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This thesis is concerned with spatial optical solitons in (quasi-two dimensional) planar waveguides, where there is a single longitudinal and (effectively) a single transverse dimension, and whose symmetry the solutions respect consistently. A key feature of Helmholtz soliton theory is that, by recognizing the physical equivalence of the longitudinal and transverse dimensions in uniform media, it can access experimental contexts involving broad, moderately intense beams that propagate and interact at arbitrarily large angles. It thus provides an ideal platform for the systematic generalization of established paraxial results (restricted to applications involving vanishingly-small angles) to the finite-angle domain. Helmholtz soliton theory is expected to play a fundamental role in the design of any futuristic integrated-optic device exploiting the propagation and interaction of spatial soliton beams at oblique angles relative to a reference direction. Exact analytical soliton solutions are derived for a variety of newly-proposed scalar and vector Non-Linear Helmholtz equations. These solutions are valid for a wide variety of media, such as some semiconductors, doped glasses and non-linear polymers. Different types of solution classes have been obtained, including hyperbolic (exponentially localized), algebraic (with power-law asymptotics), amplitude-kink (where the intensity varies monotonically), and spatially-extended (such as trigonometric and cnoidal) waves. Exact analytical solutions have also been obtained in the presence of some higher-order effects - for example, gain/absorption and saturation of the non-linear refractive index. Helmholtz solitons are found to exhibit generic features (such as angular beam broadening), and they reduce to their paraxial counterparts when an appropriate multiple limit (defining rigorously a paraxial beam) is enforced. Each new solution has been tested under a numerical perturbative analysis that examines its stability. Helmholtz solitons have been classified largely as robust attractors, in a non-linear dynamical sense, and this stability is crucial if they are to be exploited successfully in practical applications.

There is much current interest in systems exhibiting homoclinic snaking, in which solution curves of localised patterns snake back and forth within a narrow region of parameter space. Such solutions comprise superimposed, back-to-back stationary fronts, each front connecting a homogeneous and a patterned state. These fronts are pinned to the underlying pattern within the snaking region; elsewhere, they become travelling waves and cannot form localised solutions. Application of standard asymptotic techniques near bifurcation can only produce a stationary front at the centre of the snaking region; this is the Maxwell point, where patterned and homogeneous states are equally energetically favourable. Such methods fail to capture the pinning mechanism because it is an exponentially small effect, and must be studied using exponential asymptotics. Deriving the late terms in the asymptotic expansion and observing that it is divergent, we truncate optimally after the least term. The resultant remainder is exponentially small and governed by an inhomogeneous differential equation. Rescaling this equation near Stokes lines---lines in the complex plane at which forcing is maximal---we observe a smooth but rapid increase from zero to exponentially small in the coefficient of an exponentially growing complementary function as Stokes lines are crossed. Requiring that unbounded terms vanish fixes the phase of the underlying pattern relative to the leading-order front. Furthermore, matching two fronts together produces a set of formulae describing the snaking bifurcation diagram. We successfully apply this method to continuous and discrete systems. In the former, we also show how symmetric solutions comprising two localised patches form figure-of-eight isolas in the bifurcation diagram. In the latter, we investigate snaking behaviour of a one-dimensional localised solution rotated into a square lattice, and find that the snaking region vanishes when the tangent of the angle of orientation is irrational.

