Thèse Architectures Hybrides Mems-Slm pour l'Orientation de Faisceaux Laser en Communications Optiques sans Fil H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication Laboratoire de recherche : Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes de Versailles Direction de la thèse : Luc CHASSAGNE ORCID 0000000342404591 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-12T23:59:59 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. Les communications optiques sans fil par laser, ou free-space optical (FSO) communications, constituent une technologie prometteuse pour les liaisons longues distances sécurisées à haut débit et faible consommation, notamment pour des applications aux réseaux terrestres (e.g., communications inter-bâtiments, inter-véhicules, etc.) et non-terrestres (e.g., communications avec et entre drones et satellites, etc.). Des débits de l'ordre de la centaine de Gbit/s ont ainsi déjà été démontrés expérimentalement en extérieur et de nombreux travaux sont engagés sur ces différents cas d'application [GUA25], [WAN24].

Un verrou majeur au développement des FSO reste néanmoins la capacité à orienter, stabiliser, diviser ou reconfigurer dynamiquement un ou plusieurs faisceaux laser vers des récepteurs mobiles ou faiblement alignés, à l'aide de techniques dîtes de beam steering. De nombreuses solutions de beam steering ont donc été proposées et étudiées [KAY18]. Les solutions mécaniques classiques offrent de grands angles de pointage mais sont souvent volumineuses. Les miroirs à microsystèmes électromécaniques (MEMS) permettent une miniaturisation importante, mais font face à des compromis entre ouverture optique, planéité du miroir, angle de déflexion et vitesse de réponse [LIU25], [MUL26]. En parallèle, les modulateurs spatiaux de lumière (spatial light modulator, SLM) permettent de générer avec un grande flexibilité des profils de phase, des réseaux de diffraction, des lentilles numériques ou des faisceaux multiples très variés [HAI25]. Des travaux ont par exemple montré l'intérêt de SLM pour le multi-beam steering, avec des faisceaux dirigés vers plusieurs utilisateurs, ainsi que des architectures de partage de puissance et de multiplexage spatial pour les communications optiques [JIA24].

Les solutions MEMS et SLM présentent des caractéristiques complémentaires : les MEMS sont rapides, compacts et adaptés au pointage fin, tandis que les SLM offrent une reconfigurabilité spatiale avancée mais avec des limitations de vitesse, de rendement et de puissance optique admissible. L'objectif de cette thèse est donc d'étudier des architectures hybrides MEMS-SLM combinant rapidité, précision, grand champ de couverture et capacités multi-utilisateurs.

Pour cela, les principaux verrous à traiter sont : le compromis entre grand angle de déflexion et haute précision de pointage ; la synchronisation entre un composant MEMS rapide et un SLM plus lent mais plus flexible ; les pertes optiques induites par le SLM, notamment liées à l'efficacité diffractionnelle ; la gestion de la polarisation et de la longueur d'onde ; la calibration géométrique entre coordonnées SLM, angle MEMS et position au récepteur ; le suivi de cibles mobiles ou perturbées ; la compatibilité entre contraintes de communication et contraintes opto-mécaniques ; le passage d'un faisceau unique à des architectures multi-faisceaux. L'objectif principal de la thèse consiste à développer et valider une solution expérimentale de beam steering optique hybride MEMS-SLM pour des liaisons FSO par laser, avec démonstration d'un lien dynamique stabilisé.

Plus spécifiquement, les sous-objectifs rattachés à cet objectif principal sont les suivants :

1. État de l'art et analyse comparative : Réaliser une étude approfondie des technologies de beam steering applicables aux FSO (miroirs MEMS, fast steering mirrors, SLM, OPA, acousto-optic deflectors, metasurfaces et architectures hybrides).

2. Modélisation optique et système : Développer un modèle complet de la chaîne optique (source laser, optique de collimation, dispositifs MEMS et SLM retenus suite à l'état de l'art, canal FSO, récepteur optique) afin d'évaluer par simulation diverses métriques relatives à la qualité de communication(puissance reçue, SNR, BER, débit, stabilité du lien). Ce modèle pourra notamment intégrer les erreurs d'alignement, les vibrations, la divergence du faisceau, les pertes de propagation, les déformations de front d'onde, etc.

3. Conception d'architectures hybrides MEMS-SLM : Définir et étudier les différentes architectures MEMS-SLM possibles (e.g., MEMS pour pointage rapide + SLM pour correction fine de front d'onde, MEMS pour balayage grand angle + SLM pour multi-faisceaux, SLM pour acquisition large champ + MEMS pour stabilisation rapide, SLM segmenté pour desservir plusieurs récepteurs + MEMS pour compensation dynamique globale, etc.). Pour chaque architecture, il conviendra de développer des algorithmes de pilotage permettant l'acquisition et la poursuite de faisceau, la maximisation de la puissance reçue. Des techniques de traitement de signal et d'apprentissage automatique pourront également être développées pour le filtrage temporel des erreurs de pointage, l'allocation dynamique de puissance entre plusieurs faisceaux et la compensation de perturbations mécaniques ou atmosphériques.

4. Réalisation et validation expérimentale d'un banc de test : Mettre en place un démonstrateur de laboratoire permettant de valider expérimentalement sur plusieurs dizaines de mètres les différentes solutions développées. On cherchera notamment à caractériser l'angle de balayage, le temps d'acquisition, la précision de pointage, la stabilité temporelle, la robustesse aux vibrations ou mouvements des solutions hybrides MEMS-SLM développées, tout en caractérisant ses performances de communications multi-utilisateurs au travers des métriques classiques comme le SNR et le BER.

Tout.e candidat.e intéressé.e par ce sujet devra idéalement disposer de compétences en optique physique et propagation laser, en photonique et/ou instrumentation optique, en traitement du signal et commande, ainsi qu'en programmation (MATLAB, Python, etc.). Des connaissances en expérimentation optique, en communications optiques numériques, ainsi que des notions en MEMS, SLM ou optique adaptative seront appréciées. En outre, de solides compétences en matière de communication et de relations interpersonnelles, y compris en matière de collaboration, d'initiative, d'autonomie, d'orientation vers les résultats et de capacité à travailler dans un environnement interdisciplinaire seront appréciées. Un bon niveau d'anglais est indispensable, la connaissance du français est un atout mais pas une exigence.