Optique Adaptative appliquée aux Télécommunications Laser en Espace Libre

162 Pages·2013·3.53 MB·French

Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales
THÈSE de DOCTORAT
pourobtenirlegradede
Docteuren Sciences del’UniversitédeAix-MarseilleIII
Discipline: Physique
Présentéeet soutenuele28 novembre2012par
RUDOLPH BIÉRENT
Optique Adaptative appliquée aux
Télécommunications Laser en Espace Libre
Thèse encadrée par : Marie-Thérèse Velluet
Composition du jury :
Claude Amra Directeur de thèse
Vincent Michau Co-directeur de thèse
Frédérique de Fornel Rapporteur
Sylvain Gigan Rapporteur
Gilles Chériaux Examinateur
Marc Ferrari Examinateur
Remerciements
Entrelatêteet lesmains,lecœur doitêtrelemédiateur.
FritzLang, Metropolis
Ilestdifficiledesavoirquoiattendredetroisannéesdedoctoratalorsqu’ons’yengage.Jeme
doutaisnaturellementdesdifficultés,des découragements,des coupsdepression.Mais toutcela
s’efface déjà bien vite de ma mémoire dès lors que tout est fini. Qu’est-ce qui doit rester alors
de tous ces efforts? Le présent manuscrit, naturellement, et je serai très heureux s’il constitue
effectivement une part infime de la marche sourde et laborieuse de la communauté scientifique
destinéeàaccroîtrelechampdespossibles.Maiscequimeresteraneserapascetobjet.Biensûr,
onleretrouveraquelquepartdansmabibliothèque,maisjesaisquemêmeluijevaisl’oublier.La
valeur de ces trois années passées, je la dois à Vincent et Marie-Thérèse qui se sont toujours at-
tachés àm’éleveràun niveaudecompréhensionvéritabledes phénomènes étudiés.Dorénavant,
il n’y a plus de marche arrière possible; dans tout ce que j’entreprendrai, il me faudra retrou-
ver ce regard lucide et exigeant. Je vous remercie également pour toutes nos discussions sur la
Russie, qui tombaient régulièrement et inopinément à la suite de longues réunions, et qui nous
permettaient de nous quitter revigorés comme par une fraîche brise piquant les pommettes. J’ai
beaucoup apprécié que vous m’ayez écouté avec ce même souci d’apprécier la nature véritable
des choses, et que vous ne vous soyez pas arrêtés sur les lieux communs habitant l’imaginaire
collectifà l’égarddecepays.
Ces trois années m’ont aussi été très agréables grâce aux nombreuses sorties organisées par
les sympathiques doctorants de l’unité. Je me garderai bien de jeter certains de mes scores au
lasergame!J’embrassechaleureusementAmélieetBrunoavecquinousnoussommesserrésles
coudespourveniràboutdel’hydre.Etquedegrandsmomentsavecnoscollèguesd’EChO,avec
qui nous avons pu entrevoir certaines arcanes de l’Onera. Un grand merci à Cécile qui a fondé
notre groupe d’impro de l’Onera et à toute la Lionera. Cela aussi, ce furent des moments que je
n’aurais pas cru vivresurmonlieu detravail.
MerciLaurent,pourcesquelqueschaleureusesannéesentacompagniedansnotrebureau.Ta
disponibilitépour répondre à toutes mes questions surgissant des limbes m’a été très précieuse.
Merci Nicolas de m’avoir permis de faire mes premiers pas, que dis-je!, de m’avoir appris à
marcher à l’Onera. Et de m’avoir aidé à conclure sur ma manip’ dans les derniers moments de
rush d’acquisitions. Merci Francis et Joseph, sans qui je n’aurais tout simplement pas su mon
montermonbancd’optique,et Bruno F. pourses conseils.
Je remercie tous mes proches pour leur soutien, qui plus est Marie-Anne pour m’avoir per-
mis d’avoir un hébergement on ne peut plus pratique (ce que j’évalue à un millier d’heures de
sommeilgagnéessurtoutemathèse),OlivierpoursonamitiéindéfectibleetMariepoursadouce
présence.
Bonnelectureàceux qui tournentlapage.