L’imagerie temporelle, aussi bien que l’imagerie spatiale, peut être formulée sur la base de deux concepts fondamentaux : i) – systèmes linéaires, et ii) analyse de Fourier. Le premier but de cette thèse est de développer une technique d’algèbre des opérateurs linéaires pour traiter des systèmes d’imagerie temporelle. Cette technique nous permet de décomposer n’importe quel système d’imagerie dans une combinaison de quelques éléments simples. Le but principal de la thèse est d’explorer les possibilités d’imagerie temporelle dans le domaine quantique, c’est-à-dire pour la lumière non classique. En effet, malgré de nombreuses applications de l’imagerie temporelle pour la lumière classique, le domaine d’optique quantique est pratiquement non exploré. Ici nous traitons des deux sujets principaux. Premièrement, nous appliquons une lentille temporelle sur la base d’un mélange à quatre ondes pour la manipulation de la lumière non classique - la lumière comprimée multifréquences. Nous formulons les conditions nécessaires pour le système d’imagerie afin de préserver les propriétés non classiques, dit "squeezing", à la sortie du système. Nous proposons également un nouveau schéma de la lentille temporelle sur la base d’un mélange à quatre ondes de type Bragg contra-propageant. Nous démontrons que ce schéma possède des performances supérieures par rapport aux autres schémas tels que le schéma co-propageant et le schéma de la sommation des fréquences. Deuxièmement, nous utilisons la fonction de réponse du schéma d’imagerie temporelle afin d’étudier la résolution et le champ de vision pour l’imagerie quantique temporelle. Nous formulons des restrictions sur le schéma d’imagerie pour manipuler la lumière non classique par rapport à la manipulation de la lumière classique. / Temporal imaging, like its spatial counterpart, can be formulated in terms of two concepts: i) - linear system, and ii) Fourier analysis. The first aim of this thesis is to show this nature of quantum temporal imaging by the operator algebra that we developed. This formalism allows treating a variety of quantum temporal imaging systems as combinations of a few basic operations.The main goal of this thesis is to explore the application of temporal imaging in the quantum domain. In fact, despite the variety of classical temporal imaging applications, for example, in ultrafast signal processing, applying temporal imaging to manipulate non-classical light is not yet developed. Two main topics are addressed in the thesis. Firstly, we apply the existing four-wave mixing time lens to manipulation of non-classical light such as broadband squeezed light, and formulate the conditions for preservation of squeezing at the output of the scheme. We also propose a new time lens based on counter-propagating Bragg-scattering and show that it has better performance than a time lens based on the co-propagating Bragg-scattering and the sum-frequency generation. Secondly, we use the impulse response function of the imaging system and evaluate the resolution of various schemes for quantum temporal imaging. We also investigate the restrictions of quantum temporal imaging on the resolution and the field of view as compared with similar characteristics for classical temporal imaging.

Le sujet de la thèse initié dans le cadre de l'ANR UV-Borate s'inclut dans le projet UV-Conversion labellisée par 2 pôles de compétitivité (Matériala - Lorraine - et Route des lasers - Aquitaine -) soumis à l'ANR en 2011. Les études se portent particulièrement sur les borates YxLaySc4-(x+y)(BO3)4 (LYSB) et YAl3(BO3)4 (YAB), cristaux Optiques Non Linéaires (ONL) possédant la même structure cristallographique (R32). La croissance de ces cristaux est effectuée par les collaborateurs industriels et universitaires de l'ANR. Ces deux matériaux présentent en effet des possibilités de conversion de fréquence jusqu'à des longueurs d'onde λ < 300 nm, de plus une non hygroscopicité procure une plus grande durée de vie des échantillons et par conséquent un net intérêt pour les applications industrielles. L'endommagement laser étant lié à l'absorption et ainsi, en partie, aux impuretés, une étude de la qualité cristalline et de l'homogénéité de nos cristaux a été effectuée. Les résultats ont permis de