Integrated adaptive optics for atmospheric turbulence effects mitigation on optical links
Optique adaptative intégrée pour l'atténuation des effets de la turbulence atmosphérique sur les liaisons optiques
Résumé
Optical links offer a promising solution to lighten saturated radio-frequency transmissions with the growing need for free-space communications. At the receiver end, the injection into a Single-Mode Fibre (SMF) allows high-data-rate and the use of components already developed for fibre communications. In the case of links through the atmosphere, turbulence effects on the optical wave severely degrade the SMF coupling. A method to mitigate these effects is Adaptive Optics (AO). An alternative technique has been recently proposed. This solution, referred to here as integrated-AO, is based on a spatial demultiplexer followed by a Photonic Integrated Circuit (PIC) that ensures the SMF injection after coherent combination. Integrated-AO could represent a compact and robust promising solution also enabling correction in strong perturbation regimes. However, its implementation faces an important issue: the realization of a complex PIC with minimum losses and phase shifters bandwidth high enough for real-time control. Indeed, PICs allowing for phase shifters with sufficient bandwidth, such as Lithium Niobate PICs, do not allow complex architecture and possess limiting losses. PICs in Silicon, allow for complex architecture but also possess limiting losses and permit phase shifters with limited bandwidth in our application case. It is therefore essential to take the best advantage of the available technologies.This thesis focuses on the analysis of the ultimate performances of an integrated-AO in the presence of atmospheric turbulence, based on the development of an original control method for photonic integrated circuit architecture dedicated to coherent combination.In a first step, to determine the properties of the signals to be combined after the spatial demultiplexer, I analyzed the statistical properties of its output complex amplitudes. It highlighted the interest in a simplified architecture that presents fewer losses based on a phase correction followed by a static coherent combination. I retained such an architecture in my thesis.Moreover, I established an analytical expression of the decorrelation time of the complex amplitudes at the spatial demultiplexer output. A numerical application of a representative satellite-to-ground link allows me to highlight that typical phase shifters of Silicon PICs present limited bandwidth to apply classic modulation-based control methods for the real-time control of PICs with a high number of inputs.To overcome the constraints on phase shifters bandwidth, I implemented an original control method based on a spatial coding. This method allowed me to use the PIC as a wavefront sensor to estimate residual phases after one modulation period. I analyzed its behavior in the presence of measurement noises and optimized the spatial coding with respect to this criterion. With the optimized coding, this method reaches the fundamental photon noise propagation of wavefront sensors.Based on the previous conclusions (phase-only architecture, decorrelation time, optimized spatial coding), I defined the main parameters of an integrated-AO dedicated to satellite-to-ground link. I carried out a numerical experiment demonstrating that this original control method can close the loop and is stable with respect to measurement noises in realistic conditions. I then proposed a slightly modified architecture to simplify the control law.Finally, to demonstrate that this original control method can close the loop and is stable on an experimental PIC with all its imperfections, I implemented it to control the phase shifters of a Lithium Niobate PIC that I characterized beforehand. I validated its usefulness by comparing its closed-loop performances with classic modulation-based control methods.In a last step, I used the characterization of a Silicon PIC, in which I participated, to define the sizing and architecture for realizing a future PIC with optimal performances.
Avec un besoin croissant de communication en espace libre, les transmissions radiofréquences deviennent saturées et les liaisons optiques représentent une solution prometteuse. A la réception, l'injection du signal optique dans une fibre optique monomode (FOM) permet un débit élevé en utilisant les composants déjà développés pour les communications fibrées. Cette injection peut être fortement perturbée par les effets de la turbulence pour des liens à travers l'atmosphère. Pour s'affranchir de ces effets, l'optique adaptative (OA) est couramment utilisée. Une approche alternative, appelée ici OA-intégrée, a été récemment proposée. Elle est basée sur un démultiplexeur spatial (DS) suivi d'un circuit photonique intégré (PIC) assurant l'injection dans la FOM après combinaison cohérente. L'OA-intégrée pourrait représenter une solution compacte et robuste s'appliquant aussi aux fortes perturbations. Sa mise en œuvre nécessite toutefois la réalisation d'un PIC complexe, avec des pertes minimales et des déphaseurs rapides pour un contrôle en temps réel. Or les PIC actuels ne répondent pas à ces besoins. Les PIC en Niobate de Lithium (NL) autorise des déphaseurs avec une bande passante élevée mais pas une architecture complexe, alors que la technologie Silicium (SI) permet des architectures complexes mais des déphaseurs relativement lents. Par ailleurs, les pertes sont encore élevées avec les deux technologies.Cette thèse porte sur l'analyse des performances ultimes d'une OA-intégrée en présence de turbulence atmosphérique, basée sur le développement d'une méthode de contrôle originale pour l'architecture de PIC dédiés à la combinaison cohérente.Premièrement j'ai caractérisé les propriétés des signaux à combiner. Une analyse des propriétés statistiques des amplitudes complexes en sortie du DS m'a conduit à proposer une architecture simplifiée basée sur une correction de phase suivie d'une combinaison cohérente statique présentant moins de pertes. Une telle architecture réduisant significativement les pertes dans le PIC, je l'ai retenue dans la suite de ma thèse. J'ai établi une expression analytique du temps de décorrélation des amplitudes complexes en sortie du DS. En appliquant cette expression au cas d'une liaison satellite-sol, j'ai mis en évidence que la bande passante typique des déphaseurs des PIC en SI est limitée pour permettre un contrôle classique par modulation dans le cas d'un grand nombre d'entrées.Pour surmonter cette contrainte, j'ai proposé une méthode de contrôle originale basée sur une modulation spatiale. Avec cette méthode, le PIC peut être vu comme un analyseur de surface d'onde (ASO) qui permet d'estimer les phases résiduelles en une seule période de modulation. J'ai analysé le comportement de cette méthode en présence de bruit de mesure et j'ai optimisé la forme de la modulation spatiale vis-à-vis de ce critère. Le codage optimal permet à cette méthode d'atteindre la limite fondamentale de la propagation du bruit de photons des analyseurs de surface d'onde.Sur la base des conclusions précédentes (correction phase seule, temps de décorrélation, codage spatial optimisé), j'ai défini les principaux paramètres d'une OA-intégrée dédiée à une liaison satellite-sol. J'ai réalisé une expérience numérique et démontré que cette méthode de contrôle permet la fermeture de la boucle et est stable en présence de bruit de mesure représentatif de conditions réalistes. J'ai également proposé une architecture légèrement modifiée pour simplifier la loi de contrôle.Finalement, pour montrer que cette méthode de contrôle originale est applicable à un PIC réel présentant des imperfections, je l'ai mise en œuvre expérimentalement avec un PIC en NL que j'ai préalablement caractérisé. J'ai mis en évidence son intérêt en comparant ses performances à celles de méthodes de modulation classique. Enfin, j'ai utilisé la caractérisation d'un PIC en SI, à laquelle j'ai participé, pour définir un futur PIC avec des performances optimales.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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