Transfert de données à haut débit dans le moyen infrarouge à température ambiante à l'aide de dispositifs intrabande ultrarapide

High throughput free-space data transmission at room-temperature in the mid-infrared using ultrafast intersubband devices

• Auteur / Autrice : Hamza Dely
• Direction : Carlo Sirtori
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/03/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Berroir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carlo Sirtori, Jean-Marc Berroir, Cyril C. Renaud, Delphine Marris-Morini, Marco Piccardo, Joshua Freeman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cyril C. Renaud, Delphine Marris-Morini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique

Mots clés libres

Dispositifs quantiques intrabandes

Communication en espace libre

Modulation haute fréquence

Infrarouge moyen

Dispositifs quantiques unipolaires

Intersubband quantum devices

Free-Space communication

High-Frequency modulation

Mid-Infrared

Unipolar quantum devices

Résumé

Le développement des dispositifs unipolaires, dont les lasers à cascade quantique (QCL) sont le meilleur exemple, a ouvert des nouvelles possibilités en termes de circuits photoniques dans l’infrarouge moyen (3 μm-12 μm) avec de nombreuses applications à la clé : spectroscopie, LIDAR, communications en espace libre. Le potentiel des dispositifs unipolaires reposant sur le très court temps de vie des transitions intrabandes offrent naturellement de meilleures performances en terme de bande passante à −3 dB (quelques 100GHz) que leurs équivalents infrarouge proche à 1.5 μm largement déployés aujourd’hui et sont, à l’heure actuelle, la meilleure solution pour moduler à très haute fréquence les faisceaux issus de QCL dans le moyen infrarouge aux longueurs d’onde de 10 μm. Ce travail de thèse présente dans un premier temps la physique des dispositifs unipolaires avant d’exposer les résultats de transmission de données à très haut débit sur porteuse dans l’infrarouge moyen obtenus à l’aide de différents systèmes constitués de dispositifs quantiques unipolaires tels que les modulateurs, détecteurs et QCL opérés à température ambiante. En particulier j’ai démontré que le design d’un nouveau type de modulateur externe basé sur l’effet Stark intrabande permet d’envisager une amélioration substantielle des performances de ces systèmes de communication moyen infrarouge au-delà de 100 Gbit · s⁻¹. Le dispositif permet également d’envisager la conception de systèmes de détection cohérente permettant de repousser encore les débits présentés dans cette thèse. Des projets en cours permettront d’intégrer ces dispositifs au sein de circuits photoniques analogues à ceux ayant changé radicalement les télécommunications à 1.5μm ces dix dernières années.

Development of unipolar devices, among which quantum cascade lasers (QCL) are the best example, paved the way to new possibilities concerning photonic circuits in the mid-infrared (3 μm-12 μm) with plenty of new applications: spectroscopy, LIDAR, free-space communications. The potential of unipolar quantum devices relies on the very short lifetime of intersubband transitions. They offer naturally better performances in terms of flat −3 dB bandwidth (a few 100 GHz) compared to their near-infrared equivalents operated at 1.5 μm and widely used nowadays. Unipolar devices represent right now the most promising solution for the modulation of mid-infrared beams emitted by QCLs around 10 μmwavelength. This thesis introduces the physics of unipolar quantum optoelectonic devices before presenting very high throughput data transmission results in the mid-infrared obtained thanks to several systems composed of unipolar quantum optoelectronics, namely modulators, detectors and QCLs operated at room-temperature. In particular, I showed that the design of a new kind of external modulator based on the unipolar Stark effect predicts a substantial improvement of mid-infrared data transmission systems above 100 Gbit · s⁻¹. The device also permits the design of coherent detection systems enabling even higher data bit rates. Ongoing project would allow the integration of such devices on photonic system-on-chips analogous to those which revolutionized near-infrared telecommunications in the last decade.