relier des défauts de structure (dislocations et etch pits) à la croissance de la maille rhomboédrique via des caractérisations par ombre portée (Photography Schlieren) et par attaque chimique suivi d'une observation par microscopie optique, MEB et MFA. Par ailleurs, des études théoriques et expérimentales d'accord de phase (détermination de Θ et φ) lors de conversions de type I principalement ont été réalisées sur les cristaux de YAB, LYSB ainsi que sur des cristaux de référence tel que ß-BaB2O4 (ß-BBO). L'aspect de l'endommagement laser dans les matériaux ONL a été abordé dans les locaux de l'Institut Fresnel de Marseille au sein de l'équipe Interaction Laser Matière (ILM) sur des échantillons de Li2B4O7 (LTB). L'équipe a effectivement développé un dispositif de mesure de la probabilité d'endommagement laser et de mesure de tenue du seuil d'endommagement laser des matériaux optiques. Par ailleurs, un effort a été mené dans la conception d'un dispositif de mesure de la transmission optique et absorption à température ambiante et aux basses températures afin de révéler des défauts absorbants. Des premiers résultats ont été obtenus et discutés sur des échantillons de ß-BBO et LYSB / The purpose of my thesis, performed within the program of the ANR UV-Borate, was integrated in the UV-Conversion project certified by 2 poles of competitiveness (Matériala - Lorraine - and Route des lasers - Aquitaine -). The project concerned the study of borates YxLaySc4-(x+y)(BO3)4 (LYSB) and YAl3(BO3)4 (YAB), Non-Linear Optical (NLO) crystals which have the same crystallographic structure (R32). The growth of the crystals was realized by industrials and academics collaborators of the ANR. Those two materials present possibilities of frequency conversion until wavelengths λ < 300 nm. Because they are not hygroscopic, they have a bigger time life compare to other materials which offer a most important interest for the industrial applications. We have studied the quality and the homogeneity of our crystals. Indeed, the use of strong optical beam can lead to damages on the crystal and degrade the properties of the materials which are related to the absorption and to impurities of the crystals. Our results allowed to related defaults in the structure (dislocations and etch pits) to the growth of the rhombohedral crystal system by using characterization techniques as the "Photography Schlieren" or optical microscopy (before which a "Chemical Etching" was performed) or by using SEM and AFM. In the fridge of the previous work, theoretical and experimental phase matching studies (determination of Θ and φ) during conversions of frequency of type I were realized on the YAB and LYSB crystals and on the reference crystals such as ß-BaB2O4 (ß-BBO). The aspect of optical damage was investigated at the Institut Fresnel of Marseille in the team Intéraction Laser Matière (ILM). The team has developed a device to measure the Laser Induced Damage (LID) probability and to measure of the Laser Induced Damage Threshold (LIDT) of optical materials. Laser-Induced-Damages studies in NLO materials were also realized on Li2B4O7 (LTB) samples. A strong effort was performed in the design of a device for the measurement of the optical transmission and the absorption at room temperature and low temperatures to reveal absorbent defaults. First state-of-art results were obtained and discussed for ß-BBO and LYSB samples

Στην παρούσα εργασία μελετάται η τρίτης τάξης μη γραμμική απόκριση νανοσωματιδίων παλλαδίου σε συμπολυμερή όπως επίσης και κβαντικών ψηφίδων ιωδιούχου μολύβδου. Ο προσδιορισμός της μη γραμμικής επιδεκτικότητας τρίτης τάξης και η υπερπολωσιμότητα δεύτερης τάξης επιτυγχάνεται με την βοήθεια των τεχνικών Z-scan και οπτικού φαινομένου Kerr (OKE) χρησιμοποιώντας παλμούς λέιζερ 35 psec και 4 nsec με μήκος κύματος διέγερσης 532 nm και 1064 nm. / In this work the third order nonlinear optical response of palladium nanoparticles encapsulated in block copolymers has been investigated as well as lead iodide quantum dots. The third-order nonlinear susceptibility χ(3) and the second hyperpolarizability γ are determined by employing Z-scan and Optical Kerr Effect (OKE) techniques using 35 ps and 4 ns laser pulses at excitation wavelengths of 532 and 1064 nm.

