Architectures hybrides mems–slm pour l'orientation de faisceaux laser en communications optiques sans fil // hybrid mems–slm architectures for laser beam steering in wireless optical communications

Topic description

Les communications optiques sans fil par laser, ou communications FSO, constituent une technologie prometteuse pour les liaisons longues distances, sécurisées, à haut débit et faible consommation, avec des applications terrestres et non-terrestres. Un verrou majeur reste toutefois la capacité à orienter, stabiliser, diviser et reconfigurer dynamiquement un ou plusieurs faisceaux laser vers des récepteurs mobiles ou faiblement alignés. Cette fonction de beam steering conditionne directement la robustesse, la disponibilité et les performances des liens FSO.

Cette thèse vise à développer et valider expérimentalement une solution hybride de beam steering optique combinant miroirs MEMS et modulateurs spatiaux de lumière, ou SLM. Ces deux technologies présentent des propriétés complémentaires : les MEMS sont compacts, rapides et adaptés au pointage dynamique, tandis que les SLM offrent une forte reconfigurabilité spatiale, notamment pour la génération de profils de phase, la correction de front d'onde, le multiplexage spatial et le multi-beam steering. L'enjeu est donc de concevoir des architectures MEMS–SLM capables de combiner grand champ de couverture, précision de pointage, rapidité, stabilité et capacité multi-utilisateurs.

Les travaux porteront d'abord sur un état de l'art approfondi des technologies de beam steering applicables aux communications FSO. Un modèle du système complet sera ensuite développé afin de simuler la chaîne de communication, depuis la source laser jusqu'au récepteur optique, en intégrant les dispositifs MEMS et SLM, le canal de propagation, les erreurs d'alignement, les vibrations, la divergence du faisceau, les pertes optiques et les déformations de front d'onde. Ce modèle permettra d'évaluer des métriques telles que la puissance reçue, le SNR, le BER, le débit et la stabilité du lien. Différentes architectures hybrides seront ensuite proposées et étudiées, et des algorithmes seront développés pour l'acquisition et la poursuite de faisceau, ainsi que pour adapter le signal aux conditions de canal. La thèse aboutira à la réalisation d'un banc expérimental de laboratoire permettant de valider les solutions développées sur plusieurs dizaines de mètres. Les performances seront caractérisées en termes d'angle de balayage, temps d'acquisition, précision de pointage, stabilité temporelle, robustesse aux vibrations et performances de communication multi-utilisateurs.

Les travaux seront menés au LISV, en collaboration avec le Lab-STICC, dans un environnement combinant expertises en communications optiques sans fil, MEMS, SLM, beam steering, traitement du signal, commande et expérimentation optique.
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Laser-based free-space optical communications, or FSO communications, are a promising technology for long-range, secure, high-data-rate and low-power links, with applications in both terrestrial and non-terrestrial networks, including inter-building, inter-vehicle, drone-to-ground, drone-to-drone and satellite communications. However, a major challenge remains the ability to dynamically steer, stabilize, split and reconfigure one or several laser beams toward mobile or weakly aligned receivers. This beam steering capability is a key requirement for improving the robustness, availability and performance of FSO links.

This PhD project aims to develop and experimentally validate a hybrid optical beam steering solution combining MEMS mirrors and spatial light modulators, or SLMs. These two technologies offer complementary features: MEMS mirrors are compact, fast and well suited to dynamic beam pointing, while SLMs provide advanced spatial reconfigurability, enabling phase profile generation, wavefront correction, spatial multiplexing and multi-beam steering. The main objective is therefore to design MEMS–SLM architectures that combine wide angular coverage, high pointing accuracy, fast response, link stability and multi-user capabilities.

The work will first include a detailed state-of-the-art review of beam steering technologies relevant to FSO communications. A complete optical and system-level model will then be developed to simulate the communication chain from the laser source to the optical receiver, including the selected MEMS and SLM devices, the FSO channel, alignment errors, vibrations, beam divergence, optical losses and wavefront distortions. This model will be used to evaluate communication-related metrics such as received power, SNR, BER, data rate and link stability. Several hybrid architectures will then be investigated, and algorithms will be developed for beam acquisition and tracking. Signal processing and machine learning techniques may also be considered where relevant, e.g., to process the transmitted and received signal depending on the channel conditions. The project will lead to the implementation of a laboratory demonstrator to experimentally validate the proposed solutions over distances of several tens of meters. The developed hybrid MEMS–SLM systems will be characterized in terms of scanning angle, acquisition time, pointing accuracy, temporal stability, robustness to vibrations or motion, and multi-user communication performance using standard metrics such as SNR and BER.

The PhD will be carried out at LISV, in collaboration with Lab-STICC, within a multidisciplinary environment combining expertise in optical wireless communications, MEMS, SLMs, optical beam steering, signal processing, control and optical experimentation.
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Début de la thèse : 01/10/

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Contrats ED : Programme blanc GS-SIS