SIMULATEUR DE CANAL OPTIQUE TURBULENT POUR TÉLÉCOMMUNICATION OPTIQUE ESPACELIBRE

FREE SPACE OPTICS: TURBULENT OPTICAL CHANNEL SIMULATOR

• Auteur / Autrice : Marie Bertille Mosnier
• Direction : Angélique Rissons
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectroniques
• Date : Inscription en doctorat le 17/10/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique et télécommunications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA OLIMPES Optronique, Laser, Imagerie Physique et Environnement Spatial
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ISAE/DEOS/GEET Département Electronique Optronique Signal

Mots clés

Mots clés libres

Optique espace libre

Telecom optique

Turbulences atmosphérique

Modelisaition électromagnetique

Photonique

Faisceau gaussien

Free space optics

Optical communications

Atmispheric turbulences

Electromagnetism model

Photonics

Gaussian Beam

Résumé

L'impact des turbulences atmosphériques est un des principaux verrous au bon fonctionnement des transmissions laser en espace libre que ce soit pour des communications terrestres, bord-sol ou encore des applications LIDAR [2]. Plusieurs solutions de compensation utilisant l'optique adaptative ont déjà été proposées mais nécessitent toutes un compromis entre la boucle de correction du front d'onde et le débit [3]. D'autre part, la transposition des fluctuations de la phase spatiale sur la phase spectrale est un frein à la montée en débit, les observations montrent déjà des phénomènes identiques aux limitations des transmissions avec laser multimode en modulation directe. Le projet EPLO (Emulateur de propagation Libre Optique) vise la réalisation d'un outil de simulation des différents régimes de turbulence et d'un émulateur physique de lien laser. En s'inscrivant dans ce projet, la thèse portera sur la conception de ce nouvel outil de simulation en proposant une solution innovante de pré compensation par source laser multimode. En répartissant le signal du transmetteur sur plusieurs modes, la décomposition de la phase sera faite en amont des turbulences tout en conservant la même puissance ce qui permettra de séparer la phase et l'amplitude à la source. Une partie de la thèse, consiste à concevoir un modèle Python combinant pour la première fois les effets des turbulences atmosphériques sur différents profils laser multimode (Modes de Laguerre-Gauss). Afin d'optimiser les temps de calcul, le modèle utilisant une méthode Monte-Carlo sera optimisé à l'aide de méthodes de calcul originales efficaces, développées dans une thèse en cours dirigée par l'ENAC (Propagation électromagnétique en milieu turbulent : investigation des modélisations multi-échelle). Il est alors envisagé de transposer des techniques de modélisation de propagation électromagnétique par ondelettes utilisées dans le domaine microondes [5] à des ondes optiques [1]. Cet outil sera alors utilisable pour différentes applications de lien laser atmosphérique et permettra de réaliser des émulations en laboratoire selon différents scénarios de turbulence modifiable en temps réel. La thèse comportera un volet de validation expérimentale du modèle en testant la dégradation de la phase spatiale et son report sur le bruit de la liaison en fonction des différentes formes d'ondes déjà explorées [6] et des différents types de détection en particulier la détection cohérente. Un modèle innovant de l'impact d'une source multimode sera alors proposé après validation expérimentale. Les résultats de la thèse tout comme les résultats du projet EPLO, seront déclinables sur des applications LIDAR atmosphériques ou ainsi que de liaisons terrestres en environnement océaniques ou désertiques. [1] V. Malkin and N. Fisch, “Transition between inverse and direct energy cascades in multiscale optical turbulence,” Physical Review E, vol. 97, no. 3, p. 032202, 2018. [2] Poulenard, S. (2015). Laser link, an alternative to radio-frequency feeder link for high throughput satellite? . Toulouse : PhD ISAE Supaero - Université fédérale de Toulouse. [3] Canuet L., Reliability of satellite-to-ground optical communication, Toulouse : PhD ISAE Supaero - Université fédérale de Toulouse [4] Galiègue, H., Féral, L., & Fabbro, V. (2017). Validity of 2-D electromagnetic approaches to estimate log-amplitude and phase variances due to 3-D ionospheric irregularities. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 122(1), 1410-1427. [5] Zhou, H., Douvenot, R., & Chabory, A. (2020). Modeling the long-range wave propagation by a split-step wavelet method. Journal of Computational Physics, 402, 109042. [6] Elayoubi, K. (2019, juin 11). Etude des chaines de communication pour liaisons optique à travers l'atmosphère. Thèse. Toulouse: Université de Toulouse, ISAE-Supaero

The atmospheric turbulence impact is one of the main breakthroughs to the operation of free space laser transmissions, whether Terrestrial network, satellite-ground or even LIDAR applications [2]. Several compensation solutions using Adaptive Optics (AO) have already been proposed but all require a tradeoff between the wavefront correction loop and the throughput [3]. On the other hand, the transposition of the fluctuations of spatial phase on the spectral phase slow down the increase in bit rate, the observations already show phenomena similar to the limitations of transmissions with multimode laser in direct modulation. The Free Optical Propagation Emulator projet (EPLO in French) aims to achieve a simulation tool for the different turbulent regimes and a physical laser link emulator. As part of this project, the thesis will focus on the design of this new simulation tool by proposing an innovative solution for precompensation by multimode laser source. By distributing the signal from the transmitter over several modes, the phase decomposition will be done upstream of the turbulence while maintaining the same power, allowing the decoupling of the phase and the amplitude at the source. Part of the thesis consists in designing a Python model combining for the first time the effects of atmospheric turbulence on different multimode laser profiles (Laguerre-Gauss Modes). In order to optimize calculation times, the model using a Monte-Carlo method will be optimized using effective original calculation methods, developed in an ongoing thesis supervised by ENAC (Electromagnetic propagation in a turbulent medium: investigation of multi-scale modeling). It is then envisaged to transpose modeling techniques of electromagnetic propagation by wavelets used in the microwave domain [5] to optical waves [1]. This tool will then be usable for different applications of atmospheric laser link and will make it possible to carry out emulations in the laboratory according to different scenarios of turbulence that can be modified in real time. The thesis will include an experimental validation of the model by testing the degradation of the spatial phase and its transfer to the noise of the link according to the different waveforms already explored [6] and the different types of detection, in particular the detection consistent. An innovative model of the impact of a multimode source will then be proposed after experimental validation. The results of the thesis, like the results of the EPLO project, will be available on atmospheric LIDAR applications or as well as terrestrial links in oceanic or desert environments. [1] V. Malkin and N. Fisch, “Transition between inverse and direct energy cascades in multiscale optical turbulence,” Physical Review E, vol. 97, no. 3, p. 032202, 2018. [2] Poulenard, S. (2015). Laser link, an alternative to radio-frequency feeder link for high throughput satellite? . Toulouse : PhD ISAE Supaero - Université fédérale de Toulouse. [3] Canuet L., Reliability of satellite-to-ground optical communication, Toulouse : PhD ISAE Supaero - Université fédérale de Toulouse [4] Galiègue, H., Féral, L., & Fabbro, V. (2017). Validity of 2-D electromagnetic approaches to estimate log-amplitude and phase variances due to 3-D ionospheric irregularities. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 122(1), 1410-1427. [5] Zhou, H., Douvenot, R., & Chabory, A. (2020). Modeling the long-range wave propagation by a split-step wavelet method. Journal of Computational Physics, 402, 109042. [6] Elayoubi, K. (2019, juin 11). Etude des chaines de communication pour liaisons optique à travers l'atmosphère. PhD. Toulouse: Université de Toulouse, ISAE-Supaero.