Precompensation of turbulence effects by adaptive optics: application to free-space optics

Précompensation des effets de la turbulence par optique adaptative : application aux liaisons optiques en espace libre

Noah Schwartz (1)

1 ONERA - The French Aerospace Lab [Châtillon]

Effects of atmospheric turbulence, on long distance endo-atmospheric propagation (over a few miles), can be seriously detrimental to free-space optical communications (FSO). The field of the optical wave undergoes phase perturbations that modulate the received intensity. These perturbations can seriously afflict FSO reliability. Pre-compensation by adaptive optics (AO) has been proposed to mitigate these effects and enable the possibility to increase propagation distance and data throughput. The purpose of this thesis is to evaluate the performance and limitations, in terms of FSO effectiveness, of different AO correction methods and to study the possibility of more efficient concepts. We demonstrate that a phase and amplitude iterative correction approach - latter described as optimal correction - enables excellent performance, among the best so far proposed. The study of this theoretical approach enables us to set boundaries to the effectiveness of AO system. We showed that an efficient correction can be achieved greatly beyond the weak perturbation regime. In strong turbulence, it appears that classical approaches - AO by wavefront measurement, phase modulation or iterative phase correction (described as sub-optimal) - are limited. These limitations are due to scintillation, phase branch points and noise. We quantify the drop of performance relative to the optimal correction and propose a solution enabling the minimization of scintillation effects on phase measurements. We finally propose a method to pre-compensation for phase and amplitude and in particular for measurement and control, that should enable the implementation of the optimal correction.

En propagation endo-atmosphérique et sur des longues distances (supérieure à quelques kilomètres), les effets de la turbulence atmosphérique sont importants pour les liaisons de télécommunication optique en espace libre (LOA). Le champ de l'onde subit des perturbations de phase qui modulent l'intensité reçue par le récepteur, dans des proportions pouvant être rédhibitoires pour la fiabilité de la liaison. La pré-compensation du champ émis à l'aide d'une optique adaptative (OA) a été proposée afin de limiter cet effet et de permettre d'augmenter la distance de propagation ainsi que le débit des LOA. L'objectif de cette thèse est d'évaluer les performances et les limites, en termes d'efficacité vis-à-vis des LOA, des différentes méthodes de corrections par OA et d'étudier la possibilité de concepts plus efficaces. Nous avons montré qu'une approche itérative de correction de phase et d'amplitude - qualifiée de correction optimale - permet d'atteindre des performances excellentes, la meilleure parmi les approches proposées jusque-là. L'étude de cette approche théorique, nous a permis de fixer les limites de l'apport d'un système d'OA et de montrer que la correction a encore un intérêt largement au-delà de la limite des faibles perturbations. Dans le régime de fortes turbulences, nous montrons les limites des approches classiques - OA par mesure de front d'onde (ASO), par modulation de phase ou itérative de phase (qualifiée de sous-optimale) - notamment à cause de la scintillation, des enroulements de phase et de la présence de bruit de mesure. Nous avons quantifié la baisse de leurs performances vis-à-vis de la correction optimale et proposé une solution permettant de s'affranchir des effets de la scintillation sur la mesure de front d'onde. Nous avons finalement proposé un dispositif pour la pré-compensation de phase et d'amplitude et plus particulièrement de la mesure et de la commande qui devrait permettre de mettre en œuvre la correction optimale.

Mots clés: Adaptive Optics; Optical Communications; Optical Propagation; Correction In Strong Turbulence.

Mots clés: Optique Adaptative; Télécommunication Optique; Propagation Optique; Correction En Fortes Perturbations.

Domaines: Optique [physics.optics]

Noah Schwartz. Précompensation des effets de la turbulence par optique adaptative : application aux liaisons optiques en espace libre. Optique [physics.optics]. Université Nice Sophia Antipolis, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00771276⟩