Résumé
Lestélécommunicationslaserenespacelibresontlimitéesenportéeparlaturbulenceatmosphérique.L’optique
adaptative,parlacorrectiondelaphaseturbulenteàl’émissiondufaisceau,apermisd’étendreleurdomained’ex-
ploitation.Toutefois,surdelonguesdistancesdepropagation,doncàfortrégimedeturbulence,cettecorrectionn’est
plussuffisanteetilfautégalementprécompenserl’amplitudedufaisceauémis.Depremièresétudesnumériquesont
montréqueleprincipederetournementtemporel,ouplusexactementdeconjugaisondephasebidirectionnelleité-
rative,conduiraità desconditionssatisfaisantes de focalisationdufaisceau laser en fortrégimede turbulence.Le
projetSCALPEL,danslecadreduquels’inscritcettethèse,viseàmettreenapplicationceprincipepourdévelopper
unsystèmedetélécommunicationslaserhautdébità4µmsurdesdistancesdel’ordredelavingtainedekilomètres.
Leprincipedeconjugaisondephasen’ayantétéétudiéquethéoriquementjusque-là,montravaildethèses’est
attachéàmettreenœuvreundémonstrateurexpérimentalpourquantifierlesperformancesdecettetechniquedans
desconditionsmaîtrisées.J’aiainsiréaliséunbancd’optiquecomportantunmoduledeturbulencereprésentatifde
conditions réelles et mis à échelle sur quelques mètres de propagationdans le visible. Différentes techniques de
mesure du champ complexeet de mise en forme de faisceau, à la fois en phase et en amplitude,ont été étudiées
numériquement.Lessolutionsretenuesontensuiteétémontéesettestéessurlebanc.Enparticulier,unetechnique
novatrice de mesure plan focal, estimant conjointement phase et amplitude, a été pour la première fois validée
expérimentalement.L’ensembleduprocessusdeconjugaisondephaseitérativeaensuiteétéappliquéaubanc.En
parallèle,unesimulationdeboutenboutdel’expérienceapermisd’évaluerl’influenced’erreursd’étalonnagesur
lesperformancesfinalesdelacorrectionetdevaliderlesrésultatsexpérimentauxobtenus.Lespointsdursdelamise
enœuvred’untelsystèmeontainsiétéidentifiés.Uneméthodesystématiquepourdéfinirunbudgetd’erreuraété
développéeetserviradebasepourlaconceptiond’unsystèmeréelfutur.
L’ensembledecestravauxconstituelatoutepremièredémonstrationexpérimentaleduprincipederetournement
temporeloptique.
Cestravauxpeuventtrouverd’autresdomainesd’applicationcommeleslasersdepuissanceoulapropagation
àtraversdesmilieuxbiologiquestrèsdiffusants,nécessitantégalementdecorrigerlefaisceauàl’émission.
Mots-clés:OptiqueAdaptative,Télécommunicationsoptiques,propagationoptique,Mesureenfortespertur-
bations,Miseenformedefaisceau.
Abstract
Free Space Optical communications(FSO) are range limited due to atmospheric turbulence. Adaptive optics
canmitigateturbulenceeffectsbyaddingaphasemodulationontheemittedlaserbeam.However,bothphaseand
amplitudemodulationareneededtoperformlongrangeFSO.Previousnumericalstudieshaveshownthatiterative
phaseconjugationisanefficientmodulationtechniqueforlasercomsystems.
ThisPhDthesisisdedicatedtothedevelopmentandtherealizationofthefirstexperimentaldemonstrationof
the iterative phase conjugationprinciple in a controlledturbulence environment.An optical bench, representative
ofalongrangepropagationthroughstrongturbulence,hasbeenscaleddowntofew-meterspropagationinvisible.
Several methods for complex field measurement and modulation are numerically studied. Selected methods are
implemented and tested, such as a novel focal plane technique for complex field measurement. Finally, iterative
phaseconjugationisperformedandresultscross-correlatedwithanend-to-endmodelrepresentativeoftheoptical
bench.Amethodtoquicklydefineareal-worldsystembudgeterroristhenproposed.
Thisworkisthefirstexperimentaldemonstrationoftheopticalphaseconjugationprinciple.Applicationscan
befoundinotherfieldsthanlasercoms,suchashighpowerlasersorpropagationthroughhighlydiffusingbiological
tissues,bothinneedoflaseremissionmodulation.
Keywords:Adaptiveoptics,FreeSpaceoptics,Lasercoms,strongturbulenceregimewavefrontsensing,Beam
shaping.
