Étude des chaînes de communication pour liaisons optiques à travers l’atmosphère

Study of communications channels for optical links through the atmosphere

• Auteur / Autrice : Karim Elayoubi
• Direction : Angélique Rissons, Jérôme Lacan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectroniques
• Date : Soutenance le 11/06/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Optronique, laser, imagerie physique, environnement Spatial (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département électronique, optronique et signal
• Jury : Président / Présidente : Christophe Peucheret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Angélique Rissons, Jérôme Lacan, Christophe Peucheret, Ammar Sharaiha, Christelle Aupetit-Berthelemot, Aniceto Belmonte, Anne-Laure Billabert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ammar Sharaiha, Christelle Aupetit-Berthelemot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télécommunications optiques

Astronautique -- Systèmes de communication

Mots clés libres

Télécommunication

Modulation

Réception

Atmosphère

Turbulences

Telecommunication

Modulation

Reception

Atmosphere

Turbulence

Résumé

Les télécommunications optiques en espace libre pour les applications satellites deviennent unealternative aux communications radiofréquences pour les liens feeder (segment Satellite-Gateway) quicommencent à présenter une saturation en termes de bande passante avec une faible capacité desliaisons. Ces liaisons optiques présentent des avantages majeurs notamment une large bande passantedisponible, l’insensibilité aux interférences ou encore l’absence de régulation (pas de coût lié àl’utilisation de telle ou telle bande de longueur d’onde a contrario de la RF). Elles sont envisagées pourles futurs systèmes satellitaires utilisant des satellites en orbites géostationnaires (GEO : GeostaionaryOrbit) ou des orbites terrestres basses (LEO : Low Earth Orbit) afin d’augmenter la capacité desdonnées transmises. L’architecture des terminaux (OGS et satellites) et la modulation optique utiliséesont déterminantes pour la robustesse d’une telle liaison aux effets induits par les couches del’atmosphère. Bien que des expérimentations aient démontré la faisabilité de ce type de solution pourles télécommunications par satellites à des débits de l’ordre du Gb/s, des travaux de recherche sontencore nécessaires pour identifier les solutions techniques adaptées à ce nouveau médium detransmission et développer des émetteurs et récepteurs pouvant supporter des débits allant jusqu’à1Tb/s. Les travaux menés au cours de cette thèse ont pour objectif de développer des architecturesdes liaisons optiques utilisant différents formats de modulation afin de maitriser le comportement desrécepteurs après propagation atmosphérique (lien montant et lien descendant). Après avoir simulé laliaison avec un logiciel dédié à l’optique, un banc expérimental émulant le lien laser atmosphérique aété développé. Dans les deux cas, l’impact des effets atmosphériques a été pris en compte. Latraversée des couches de l’atmosphère présente des variations brusques d’atténuation dues auxturbulences atmosphériques qui agissent directement sur l’indice de réfraction affectant l’amplitudeet la phase du signal optique (on parle aussi des effets de scintillation). Il en résulte potentiellementdes pertes de paquets d’informations. Différents scénarii de perturbations atmosphériques (Faibleturbulences, Beam Wander, Fortes turbulences) ont été appliqués pour simuler numériquementchaque modèle de canal de communication. Le développement du banc ELLA (Emulateur Lien LaserAtmosphérique) a été réalisé pour émuler la traversée des couches atmosphériques et pour validerexpérimentalement en laboratoire les différents scénarii simulés numériquement. Le taux d’erreurbinaire (BER, Bit Error Rate) a été estimé avec et sans effet de fading induit par l’atmosphère dansdifférentes conditions de turbulences atmosphériques afin de déterminer les caractéristiques desliaisons optiques les plus robustes.

Due to expected capacity bottlenecks of exploited microwave technologies, feeder links for data relayor broadband access systems will require the implementation of high capacity optical communicationlinks between space and the ground. In this context, it is necessary to detail the investigation of theoptical technologies and techniques that could enable the transmission of high data rates at opticalfrequencies through the Earth’s atmosphere, with regard to all kinds of the atmospheric phenomena.In particular, the adverse effects of atmospheric turbulence fading are of special relevance to opticalcommunication systems for ground-to-space uplink applications. Although previous studies andexperiments have demonstrated the feasibility of such optical links at low data rate, research is stillneeded to identify technical solutions and strategies adapted to the specific constraints imposed tothese high-speed links in order to ensure the required level of performance. Against this background,various test benches have been developed to characterize different modulations and detectiontechniques for optical communication systems prior to be incorporated in the conceptual design offuture 1-Tb/s ground-space optical links. The expected performances of such experimentaldemonstration are derived based on simulation models taking into account the atmosphericturbulence effects, in order to prove the feasibility of reliable ground-to-space high date rate opticalcommunication links. The main objective of this thesis is the investigation of the free space opticalcommunication through the atmosphere under different turbulence regimes. Both simulation andexperimental demonstrations of such communications are considered and the associated results aredetailed.