Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’objectif de ce mémoire est de partager les connaissances obtenues lors de mon travail sur la spectroscopie à deux peignes et ses applications sur les matériaux solides. Pour y parvenir, certain sujets connexes sont élaborés. Dans l’ordre, on y aborde la physique des lasers, le verrouillage et la stabilisation des modes, l’interférométrie générale et celle des peignes, ainsi que la modification des impulsions des peignes de fréquence en utilisant l’ptique non-linéaires. On présente ensuite deux études expérimentales. La première porte sur la combinaison de la spectroscopie à deux peignes avec la technique pompe-sonde et la seconde sur l’analyse de la variance baseline en contexte de la spectroscopie à deux peignes. / The goal of this memoire is to communicate my work regarding the application of dual comb spectroscopy to materials beyond traditional gas phase spectroscopy. A variety of topics required to understand my work are presented, such as general laser physics, mode-locking, stabilization of the repetition rate and carrier envelope offset, interferometry, dual comb spectroscopy, and the modification of said combs via non-linear optics. Two experimental studies are presented as well. These include the combination of dual comb spectroscopy with the pump-probe technique, as well as an analysis of baseline variance incontext of dual comb spectroscopy.

Cette thèse porte sur le raffinement d’un modèle du bruit utilisé pour des mesures spectroscopiques réalisées avec des peignes de fréquences optiques. La majorité des travaux antérieurs utilisaient des peignes de fréquences où le glissement (chirp) est minimisé, en supposant que tout glissement différentiel entre les peignes allait réduire le rapport signal sur bruit. L’hypothèse sous-jacente était que l’impact du bruit multiplicatif serait augmenté, le glissement lui permettant d’agir plus longtemps sur le signal d’interférence. Cependant, d’autres recherches indiquaient plutôt contraire : le chirp pourrait améliorer la mesure. Cette thèse cherche à augmenter la compréhension du comportement du bruit lorsque les peignes ont des glissements différentiels. De plus, celle-ci apporte de nouvelles évidences sur l’utilité du chirp dans ce type de mesure. À cet effet, nous avons fait une révision bibliographique des modèles du bruit dans les peignes de fréquences optiques. Ensuite, du point de vue théorique, nous avons analysé les effets du chirp sur les bruits additifs et multiplicatifs. Pour le bruit d’intensité, nous avons proposé un modèle phénoménologique décrivant le comportement de l’émission spontanée amplifiée (ASE) dans un laser à verrouillage de mode par rotation non linéaire de polarisation. Les spectres des peignes et leurs battements ont été caractérisés en portant une attention particulière à leur relation avec l’ASE. La thèse permet de conclure que le chirp différentiel n’affecte pas les niveaux des densités spectrales de bruit. Grâce au glissement différentiel de fréquence, il est possible d’envoyer plus puissance à l’échantillon et ainsi améliorer le rapport signal sur bruit des instruments à peignes de fréquence. D’un autre côté, la caractérisation de l’ASE a établi sa nature non-stationnaire. Elle a aussi expliqué des attributs spectraux qui sont observés régulièrement dans les signaux de battement des peignes. Finalement, en supposant que l’ASE circule largement dans une cavité opérée sous le seuil, sa caractérisation fournit une méthode pour estimer le déphasage non linéaire que subit le train d’impulsions femtosecondes. / This thesis proposes a noise model refinement for spectroscopic measurements using dual optical frequency combs. Until now most studies centered their efforts on noise characterization using chirp free combs based on an unproved hypothesis: measurements would get worse with chirped combs since multiplicative noises would be present over a longer duration on the interference pattern thus leading to a greater impact. However, at least one experimental result hinted to the contrary: differential chirp would actually improve the signal to noise ratio. This thesis therefore aims at increasing the understanding of noise when a differential chirp is present in a dual comb measurement. The specific goal is to provide new insights about the usefulness of chirp in this kind of measurement. With this in mind, we conducted a literature review of noise models in optical frequency combs. We subsequently analyzed the chirp’s effect in the presence of both additive and multiplicative noise. The thesis also proposes a phenomenological model to describe the amplified spontaneous emission - ASE in short pulse lasers mode locked using non linear polarization rotation. Finally the comb spectra and their beat notes are characterized putting special attention to their relation with the ASE components. As conclusions, we can report that noise power spectral density levels do not change with a differential chirp. Chirping allows sending a greater optical power through the sample, such that the measurement signal to noise ratio can be improved. On the other hand, the ASE characterization established its non-stationary nature and explained very well characteristic features routinely observed in dual comb beat notes that were not fully understood. Finally, assuming the ASE experiences a sub threshold linear cavity allows using theses features to estimate the non linear phase shift experienced by the modelocked pulse train in the laser cavity.