Le trafic internet mondial étant toujours plus important, l’augmentation du débit transmis dans les fibres optiques de façon à diminuer le coût par bit est nécessaire. Les technologies actuelles sur fibres monomodes approchent une limite fondamentale empêchant une augmentation conséquente du débit dans les fibres optiques. Une nouvelle technique appelée le multiplexage de mode spatial est une solution pour dépasser cette limite. Plusieurs modes spatiaux, correspondant aux solutions des équations de propagation, sont multiplexés dans une fibre spécifique pour multiplier le débit transmis par le nombre de modes utilisés. Pour la mise en œuvre de cette technique, ma stratégie est de séparer les modes spatiaux de façon hybride, c'est-à-dire d’abord optiquement puis avec un traitement numérique relativement peu complexe. Dans cette approche, la diaphonie entre les modes non dégénérés n’est pas compensée et doit donc être minimisée sur toute la ligne de transmission pour une transmission de données de bonne qualité. Par l’utilisation d’un multiplexeur-démultiplexeur et d’une fibre pouvant propager six modes spatiaux et induisant peu de diaphonie, j’ai réalisé la transmission d’un signal monocanal de 6x100 Gbit/s dans une fibre de 40 km. Pour des transmissions plus longues que 80 km, un amplificateur est nécessaire pour compenser les pertes de la fibre optique. J’ai donc conçu un amplificateur à fibre dopé Erbium pour cinq modes spatiaux induisant peu de diaphonie et avec un gain supérieur à 15 dB pour tous les modes et réalisé la transmission d’un signal de 5x100 Gbit/s sur une distance de 80 km avec un traitement numérique relativement simple. / With the growth of the internet traffic, it is necessary to increase the throughput of optical fibers in such a manner that the cost per transmitted bit decreases. With the current single mode fiber technologies, we are approaching a fundamental limit which prevents us to continue to increase the throughput in these fibers. A new technique called spatial mode multiplexing is investigated as a solution to overcome this limit. Several spatial modes, corresponding to the solutions of the propagation equations in the fiber, are multiplexed into a specific fiber in order to multiply the throughput by the number of transmitted modes. To implement this technique, my strategy is to separate modes first optically and to use a relatively low complex digital signal processing (DSP). Thus the crosstalk between spatial modes should be minimized in the whole transmission line to retrieve the data. By using a multiplexer-demultiplexer and a fiber supporting six modes and inducing low crosstalk, I achieved 40 km long transmission of six modes each transporting 100 Gb/s on a single wavelength. Transmissions longer than 80 km need an amplifier supporting all modes to compensate the losses in the optical fiber. I thus built a five modes Erbium doped fiber amplifier with low crosstalk and >15 dB gain to achieve the transmission of five modes carrying each 100 Gbit/s in an 80 km long fiber with low complex DSP.

Les polaritons sont des quasi-particules bosoniques venant du couplage fort entre des photons de cavité et des excitons confinés dans une hétérostructure semiconductrice. De par leur temps de vie très court et leur très fortes interactions, les polaritons sont un système idéal pour étudier des problèmes fondamentaux d’hydrodynamique quantique hors équilibre ainsi que des aspects plus appliqués d’optique quantique, comme l’implémentation de transistors opto-electroniques ultra-rapides ou la génération d’états non-classiques de la lumière.Ces deux thèmes sont traités dans cette thèse. Dans la première partie j’y dépeins plusieurs méthodes par lesquelles on injecte optiquement un moment angulaire donné dans un superfluide de polaritons, afin d’observer sa nucléation en plusieurs vortex élémentaires. L’impact de la géometrie, du désordre et de l’interaction nonlinéaire de type "polaritonpolariton" sont étudiés. Nous démontrons la conservation du moment angulaire dans le régime stationnaire malgré la nature hors équilibre et ouverte du système. Dans le régime linéaire, un reseau d’interférences contenant des