 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 119-125

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2016 TOU3 0033
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