Mitigation of atmospheric turbulence effects on optical links by integrated optics

par Luca Rinaldi

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Vincent Michau et de Guillermo Martin.

Le président du jury était Marc Ollivier.

Le jury était composé de Guillermo Martin, Jean-Philippe Berger, Antonella D'Orazio, Antonella Bogoni.

Les rapporteurs étaient Jean-Philippe Berger, Antonella D'Orazio.

  • Titre traduit

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


  • Résumé

    La croissance des liaisons optiques en espace libre conduit à des systèmes dont les débits de données atteignent des dizaines de gigabits/s. Pour atteindre de tels débits, une des approches les plus fréquemment envisagées est de coupler le signal reçu dans une fibre optique monomode, ou Single-Mode Fiber (SMF), et ainsi bénéficier des technologies développées pour les liaisons par fibre. Cependant, en raison des effets de la turbulence atmosphérique, une dégradation de l'efficacité du couplage est présente lorsque le faisceau se propage en espace libre. Bien que les techniques d'atténuation des turbulences, telles que l'optique adaptative (OA), soient largement utilisées à des angles d'élévation élevés, les liaisons satellite-sol en orbite basse doivent faire face à des angles d'élévation faibles et à une distance de propagation plus longue dans l'atmosphère. Cette propagation plus longue induit des fluctuations d'intensité qui rendent la mesure du front d'onde plus complexe. Dans ce contexte, une nouvelle alternative prometteuse aux miroirs déformables consiste à décomposer l'onde perturbée en un ensemble de modes de propagation associés à différents guides d'ondes, puis à combiner de manière cohérente ces modes guidés. La décomposition des modes est réalisée par un dispositif de multiplexage spatial, ou Space-Division Multiplexing device (SDM). Une fois que le faisceau reçu est décomposé en un ensemble de modes, ils sont recombinés par un circuit photonique intégré, ou Photonic Integrated Circuit (PIC). Les avantages de cette méthode sont l'absence de pièces mobiles, sa compacité et sa moindre sensibilité aux effets de scintillation. Ce travail est dédié au développement d'un tel dispositif. Dans la première partie, une approche analytique est développée afin de décrire les effets moyens de la turbulence atmosphérique lorsqu'un faisceau est couplé à un ensemble de modes de propagation. Sur la base de cette analyse, la deuxième partie de cette thèse est consacrée à la combinaison cohérente de différents modes guidés sur un PIC. Dans le choix des matériaux pour les PICs, il y a un compromis entre la bande passante, la facilité de fabrication et le nombre de canaux. Les performances de ce dispositif en termes de marge de puissance globale, ainsi que son comportement statistique et temporel sont étudiés à travers des simulations end-to-end. Deux matériaux différents ont été étudiés: le nitrure de silicium (SiN) et le niobate de lithium (LiNbO3). En particulier, la conception et la fabrication d'un PIC à 8 canaux à base de LiNbO3 sont analysées. Un PIC à base de SiN a également été caractérisé en termes de réponse temporelle et d'effets de couplage. Malgré ses principaux avantages, le dispositif présente toujours des pertes élevées. Pour remédier à ces pertes, nous proposons dans la dernière partie de ce manuscrit l'utilisation d'un dispositif SDM dans une approche d'OA dite Sensorless. Contrairement aux approches d'OA Sensorless classiques, qui n'utilisent qu'une seule SMF, les multi-sorties du SDM sont utilisées pour améliorer le temps de convergence de l'algorithme d'optimisation.


  • Résumé

    The growth of optical links in free space leads to systems with data rates of tens of gigabits/s. To reach such data rates, one of the most frequently considered approaches is to couple the received signal into an optical Single-Mode Fiber (SMF) and thus benefit from technologies developed for fiber links. However, due to atmospheric turbulence effects, a degradation of the coupling efficiency is present when the beam propagates in free space. Although turbulence mitigation techniques such as Adaptive Optics (AO) are widely used at high elevation angles, low-Earth orbit satellite-to-ground links have to deal with low elevation angles and longer propagation distance in the atmosphere. Such longer propagation induces intensity fluctuations which results in a more complex wavefront measurement. In this context, a new promising alternative to deformable mirrors is to decompose the perturbed wave into a set of propagation modes associated with different waveguides, and then coherently combining these guided modes. The mode decomposition is performed by a Space-Division Multiplexing (SDM) device. Once the received beam is decomposed into a set of modes, they are recombined through a Photonic Integrated Circuit (PIC). The advantages of this method include the absence of moving parts, its compactness, and its lower sensitivity to scintillation effects. This work is dedicated to the development of such a device. In the first part, an analytical approach is derived in order to describe the average effects of atmospheric turbulence when a beam is coupled with a set of propagation modes. Based on this analysis, the second part of this thesis is devoted to the coherent combination of different guided modes on a PIC. In the selection of materials for PICs, there is a trade-off between bandwidth, manufacturability and number of channels. The performance of this device in terms of overall power margin, as well as its statistical and temporal behavior through end-to-end simulations are considered. In this thesis, two different materials have been studied: silicon nitride (SiN) and lithium niobate (LiNbO3). Particularly, the design and fabrication of a 8-channel LiNbO3 based PIC is analyzed. A SiN-based PIC has been also characterized in term of time response and coupling effects. Despite its main advantages, the device still presents high losses. To tackle these losses, in the last part of this manuscript we propose the use of a SDM device in a Sensorless AO approach. In contrast to standard Sensorless AO approaches, which use only one SMF, the multi-outputs of the SDM are used to improve the convergence time of the optimization algorithm.


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