Étude des communications optiques sécurisées par chaos intégrant une clé physique via un composant électro-optique dédiée

Study of secure optical communications using a physical key performed by a customezed electro-optical device

• Auteur / Autrice : Mourad Nourine
• Direction : Laurent Larger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Résumé

Ce travail de thèse étudie la démonstration numérique et expérimentale de la génération de signaux chaotiques à partir d'une nouvelle architecture optoélectronique appartenant à la catégorie des systèmes d'Ikeda, et destinée aux communications de données optiques sécurisées par chaos à haut débits. Le principe s'appuie sur une dynamique électro-optique non linéaire à multiples retards, dont la non linéarité est construite grâce à un interféromètre à 4 ondes réalisé en optique intégrée (LiNbO3), et disposant de 2 électrodes de modulation indépendantes, autrement dit : une non linéarité bidimensionnelle (2D). Cet interféromètre est un modulateur QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), qui fait partie de la famille des modulateurs Mach-Zehnder à 4 bras; il permet pratiquement de relier 2 boucles de rétroaction opto-électroniques, pour produire un chaos sur la variable dynamique intensité optique. La dynamique particulière obtenue peut se résumer à un modèle théorique de deux équations intégro-rérentielles, excitées par un terme non linéaire retardé qui est fonction de deux variables dynamiques couplées. Au travers d'une étude numérique et expérimentale, nous avons cherché à analyser certains des nombreux comportements dynamiques que peut présenter cet oscillateur, en fonction de divers paramètres physiques du montage: régimes de point fixe stable, périodiques, et chaotiques. La mise en œuvre du montage expérimental a permis de valider le modèle théorique adopté pour les simulations. Ainsi, cet oscillateur permet de disposer d'une part, d'une dynamique ultra-rapide jusqu'à des fréquences de plusieurs GHz, et d'autre part, de générer un chaos de grande dimension destiné au cryptage physique de données optiques. En fin, le potentiel de décryptage du système cryptographique complet, composé d'un émetteur et d'un récepteur, a été mis en évidence numériquement, en modulant chaotiquement une information binaire à plus de 3 Gbit/s.

This work develops a numerical and experimental demonstration for the generation of chaotic signals using a new optoelectronic architecture belonging to the class of Ikeda systems. The principle relies on an electro-optic non-lenear delay dynamics, which non linearity is performed by a 4 waves integrated optics interferometer including 2 independent electro-optic modulation inputs: the non linearity is therefore two-dimensional (2D). This interferometer is a Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) modulator, which is a type of the integrated lithium niobate (LiNbO3) Mach-Zehnder modulators with 4 arms. This component allows to link two electro-optic loops to produce a chaotic optical intensity. The dynamics of the microwave oscillation can be described by two integro-diferential nonlinear delayed equations, with a nonlinear delayed term which is a function of two coupled variables. We have built a mathematical model of the system and analysed a number of its possible solutions : stable steady states, periodic and chaotic regimes. The experimental observations allowed to validate the dynamical model, through good qualitative agreements with the numerical simulations. This oscillator allows both to have ultra-fast dynamics up to several GHz frequencies, and potentially high dimensional chaos intended for encryption of optical data at the physical layer. Finally, the potential of decryption rate of the complete cryptographic system, consisting of a transmitter and a receiver, is numerically demonstrated using chaotic modulation of digital information at the rate higher than 3 Gbit/s