Free-space optical communication link using quantum cascade laser

This thesis focuses on the design, realization, characterization and development of mid-Infrared free-space optical communication link operating around 10 [micrometer] utilizing direct modulation of quantum cascade laser`s current aiming for 2 Gigabit for second bitrate over an 800 meter propagation path. FSO system prototype includes the transmitter (Quantum Cascade laser), the receiver (Mercury Cadmium Telluride detector), and a Green laser used for alignment the MIR beam. The MIR receiver is characterized using ultrashort light pulses <150 fs around 10 [micrometer] generated by Difference Frequency Generation (DFG) technique. The measured MIR receiver`s electrical bandwidth is 1.2 gigahertz. The full characterization of the MIR transmitter operating at 9.7[micrometer] with a maximum output power 90 megawatt is also reported using a signal generator up to 6 gigahertz, and its response was measured with the MIR receiver connected to electrical spectrum analyzer. In particular, the bandwidth of the direct modulation of the MIR transmitter is also characterized. This research shows that current technology at 10 [micrometer] is challenging to achieve data rate higher than 1 Gigabit for second over 1 km with these commercial components, so further development should be taken into consideration to enhance component characteristics to meet expectations of 10 Gigabit for second over 800 meters.

Questa tesi si concentra sulla progettazione, produzione, caratterizzazione e sviluppo di un collegamento di comunicazione ottica nello spazio libero nell'infrarosso medio operante intorno a 10 [micrometri] con un bitrate di 2 Gigabit per secondo su un percorso di propagazione di 800 metri utilizzando la modulazione diretta della corrente laser a cascata quantistica. Il trasmettitore (un laser a cascata quantica), il ricevitore (un rivelatore al tellururo di mercurio e cadmio) e un laser verde vengono utilizzati per allineare il fascio MIR nel prototipo del sistema FSO. La tecnica di generazione di frequenza differenziale (DFG) produce impulsi di luce ultracorti di circa 150 fs di circa 10 [micrometri] per caratterizzare il ricevitore MIR. Il ricevitore MIR ha una larghezza di banda elettrica di 1,2 gigahertz misurata. Un generatore di segnale fino a 6 gigahertz è stato utilizzato per fornire una caratterizzazione completa del trasmettitore MIR, che funziona a 9,7 [micrometri] con una potenza di uscita massima di 90 megawatt. Inoltre, il ricevitore MIR è stato collegato a un analizzatore di spettro elettrico per misurare la sua risposta. La larghezza di banda della modulazione diretta del trasmettitore MIR è in particolare evidenziata. La larghezza di banda della modulazione diretta del trasmettitore MIR è anche caratterizzata. Si dovrebbero prendere in considerazione ulteriori sviluppi per migliorare le caratteristiche dei componenti e soddisfare le aspettative di 10 Gigabit per secondo su 800 metri, poiché questa ricerca mostra che l'attuale tecnologia a 10 [micrometri] è difficile da utilizzare per raggiungere velocità di trasmissione dati superiori a 1 Gigabit per secondo su 1 km con questi componenti commerciali.