4
Table des matières
Tabledes acronymes 18
Introduction 19
I Les télécommunications optiques en espace libre 23
1 Contexte 25
1.1 Principed’uneliaisonoptiqueatmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.1.1 Essaishistoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.1.2 L’émissionlaserau servicedes télécomsoptiques . . . . . . . . . . . . . 27
1.1.2.1 Dispositifdebase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.1.2.2 Modulationen intensitédu signal . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.1.2.3 Quelsavantages? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.1.2.4 Les limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.2 Lapropagationdusignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.2.1 Un milieudepropagationturbulent:l’atmosphère . . . . . . . . . . . . 30
1.2.1.1 Lephénomènephysique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.2.1.2 LemodèleKolmogorovdecascade d’énergiecinétique . . . . 32
1.2.1.3 Spectre depuissancedesfluctuationsd’indice . . . . . . . . . 33
1.2.2 Équationsdepropagationdu signalàtraverslaturbulence . . . . . . . . 33
1.2.2.1 Équationd’Helmoltz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.2.2.2 Approximationparaxiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.2.2.3 Propriétés duchamp en faiblesperturbations . . . . . . . . . . 35
1.2.3 Simulationdelapropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.2.3.1 Lemodèledes écrans dephase . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.2.3.2 Modélisationdeseffets temporels . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.3 Ladétectiondusignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.3.1 Impact delaturbulenceatmosphèriquedansleplandedétection . . . . . 38
1.3.1.1 Beam wanderet beam spreading . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.3.1.2 Scintillationduchamp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.3.1.3 Cohérence spatialedu champpropagédanslecas ondeplane . 40
1.3.2 Caractérisation delaperformance d’uneliaisonoptique . . . . . . . . . . 40
5
6 TABLEDESMATIÈRES
1.3.2.1 Power-in-the-Bucket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.3.2.2 Fluctuationsd’intensité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.3.2.3 Bit-Error-Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.3.2.4 Lacourteportéesansprécompensation . . . . . . . . . . . . . 42
1.4 Delanécessitédeprécompenserlefaisceau émisen turbulence . . . . . . . . . . 43
2 Pallierleseffets dela turbulence atmosphérique 45
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2 LaprécompensationpourlesLOAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.1 Principedelaprécompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.2 ApplicationauxLOAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3 Précompensationdephase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.1 Lamesuredefront d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.2 Lamodulationdu frontd’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.3 RéalisationsdeLOAsdecourteportée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.4 Longueportée:précompensationdephaseetd’amplitude. . . . . . . . . . . . . 53
2.4.1 Miseenœuvredelaconjugaisondephase . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.1.1 Techniqueàun seulmodulateurdephase . . . . . . . . . . . . 54
2.4.1.2 Techniqueàdeux modulateursdephase . . . . . . . . . . . . 56
2.4.1.3 Matricedefibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4.2 Réalisation delaprécompensationen tempsréel . . . . . . . . . . . . . 58
2.4.2.1 Tempsdecohérence delaturbulenceatmosphérique . . . . . . 59
2.4.2.2 Mesureetémissionentempsréel . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.5 LeprojetSCALPEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.5.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.5.2 Choix delalongueurd’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.5.2.1 Sensibilitéà laturbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.5.2.2 Transmissionàtravers l’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . 61
2.5.2.3 Choixtechnologiquedelasource . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5.2.4 Choixtechnologiquedeladétection . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5.3 Portée delaliaisonoptique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5.4 Diamètredes télescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.5.5 Nombredepointsd’action danslapupille . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.5.6 Performances ultimesthéoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3 Objectifs dela thèse 67
II BART : un démonstrateur de la précompensation par conjugaison
de phase 69
4 Dimensionnement dubanc BART 71
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
TABLEDESMATIÈRES 7
4.2 Miseàl’échelledesparamètres deSCALPEL pourBART . . . . . . . . . . . . 72
4.2.1 BART :choixpréliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.2 Conservationdelaperturbationduchamp danslapupille . . . . . . . . . 72
4.2.3 Conservationdes effetsdiffractifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.4 Récapitulatifdes paramètres deSCALPEL et deBART . . . . . . . . . . 73
4.2.5 Performances simuléesdeBART :reproductiondu volumeturbulent . . . 73
4.3 Lamesuredephaseen présencedefortescintillation . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.1 Choix del’ASO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.2 Adaptation de la diversité de phase à une mesure en présence de scin-
tillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.2.1 Extensiondeladiversitédephaseà3 plans . . . . . . . . . . . 75
