Compensation des effets de la turbulence atmosphérique sur les liens optiques par optique intégrée

par Luca Rinaldi

Projet de thèse en Physique


Sous la direction de Vincent Michau.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière , en partenariat avec ONERA/DOTA - Département Optique et Techniques Associées (laboratoire) , Faculté des sciences d'Orsay (référent) et de Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....) (graduate school) depuis le 05-11-2018 .


  • Résumé

    A horizon 2025, des liens optiques sol-satellite atteignant des débits de plusieurs Tbits/s sont envisagées entre le sol et les satellites. La turbulence atmosphérique perturbe la propagation des faisceaux optiques, et limite le débit de ces liens. L'optique adaptative (OA) est une des solutions les plus prometteuses pour atténuer ces effets et pour atteindre les débits visés. Lorsque le satellite est suffisamment haut dans le ciel, les perturbations sont faibles : les concepts d'optique adaptative développés pour l'astronomie sont parfaitement adaptés. Toutefois les performances de l'OA sont limitées aux élévations plus basses, comme cela peut être le cas pour les liens avec les satellites LEO ou bien lors de liens horizontaaux. Dans ce régime, la scintillation ne permet pas l'utilisation des analyseurs de surface d'onde classiques comme le Shack-Hartmann. Par ailleurs, se pose la question de l'intérêt du contrôle de l'amplitude du champ pour le couplage de l'onde dans un guide monomode. Un concept novateur a été proposé dans la thèse de N. Schwartz. Il consiste à échantillonner le faisceau optique par une matrice de microlentilles, chacune focalisant dans un guide d'onde monomode (fibre optique). Les champs couplés peuvent être alors recombinés par un dispositif en optique intégrée. Au delà de l'architecture proposée, les composants électro-optiques intégrés constituent une alternative très intéressante aux technologies actuelles de miroirs déformables : absence de pièces mécaniques mobiles les rendant très robustes, bande passante beaucoup plus élevée que les miroirs déformables. Dans sa thèse, K. Saab a montré par simulation numérique que les performances attendues étaient très prometteuses. L'objectif de la thèse est de définir, réaliser et tester un prototype de composant en optique intégrée, dédié à un lien sol-satellite. Cette thèse se déroulera dans le cadre d'une collaboration entre l'Onera, l'IPAG et Femto ST (Université de Bourgogne). L'Onera travaille depuis de nombreuses années sur l'optique adaptative et la simulation des effets de la turbulence atmosphérique, notamment dans le cadre des liens optiques. Femto ST a développé une technologie de composants d'optique intégrée en LiNbO3, aujourd'hui largement utilisée pour la modulation optique en communications optiques. Enfin, l'IPAG met en œuvre de tels composants en coopération avec Femto ST pour des interféromètres utilisés en astronomie. La spécification, l'étude de performance et le dimensionnement préliminaire seront effectués à l'Onera en collaboration avec l'IPAG. La conception et la réalisation du composant seront menées à l'Université de Bourgogne. Enfin, la mise en œuvre et le test du composant dans des conditions expérimentales représentatives seront réalisés à l'Onera.

  • Titre traduit

    Mitigation of atmospheric turbulence effects on optical links by integrated optics


  • Résumé

    By 2025, ground-satellite optical links reaching several Tbits / s are envisaged between ground and satellites. Atmospheric turbulence disrupts the propagation of optical beams, and limits these links. Adaptive opticsis one of the most promising solutions for mitigating these effects and achieving target bit rates. When the satellite is high enough in the sky, the disturbances are weak: the concepts of adaptive optics developed for astronomy are perfectly adapted. However, the AO's performance is limited when elevations are low, as can be the case for links with LEO satellites or for horizontal links. In this regime, scintillation does not allow the use of conventional wavefront sensors such as Shack-Hartmann. Moreover, there is the question of the interest of controlling the amplitude of the field for the coupling of the wave in a monomode guide. An innovative concept has been proposed in N. Schwartz's thesis. It consists in sampling the optical beam by a matrix of microlenses, each focusing in a monomode waveguide (optical fiber). The coupled fields can then be recombined by a device in integrated optics. Beyond the proposed architecture, the integrated electro-optical components constitute a very interesting alternative to the current technologies of deformable mirrors: absence of mobile mechanical parts making them very robust, bandwidth much higher than the deformable mirrors. In his thesis, K. Saab showed by numerical simulation that the expected performances were very promising. The objective of the thesis is to define, realize and test a prototype of integrated optical component, dedicated to a ground-satellite link. This thesis will take place in the framework of a collaboration between Onera, IPAG and Femto ST (University of Burgundy). Onera has been working for many years on adaptive optics and simulating the effects of atmospheric turbulence, particularly in the context of optical links. Femto ST has developed an integrated optical component technology in LiNbO3, which is now widely used for optical modulation in optical communications. Finally, IPAG implements such components in cooperation with Femto ST for interferometers used in astronomy. The specification, the performance study and the preliminary design will be carried out at Onera in collaboration with IPAG. The design and implementation of the component will be conducted at the University of Burgundy. Finally, the implementation and testing of the component under representative experimental conditions will be carried out at Onera.