singularités de phase (vortex optiques) est visible. Dans le régime nonlinéaire (superfluide), les interférences disparaissent et des vortex du même signe se forment en conséquence de la conservation du moment angulaire injecté. Enfin, en ajoutant une contrainte sur la géométrie du système nous avons créé de manière controlée un anneau stable de vortex élémentaire du même signe, ce qui pourrait ouvrir la voie à l’étude des interactions inter-vortex dans les fluides quantiques de lumière.Un autre aspect des polaritons sont les propriétés quantiques de la lumière qu’ils émettent. Dans la seconde partie de cette thèse, je décris une source améliorée de lumière comprimée en régime de variables continues dans des micropiliers semiconducteurs en régime de couplage fort. En effet, la génération de lumière comprimée et intriquée est un ingrédient crucial pour l’implémentation de protocoles en information quantique. Dans ce contexte, les matériaux semiconducteurs ont un grand potentiel pour la realization d’éléments sur puce opérant au niveau quantique. Ici, un mélange à quatre ondes dégénérées est obtenu en excitant le micro-pilier à incidence normale. Nous observons un comportement bistable et démontrons la génération de lumière comprimée près du point tournant de la courbe de bistabilité. La nature confinée de la géométrie du piller permet d’atteindre un taux de compression bien supérieur que dans les microcavités planaires, grâce aux niveaux d’énergies discrets protégés des excès de bruits. En analysant le bruit dans la lumière émise par les micro-piliers, nous obtenons une réduction du bruit d’intensité mesurée à 20,3%, et estimée à 35,8% après correction des pertes de détection. / Polaritons are bosonic quasiparticles coming from the strong coupling between photons and excitons in a solid-state semiconductor microcavity. Due to their short lifetime and their strong nonlinear interactions, polaritons are an ideal system to study fundamental problems of out-of-equilibrium quantum hydrodynamics as well as more applied problematic in quantum optics, such as the implementation of ultrafast opto-electronic switches or the generation of non-classical states of light.In this thesis the two themes are treated. In the first part of my thesis I will depict several schemes by which we optically inject a controlled angular momentum in a polartion superfluid, in order to observe its nucleation into elementary vortices. The impact of the geometry, disorder, and polariton-polariton nonlinear interactions is studied. We show the conservation of angular momentum in the steady state regime despite the open, out-of-equilibrium nature of the system. In the linear regime, an interference pattern containing phase defects is visible. In the nonlinear(superfluid) regime, the interference disappear and the vortices nucleate as a consequence of the angular momentum conservation. Finally, constraining the geometry we were able to create in a controlled way a stable ring of elementary vortices of the same sign, opening the way to the study of vortex-vortex interactions in quantum fluids of light.A second aspect of polaritons is the quantum properties of their emitted light. In the second part of the manuscript I describe a novel source of continuous-variable squeezed light in pillar-shaped semiconductor microcavities in the strong coupling regime. Indeed, the generation of squeezedand entangled light fields is a crucial ingredient for the implementation of quantum information protocols. In this context, semiconductor materials offer a strong potential for the implementation of on-chip devices operating at the quantum level. Here, degenerate polariton four-wave mixing is obtained by exciting the pillar at normal incidence. We observe a bistable behavior and we demonstrate the generation of squeezing near the turning point of the bistability curve. The confined pillar geometry allows for a larger amount of squeezing than planar microcavities due to the discrete energy levels protected from excess noise. By analyzing the noise of the emitted light we obtain a measured intensity squeezing of 20,3%, inferred to be 35,8% after corrections for losses in the detection setup.

