Elaboration et validation expérimentale de modèles de

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PROPOSITION DE SUJET DE THESE
Intitulé : Elaboration et validation expérimentale de modèles de canal de
propagation avec optique adaptative pour les liens optiques
satellite-sol
Référence : PHY-DOTA-2017-20
(à rappeler dans toute correspondance)
Laboratoire d’accueil à l’ONERA :
Branche : Physique
Département :
Optique
Appliquée (Dota)
Théorique
Lieu (centre ONERA) :
Chatillon
et
Unité : HRA
Tél. : 01 46 73 47 57
Responsable ONERA : Nicolas Védrenne
Email : [email protected]
Directeur(s) de thèse envisagés :
Nom : Raphaël Lebidan (TELECOM Bretagne - Dept SC, Technopole Brest-Iroise, CS 83818, 29238
BREST Cedex 3 – France), Yves Jaouen (Télécom ParisTech, Ecole de l’Institut Télécom – membre
de ParisTech, 46, rue Barrault – 75634 Paris Cedex 13)
Tél. : +33 (0)2 29 00 15 24
Email :
[email protected],
paristech.fr
yves.jaouen@telecom-
Sujet :
Pour répondre au besoin croissant en liaison très haut débit entre les satellites et le sol, les liens
optiques font l’objet de développements soutenus. Au niveau du sol, pour bénéficier des technologies
des composants fibrés, et pouvoir atteindre plusieurs dizaines de Gbps par canal l'onde optique
émise par le satellite doit être injectée à la réception dans une fibre optique monomode. Lors de sa
propagation à travers l’atmosphère la cohérence de l’onde est altérée par la turbulence
atmosphérique, ce qui crée des pertes d’injection. Pour juguler ces pertes, la correction par OA est
aujourd'hui la solution retenue par les principales nations impliquées [[1], [2], [3]]. Toutefois le
dimensionnement de la correction et le choix des composants des premiers démonstrateurs ont été
effectués dans le but de garantir une qualité de correction maximale, pouvant se traduire par une surspécification et donc un surcoût des systèmes. Dans le but d'ajuster au mieux la qualité de la
correction par OA aux capacités des autres méthodes de correction (codage, entrelacement) les
travaux effectués précédemment (thèse de L. Canuet) ont permis de relier les caractéristiques de la
correction (nombre de modes corrigés, fréquence de la correction, gain) aux métriques télécom
adéquates (capacité du canal, probabilité d'interruption) dans le cas d'une détection directe[5]. Les
développements effectués concernant les statistiques des fluctuations du signal ont été comparés à
des résultats de modélisation numérique [6].
De premières démonstrations de faisabilité de liens optiques entre sol et satellite avec correction par
OA sont en cours [1],[2],[3],[6]. Les systèmes actuels reposent principalement sur la modulation de la
puissance de la source et une détection directe des variations de l'intensité reçue, plus aisée à mettre
en œuvre expérimentalement, à l’exception des travaux menés au DLR avec TESAT[3]. Pour
s'imposer les futurs systèmes devront être les meilleurs marchés possibles, et présenter un potentiel
évolutif. Or la méthode de modulation directe est intrinsèquement limitée, car l'état de la phase du
signal n'est pas exploité. Les méthodes de détection cohérentes permettent d’accroître le nombre de
bit par symbole notamment par la modulation de la phase de l’onde optique, permettant ainsi une
GEN-F160-7 (GEN-SCI-029)
meilleure efficacité spectrale. C'est pourquoi elles suscitent un vif intérêt. L’analyse des travaux
actuels sur le sujet font de la modulation QPSK un candidat d’intérêt pour les liaisons satellites sol
[7]. Toutefois la faisabilité de ce type de détection en présence de perturbations introduites par la
propagation et de leur correction par optique adaptative reste à vérifier. C’est l’objectif de cette thèse.
Les travaux effectués consisteront dans un premier temps à valider le formalisme proposé pour la
statistique du signal injecté au foyer d’un système d’OA pour la détection directe par la comparaison
à des mesures. Ces mesures pourront être issues de données collectées par l’Onera dans le cadre
de ses activités en cours oubien faire l’objet d’une campagne d’acquisition en début de thèse.
Parallèlement l’étudiant développera le modèle de performance télécom en présence de correction
par OA dans le cas d’une chaîne de modulation/démodulation cohérente. Pour cela il établira en
premier lieu un modèle numérique du signal détecté après OA en s’appuyant sur les outils de
modélisation de la propagation développés à l’Onera. En s’inspirant des développements effectués
pour le cas de la détection directe un modèle analytique de la performance de transmission télécom
sera proposé. Les résultats du modèle analytique seront confrontés à la simulation dans quelques
cas d’intérêt. Une validation expérimentale de ces développements avec un lien optique coopératif
pourra être envisagée en fonction de l'avancement des travaux et des opportunités de liens.
[1]
M. Wright, J. Morris, J. Kovalik, K. Andrews, M. Abrahamson, and A. Biswas, "Adaptive optics
correction into single mode fiber for a low Earth orbiting space to ground optical communication link
using the OPALS downlink," Opt. Express 23, 33705-33712 (2015).
Yamashita, T., Shimizu, M., Nishimura, S., Nishizawa, T., Nakai, M., Munemasa, Y., Koyama,
[2]
Y., Takayama, Y., and Toyoshima, M., "In-orbit and networked optical ground stations experimental
verification advanced testbed (innova): The high-performance and compact ground-tracking system,"
in [ICSOS proceedings], International Conference on Space Optical Systems and Applications
(ICSOS)
[3]
Saucke, K., Heine, F. F., Gregory, M., Troendle, D., Seiter, C., Fischer, E., ... & Meyer, R.
(2016, March), The Tesat transportable adaptive optical ground station, In SPIE LASE (pp. 973906973906), International Society for Optics and Photonics, 2014).
[4]
L. Canuet, N. Védrenne, J.-M. Conan, G. Artaud, A. Rissons, J. Lacan, "Evaluation of
communication performance for adaptive optics corrected geo-to-ground laser links", ICSO, 2016.
[5]
L. Canuet, N. Védrenne, J.-M. Conan, G. Artaud, A. Rissons, J. Lacan, "Statistical properties
of SMF coupling of satellite-to-ground laser links partially corrected by adaptive optics", to be
submitted, 2016.
[6]
C. Petit*, N. Védrenne*, M. T. Velluet*, V. Michau*, G. Artaud, E. Samain, M. Toyoshima,
Investigation on adaptive optics performance from propagation channel characterization with the
small optical transponder, Optical Engineering, 55(11), 111611-111611 (2016)
[7]
BELMONTE, Aniceto. Influence of atmospheric phase compensation on optical heterodyne
power measurements. Optics express, 2008, vol. 16, no 9, p. 6756-6767.
Collaborations extérieures : ADS, TAS, ISAE
PROFIL DU CANDIDAT
Formation : Ingénieur Physique Généraliste, Télécoms
Spécificités souhaitées : Traitement du signal, Optique
GEN-F160-7 (GEN-SCI-029)