L’objectif de ce mémoire est de partager les connaissances obtenues lors de mon travail sur la spectroscopie à deux peignes et ses applications sur les matériaux solides. Pour y parvenir, certain sujets connexes sont élaborés. Dans l’ordre, on y aborde la physique des lasers, le verrouillage et la stabilisation des modes, l’interférométrie générale et celle des peignes, ainsi que la modification des impulsions des peignes de fréquence en utilisant l’ptique non-linéaires. On présente ensuite deux études expérimentales. La première porte sur la combinaison de la spectroscopie à deux peignes avec la technique pompe-sonde et la seconde sur l’analyse de la variance baseline en contexte de la spectroscopie à deux peignes. / The goal of this memoire is to communicate my work regarding the application of dual comb spectroscopy to materials beyond traditional gas phase spectroscopy. A variety of topics required to understand my work are presented, such as general laser physics, mode-locking, stabilization of the repetition rate and carrier envelope offset, interferometry, dual comb spectroscopy, and the modification of said combs via non-linear optics. Two experimental studies are presented as well. These include the combination of dual comb spectroscopy with the pump-probe technique, as well as an analysis of baseline variance incontext of dual comb spectroscopy.

Avec les progrès récents des communications numérique sans fil, le besoin d'une grande vitesse de transmission de données s'impose. Le multiplexage par division en fréquences orthogonales (OFDM) est une alternative duc à sa robustesse contre les évanouissements sélectifs en fréquence et sa résistance aux interférences entre symboles (IES). qui est un problème commun dans la communication de données à grande vitesse. Dans les systèmes OFDM, la modulation peut être différentielle ou cohérente. La modulation cohérente exige l'estimation du canal et donne de meilleures performances mais avec une structure du récepteur relativement complexe. Les techniques d'estimation de canal pour les systèmes OFDM basées sur les symboles pilotes sont étudiées et comparées dans ce travail. Trois types d'arrangement des symboles pilotes sont étudiés pour différents algorithmes d'estimation de canal aux fréquences pilotes. On présente aussi différentes techniques pour interpoler le canal aux fréquences de données. Les différents types d'arrangement des symboles pilotes utilisés dans ce travail sont : l'arrangement en forme de bloc, en forme de peigne et en forme de treillis. L'estimation du canal aux fréquences pilotes est un problème critique dans la conception d'un système OFDM, et est basée sur l'un des algorithmes suivants : LS, LS modifié, LMMSE, LMMSE modifié et ML. Quant à l'interpolation de canal, elle est faite en utilisant l'interpolation linéaire, l'interpolation du second ordre, l'interpolation passe-bas, ou l'interpolation par splincs cubiques. Nous avons comparé les performances des divers algorithmes d'estimation en mesurant le taux d'erreur par bit (TEB) et l'erreur quadratique moyenne (EQM), dans un système utilisant les modulations M-QAM traversant un canal à évanouissements par trajets multiples de Rayleigh

La spectroscopie double-peigne est une technique qui consiste à faire interférer deux peignes de fréquences laser légèrement désynchronisés ayant sondé un échantillon afin de retrouver sa signature spectrale avec une haute résolution et à grande vitesse. Cependant, elle requiert deux lasers qui sont mutuellement cohérents, une contrainte qui est habituellement satisfaite par stabilisation active au prix d’une plus grande complexité matérielle. Cette thèse aborde ce problème en présentant des solutions qui permettent l’utilisation de peignes en opération libre, simplifiant ainsi la technique du double-peigne. On démontre d’abord une plateforme laser compacte capable de générer une paire de peignes de fréquences qui sont affectés de manière similaire par les perturbations environnementales. Elle est basée sur une puce de verre dopée à l’erbium contenant plusieurs guides d’ondes inscrits par laser et séparés de quelques centaines de microns. Deux guides adjacents sont pompés simultanément et opérés en régime de synchronisation modale à ∼ 1 GHz dans la bande de 1.5 μm pour fournir une paire de peignes corrélés. Le bruit de fréquence en opération libre de cette source est ensuite