Cette thèse présente les premiers travaux réalisés autour d’un nouveau dispositif expérimental de piégeage d’atomes individuels utilisant une unique lentille asphérique de grande ouverture numérique. Au cours de cette thèse, nous avons testé les propriétés optiques de la lentille et démontré la formation d’un col laser de 1 µm ainsi qu’un champ transverse sur lequel la lentille est limitée par diffraction de plus ou moins 25 µm. Après avoir démontré la capacité de ce système à piéger des atomes uniques, les caractérisations usuelles des conditions de piégeage ont été conduites: durée de vie, taux de chauffage, polarisation de la lumière de fluorescence, fréquences d’oscillations. Cette thèse s’est intéressée spécifiquement à la distribution d’énergie des atomes uniques piégés. La technique de lâcher et recapture combinée à une étude spectroscopique de l’occupation du piège par les atomes a conduit à la vérification du caractère thermique de la distribution d’énergie des atomes. Par un refroidissement laser combiné à un refroidissement adiabatique, une température minimale de 1,75 µK sans pertes d’atomes est obtenue avec un niveau vibrationnel moyen occupé égal à 4. Ces résultats sont très encourageants dans le contexte de l’information quantique où la température est souvent la principale limite physique à la durée de vie des cohérences d’un bit quantique. La dernière partie de cette thèse revient sur la problématique de la manipulation spatiale d’atomes uniques. Envisagé dans le cadre de la réalisation d’un calculateur quantique, le transfert d’un bit quantique et son déplacement dans l’espace sur une échelle compatible avec les caractéristiques d’un calculateur sont successivement étudiés. Ces travaux ont montré que ni l’état externe des atomes (au travers de leur température) ni leur état interne (à travers la durée de vie des cohérences d’un bit quantique) sont affectés par ce type de manipulations. / This thesis presents the early work done on a new setup that we have developped for trapping single atoms in an optical tweezer using only one diffraction limited large numerical aperture aspheric lens. Together with an experimental optical measurement of a 1µm laser beam waist created by such an aspheric lens, we showed that the diffraction limited transverse field of the lens is about plus or minus 25 µm. The ability of this new setup to trap single atoms is demonstrated and some crucial parameters are then determined : survival time in the dark, heating rate, fluorescence light polarisation, oscillation frequencies. During this PhD, we did focus our attention especially on determining the energy distribution of the single trapped atoms. A release and recapture technique along with the spectroscopic study of the energy levels occupation helped us show a termal behavior of a succession of single atoms in an optical twezer. By using common laser cooling techniques associated with adiabatic down ramping cooling, we showed that a reduction by a factor 100 of the mean energy corresponding to a mean vibrationnal energy level of about 4 and a minimum temperature of 1,75 µK. Spatial manipulation of single atoms and qubits was also studied. Using a tip-tilt platform, a second trap is set on the experiment and the transfer from one trap to the other, as well as the displacement of one trap with help of the platform, are experimentally studied. Both the temperature of the atoms and the qubit lifetime are showed to be insensitive to these manipulations.

Deux photons - deux atomes (2P2A) excitation s’avère être un banc de test importantde propriétés optiques quantiques. Depuis 1980, on sait que la probabilité de transition2P2A peut être grandement améliorée en utilisant la source monochromatique cohérenteavec la présence d’interactions atomiques qui induisent un pic de résonance de 2P2A. En2004 , Muthukrishnan et al. sont trouvés une grande amélioration de la transition ainsique d’une résonance de 2P2A, quand une source de deux photons intriqués, provenant dela radiation d’un atome cascade à trois niveaux, interagit avec les deux atomes différentsde l’ interaction. Leur conclusion est que : dans certaines situations, l’intrication peutremplacer un vrai hamiltonien d’interaction, qui est une déclaration de grande portée etune propriété importante liée à l’intrication. Ce phénomène mérite plus d’attention et defavoriser la compréhension. / Two-photonÐtwo-atom (2P2A) excitation turns out to be an important test bench of quantum optical properties. In 2004, Muthukrishnan et al. announced a great enhancement of the transition at 2P2A resonance, when an entangled two-photon state, coming from a three-level cascade, interacts with two non-interacting atoms. Their conclusion: in some situations, entanglement can replace a real interaction Hamiltonian, reveals an important property related to entanglement. In this thesis, We study in detail the efficiency of various multimode two-photon states of light to induce the simultaneous excitation of two atoms of different kinds under 2P2A resonance condition. We find that several separable, correlated states, produced either by an atomic cascade or parametric down-conversion, or even appropriate combinations of coherent states, have comparable efficiencies as the photon state produced by an atomic cascade. We conclude that the true physical origin of the enhancement is the frequency anti-correlations, neither the temporal correlations, time ordering, nor entanglement. To present, we are not sure whether or not the enhancement is a quantum effect. We also studied: 1. the optimized 2P2A transition probability for a given photon spectrum; 2. the influence coming from finite lifetimes of the excited detecting atoms; 3. the 2P2A transition probability in the presence of atomic interaction.