4.3.2.2 Réalisationpratique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.3 Unenouvelletechniquedemesuredechampoptique:CAMELOT . . . . 77
4.4 Choixdemiseen forme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4.1 Comparaison deschamps complexesmisen forme . . . . . . . . . . . . 79
4.4.2 Normalisationdu PIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.3 Étudedelamodulationavecdeux modulateursdephase . . . . . . . . . 80
4.4.4 Étudedelamodulationavecun seulmodulateurdephase . . . . . . . . . 82
4.4.5 Quelletechniquedemiseen formesurBART? . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5 Implantationexpérimentale de BART 89
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2 Lemoduled’émission-réception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3 Lavoiedemesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.3.1 Implantationoptique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.3.2 Caméra d’imagerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.4 Lemodulesource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.5 Lavoiedemiseen forme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.5.1 Implantationoptique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.5.2 LeSLM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.5.2.1 ModèledeSLM et caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.5.2.2 Qualitédemiseàplat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.5.2.3 Efficacitédediffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.5.2.4 Conditionsurlemacropixel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.5.3 Lefiltrage fréquentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.5.3.1 Écartementdes ordres parun réseau . . . . . . . . . . . . . . 100
5.5.3.2 Consistanceaveclatailledelatachedediffractionturbulente . 100
5.6 Lemoduleturbulent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.6.1 Définitiondel’écran dephase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.6.2 DSP del’écran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.7 Vued’ensembledeBART et récapitulatifdeses composants . . . . . . . . . . . 104
5.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
8 TABLEDESMATIÈRES
6 Alignement etétalonnagede BART 109
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.2 AlignementdeBART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.2.1 Collimationdu faisceau dans lavoiedemiseen forme . . . . . . . . . . 110
6.2.2 Définitionet matérialisationdel’axeoptique . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.2.3 Étalonnagedelavoiedemesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.2.4 Positionnementdu trou-filtre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.2.5 Positionnementdes composantsplan pupille . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.2.5.1 Positionnementlongitudinaldu SLM . . . . . . . . . . . . . . 114
6.2.5.2 PositionnementlongitudinaldeD . . . . . . . . . . . . . . . 115
a
6.2.5.3 SuperpositiondeD avecD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
d a
6.3 Couplagedu moduledemiseen formeaveclemoduledemesure . . . . . . . . . 116
6.3.1 ÉtalonnagetransverseduSLM parrapport àD . . . . . . . . . . . . . . 116
a
6.3.2 TransformationdelacommandeSLM parrapport àlamesurecaméra . . 117
6.3.2.1 Transformation à appliquer lors d’un enregistrement en plan
focal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.3.2.2 Transformation à appliquer lors d’un enregistrement en plan
pupille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.3.3 Validationexpérimentaledumodèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.3.3.1 Cas d’un éclairementuniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.3.3.2 Cas d’un éclairementnon uniforme . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3.3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.4 Tauxdecouplagerelatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
III Réalisation expérimentale de la conjugaison de phase itérative 127
7 Réalisationexpérimentale de laconjugaison dephase itérative 129
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.2 Procédureexpérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.3 Conjugaisondephaseitérative:Évolutiondu champ . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.3.1 Acquisitiondes résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.3.2 Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.3.2.1 Étudedelaconvergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.3.2.2 Étudedelaqualitédemiseen forme . . . . . . . . . . . . . . 132
7.4 Correction dephaseseuleitérative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.5 Critères deperformances delaliaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.5.1 Taux decouplages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.5.2 Mesuredes plansfocaux turbulents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
7.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8 Simulations end-to-end 141
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.2 Erreurs d’étalonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.2.1 Défaut d’étalonnageexterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.2.2 Défaut d’étalonnageinterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
8.3 Conséquencessurlaconjugaisondephaseitérative . . . . . . . . . . . . . . . . 144
8.3.1 Cas d’unbiaissurlebasculement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
8.3.2 Cas d’unbiaissurladéfocalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.3.3 Cas d’uneerreur aléatoiresurlaconjugaisondephase . . . . . . . . . . 146
8.4 Modélisationdenotreexpérimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Conclusion 153
Bibliographie 156
10 TABLEDESMATIÈRES