Soutenance de doctorat de Sara Zaminga : Chaos photonique dans les lasers à cascade quantique : fondements et applications aux systèmes optiques en espace libre
Télécom Paris, 19 place Marguerite Perey F-91120 Palaiseau [y aller], amphi 3 et en visioconférence
Titre original : Photonic Chaos in Quantum Cascade Lasers: Foundations and Applications in Free-Space Optical Systems
Jury
- Massimo BRAMBILLA, Professeur, Politecnico di Bari — Rapporteur
- Manijeh RAZEGHI, Professeure, Northwestern University — Rapporteure
- Paolo BARDELLA, Professeur, Politecnico di Torino — Examinateur
- Vincent BILLAULT, Ingénieur de recherche, Thales — Examinateur
- Carlo SIRTORI, Professeur, ENS Paris — Examinateur
- Beatrice SORRENTE, Ingénieure de recherche, ONERA — Examinatrice
- Sylvie PAOLACCI-RIERA, Ingénieure de recherche, Direction Générale de l’Armement — Invitée
- Frédéric GRILLOT, Professeur, Télécom Paris — Directeur de thèse
Résumé
Cette thèse de doctorat explore l’utilisation de la lumière chaotique pour les systèmes optiques en espace libre (FSO) de nouvelle génération, en mettant l’accent sur les lasers à cascade quantique (LCQ) opérant dans la fenêtre atmosphérique de l’infrarouge lointain (LWIR). Le cœur du travail porte sur les LCQ à rétroaction distribuée (DFB), dont la dynamique particulière est étudiée à l’aide des équations de Maxwell–Bloch adaptées aux semi-conducteurs (ESMBEs).
— tels qu’un facteur d’élargissement spectral non nul (LEF) et un effet rapide de spatial hole burning (SHB) — combinés à des paramètres géométriques comme la longueur de cavité et le traitement des facettes, déterminent à la fois la stabilité spectrale et la réponse intrinsèque à la modulation. La prise en compte simultanée de ces mécanismes est essentielle pour comprendre la transition entre émission monomode et multimode longitudinale lorsque le courant de polarisation augmente.
En présence d’une rétroaction optique externe, nous démontrons que le chaos photonique émerge de l’interaction entre les modes longitudinaux internes et les modes de la cavité externe — et non d’oscillations de relaxation non amorties comme c’est le cas dans les lasers interbande. L’apparition du chaos requiert une force de rétroaction environ cent fois plus élevée que celle nécessaire pour les diodes lasers, en accord avec la nature quasi-Classe A des LCQ.
Forts de ces observations, nous présentons deux applications pionnières. Premièrement, nous réalisons le premier système LiDAR chaotique dans l’infrarouge lointain, atteignant une précision inférieure au centimètre et une résolution métrique — actuellement limitée par la bande passante des détecteurs. Deuxièmement, nous développons un générateur de nombres aléatoires (RNG) basé sur le chaos, exploitant des LCQ-DFB et atteignant des débits jusqu’à 2,5 Gbit/s — une première dans cette région spectrale.
Nous étudions également la résilience des signaux chaotiques face à la turbulence atmosphérique dans la bande C (1,55 µm). À l’aide d’un modulateur spatial de lumière pour émuler les turbulences en environnement contrôlé et d’un processeur photonique programmable auto-configurable côté réception, nous parvenons à restaurer la dynamique chaotique dégradée par la propagation dans un milieu turbulent, validant ainsi la faisabilité de liaisons FSO robustes face aux perturbations atmosphériques.
Ce travail pose les bases d’une nouvelle classe de systèmes photoniques dans l’infrarouge lointain exploitant le chaos déterministe comme ressource. En reliant physique avancée des lasers, dynamique non linéaire et démonstrations expérimentales, il ouvre la voie à des technologies FSO haut débit, sécurisées et résistantes aux turbulences, avec des perspectives prometteuses en télédétection, télécommunications et cybersécurité.