Optique adaptative pour les télécommunications optiques

par Kassem Saab

Thèse de doctorat en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Laurent Mugnier et de Vincent Michau.

Soutenue le 29-11-2017

à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées (laboratoire) , Observatoire de Paris (établissement opérateur d'inscription) et de DOTA- ONERA- Université Paris Saclay / DOTA, ONERA, Université Paris Saclay (F-91123 Palaiseau - France) (laboratoire) .

Le président du jury était Pierre Kervella.

Le jury était composé de Laurent Mugnier, Vincent Michau, Denis Mourard, François Reynaud, Sylvestre Lacour, Géraldine Artaud, Jacques Berthon.

Les rapporteurs étaient Denis Mourard, François Reynaud.


  • Résumé

    Les télécommunications optiques en espace libre sont capables d'autoriser des débits de plusieurs dizaines de gigabits par seconde. Pour traiter ces débits en bénéficiant des techniques développées dans le cadre de l'optique fibrée, il est souhaitable d'injecter le faisceau reçu dans une fibre monomode. Ainsi, l'optique adaptative est proposée pour limiter les pertes d'injection induites par la dégradation de la qualité du faisceau propagé à travers la turbulence atmosphérique.Dans ce travail nous considérons un lien entre un satellite et une station de réception au sol. En élévation haute lorsque les perturbations d'amplitude peuvent être moyennées en augmentant la taille de la pupille la correction de la phase par optique adaptative (OA) classique peut être suffisante. Mes travaux dans ce cadre portent sur la mise en œuvre expérimentale de l'optimisation du couplage entre un système d'OA classique et une fibre monomode, en corrigeant les aberrations différentielles entre la voie de mesure de la surface d'onde et la voie d'injection du signal corrigé par OA. Le travail accompli dans l'objectif de cette mise en œuvre, se résume par les tâches suivantes : Définition d'une méthode d'optimisation automatique de l'injection par contrôle d'un seul miroir déformable pour la correction conjointe des perturbations rapides de la phase et des aberrations différentielles quasi-statiques ; Étude numérique de l'implantation de la méthode définie par simulation end-to-end ; Mise en œuvre de la méthode en laboratoire sur le banc BOA en modélisant la turbulence atmosphérique par des écrans de phase en rotation et validation du fonctionnement de l'optimisation de l'injection en boucle fermée ; Application de la méthode sur le banc ODISSEE à l'OCA puis fermeture de la boucle sur un signal optique émis par le satellite japonais SOCRATE.Par ailleurs, le lien satellite doit être opérationnel sur une durée maximale. Pour cela, le système doit fonctionner même dans le cas où le satellite est bas sur l'horizon et donc lorsque la portion d'atmosphère traversée par le faisceau est épaisse. Dans ces conditions particulières, les perturbations induites par les fluctuations de l'indice de l'air sont plus fortes que pour l'observation astronomique, donc la correction simultanée de la phase et de l'amplitude est indispensable pour atteindre le taux d'injection désiré (> 50 %). La deuxième partie de la thèse se place dans ce cadre et est consacrée à l'étude de l'implantation expérimentale d'une approche innovante de la correction de la phase et de l'amplitude fondée sur l'utilisation d'un Mach-Zehnder en optique intégrée. Le travail réalisé dans cette partie comporte les points suivants : Élaboration du principe de la correction par un Mach-Zehnder et proposition d'un dispositif généralisé à N voies ; Étude analytique de la correction par le dispositif proposé ; Développement d'un algorithme de contrôle fondé sur l'architecture proposée en optique intégrée ;• Validation numérique du fonctionnement par simulation end-to-end ; Conception d'un prototype pour la validation expérimentale du concept.

  • Titre traduit

    Adaptive optics for free space optical communication


  • Résumé

    Free space optical communications are able to allow rates of several tens of gigabits/s. In order to process these flows and benefit from the techniques developed in the context of fiber optics, it is desirable to inject the received beam into a single mode fiber. In this case, adaptive optics is proposed to limit the injection losses induced by the degradation of the beam quality caused by the atmospheric turbulence.In this thesis, we consider a link between a satellite and a ground receiving station.For high elevations when amplitude perturbations can be averaged by increasing the size of the pupil and the correction of the phase is sufficient by conventional adaptive optics (AO), this work deals with the experimental implementation of the coupling optimization between a conventional AO and a single mode fiber, by correcting the non common path aberrations between the measurement path of the wave front and the injection path of the corrected signal. The accomplished work in this context is summarized by the following tasks: definition of an automatic injection optimization method by controlling a single deformable mirror for the parallel correction of fast phase disturbance and quasi-static differential aberrations; numerical study of the implementation of the proposed method defined end-to-end simulations ; implementation of the method in the laboratory on the BOA bench, modeling the atmospheric turbulence by rotating phase screens, and validation of the injection optimization in closed loop ; application of the method on the ODISSEE bench at the OCA and closing of the loop on a laser signal emitted by the Japanese satellite SOCRATE.Besides, the link must be operational for a maximum duration. Indeed, the system must operate even when the satellite is low on the horizon and, therefore, when the crossed portion of atmosphere is thick. In these particular conditions, the disturbances induced by the air index fluctuations are stronger than for astronomical observations, so that, the simultaneous correction of the phase and the amplitude is essential to reach the desired injection ratio (> 50 %). Based on this analysis, the second part of this thesis focuses on the study of the experimental implementation of an innovative approach of a phase and amplitude correction based on using an integrated Mach-Zehnder. The work done in this part consists in the following points : elaboration of correction principle by a Mach-Zehnder and proposition of a generalized device with N channels ; theoretical analysis of the superposition by the proposed device ; development of a control algorithm based on the architecture proposed in integrated optics ; numerical validation of operation by end-to-end simulations ; design of the prototype for the experimental validation of the concept in the laboratory.


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