Nouveaux dispositifs à cascade quantique dans l'infrarouge moyen pour des applications dans l'optique espace libre, la sécurité des données et la photonique des micro-ondes

Novel mid-infrared quantum cascade devices for applications in free-space optics, data security and microwave photonics

• Auteur / Autrice : Pierre Didier
• Direction : Frédéric Grillot, Olivier Spitz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique
• Date : Soutenance le 11/10/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....) - Laboratoire de Traitement et Communication de l'Information
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Amy-Klein
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Amy-Klein, Manijeh Razeghi, Delphine Marris-Morini, Grégory Maisons, Carlo Sirtori, Alexeï Baranov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Manijeh Razeghi, Delphine Marris-Morini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaos (théorie des systèmes)

Traitement optique de l'information

Systèmes de communication à laser

Télécommunications optiques en espace libre

Mots clés libres

Photonique dans le moyen infrarouge

Optique en espace libre

Théorie du chaos

Mid-infared photonics

Free-space optics

Chaos theory

Résumé

Cette thèse de doctorat porte sur la transmission optique en espace libre (FSO) dans la région de l’infrarouge moyen couvrant trois aspects principaux : la transmission FSO à grande vitesse, la communication privée par synchronisation chaotique, et l’intégration de systèmes de communication FSO-RF. Dans le domaine de la transmission FSO à grande vitesse, cette recherche s’intéresse à différents schémas de modulation, de filtrage et d’équalization. Des dispositifs en cascade tels que les lasers en cascade interbande (ICL) et les lasers en cascade quantique (QCL) sont utilisés. Des débits de données allant jusqu’ ´ a 14 Gbps sont obtenus en utilisant des ICL et des photodétecteurs interbandes en cascade (ICIP) dans la fenêtre 3-5 µm. Des QCL et des modulateurs externes bases sur l’effet stark sont également mis en œuvre, permettant d’atteindre des débits de données allant jusqu’ à 68 Gbps. Ces dispositifs offrent une puissance modulée élevée, ce qui les rend adaptes aux transmissions sur de longues distances. La thèse explore également l’application des techniques de synchronisation chaotique pour la communication privée sur les liaisons FSO. Les propriétés chaotiques des sources lumineuses dans l’infrarouge moyen sont exploitées, ce qui permet de dissimuler des messages dans des signaux chaotiques. La complexité du chaos généré permet une transmission privée; les utilisateurs légitimes obtenant de faibles taux d’erreur alors que ceux des utilisateurs non légitimes sont important. En outre, la thèse étudie l’intégration des systèmes de communication FSO et RF. L’objectif est de créer une conversion entre les liaisons FSO à grande vitesse et les liaisons RF. Des techniques de battement hétérodyne sont utilisées, combinant des lasers à cascade quantique pour générer des signaux de battement. Cette approche permet la transmission de signaux FSO sur la bande Ka par l’intermédiaire d’un détecteur QWIP. La recherche démontre la faisabilité de l’intégration FSO-RF, ouvrant des possibilités de combiner les avantages des deux systèmes de communication. Dans l’ensemble, cette thèse présente des avancées en matière de transmission FSO à grande vitesse, de communication sécurisée utilisant la synchronisation chaotique, et d’intégration des systèmes FSO et RF.

This doctoral thesis focuses on free-space optical (FSO) transmission in the mid-infrared region covering three main aspects: high-speed FSO transmission, private communication through chaotic synchronization, and integration of FSO-to-RF communication systems. In the field of high-speed FSO transmission, the research optimizes modulation schemes, equlaization for high speed data transmission in the mid-infrared spectrum. Cascade devices such as interband cascade lasers (ICLs) and quantum cascade lasers (QCLs) are utilized. Data rates of up to 14 Gbps are achieved using ICL and interband cascade interband photodetectors (ICIPs). QCLs and external modulators based on electrically modulated absorption are also implemented, achieving data rates up to 68 Gbps. These devices high modulated power, making them suitable for long-distance transmissions. The thesis also explores the application of chaos synchronization techniques for private communication over FSO links. Chaotic properties of light sources in the mid-infrared are leveraged, enabling the concealment of messages within chaotic signals. The complexity of the generated chaos allows for private transmission, with legitimate users achieving low error rates while non-legitimate users experience a higher error rate. Furthermore, the thesis investigates the integration of FSO and RF communication systems. The aim is to create a conversion between high-speed FSO links and RF links. Heterodyne beating techniques are utilized, combining quantum cascade lasers to generate beat signals. This approach enables the transmission of FSO signals over the Ka band through a QWIP detector. The research demonstrates the feasibility of FSO-to-RF integration, opening possibilities for combining the advantages of both communication systems. Overall, this thesis presents advancements in high-speed FSO transmission, secure communication using chaotic synchronization, and integration of FSO and RF systems. The research findings have implications for various fields, including telecommunications, satellite communication, and secure data transmission.