caractérisé et on estime un temps de cohérence mutuelle qui dépasse le temps de mesure requis pour obtenir un spectre à haute résolution. Ceci est rendu possible grâce à l’utilisation de lasers qui sont intrinsèquement peu bruités, à l’intégration mécanique de la source, et à l’utilisation d’une grande différence entre les cadences des peignes. On présente aussi deux algorithmes de correction qui, lorsque combinés avec notre source double-peigne, permettent d’étendre artificiellement son temps de cohérence afin d’augmenter le temps de moyennage utile sans sacrifier la résolution spectrale. Ces algorithmes estiment et compensent la phase et le temps d’arrivée des interférogrammes mesurés, et ce sans recourir à aucune mesure externe des fluctuations des peignes. Ils sont d’abord décrits en détail puis leurs limites sont déterminées de façon quantitative à partir des paramètres des peignes et de leur bruit de fréquence relatif, où une grande différence entre les cadences apparaît comme étant la clé d’une correction réussie. Finalement, les performances du spectromètre double-peigne assisté par la correction logicielle sont démontrées en mesurant le spectre de transmission de l’acétylène et du cyanure d’hydrogène avec un échantillonnage spectral de ∼1 GHz. La qualité des mesures est validée par comparaison avec des spectres simulés à partir de données connues. / Dual-comb spectroscopy is a technique where two slightly detuned laser frequency combs are interfered together after probing a sample under study in order to retrieve its spectral signature with a high resolution and at high speed. However, it requires two lasers that are mutually coherent, a constraint that is most often satisfied by active stabilization at the cost of an increased hardware complexity. This thesis tackles this issue by presenting solutions that allow the use of free-running combs, thus simplifying the dual-comb technique. First, we demonstrate a compact laser platform able to generate a pair of frequency combs that are similarly affected by environmental perturbations. It is based on an erbium-doped glass chip containing a number of ultrafast-laser-inscribed waveguides separated by a few hundred microns. Two adjacent waveguides are pumped simultaneously and passively mode-locked at ∼1 GHz in the 1.5 μm band to deliver a pair of correlated frequency combs. The free-running frequency noise of this source is characterized thoroughly and its mutual coherence time is found to exceed the measurement time required to retrieve a high-resolution spectrum. This is made possible by the use of intrinsically low-noise waveguide lasers, by the dual-comb source’s mechanical integration, and by the use of a large repetition rate difference between the combs. We also present two correction algorithms that, when combined with our dual-comb source, allow to artificially extend its coherence time in order to increase the useful averaging time without sacrificing the spectral resolution. These algorithms work by estimating and compensating the phase and timing of the measured interferograms without relying on any external measurement of the combs’ fluctuations. They are first described in detail and their limitations are determined quantitatively in terms of the combs’ parameters and relative frequency noise, where a large repetition rate difference appears to be the key to a successful correction. Finally, the performance of the dual-comb spectrometer assisted by a software correction is demonstrated by measuring the transmission spectrum of acetylene and hydrogen cyanide with a spectral sampling of ∼1 GHz. The quality of the measurements is validated by comparison to spectra simulated from known data.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La sécurisation des systèmes de transmission de données est un enjeu majeur de la société de l'information. Ce travail aborde une solution potentielle originale, dédiée aux transmissions radio-fréquences en espace libre, et en utilisant un mode de sécurisation à base de comportements chaotiques. La porteuse chaotique est générée par un oscillateur non linéaire à retard, qui permet d'appliquer la méthode de sécurisation par porteuse chaotique en modulation de fréquence directement au niveau de la couche physique du système de transmission. L'étude et la réalisation expérimentale du principe de génération de chaos en modulation de fréquence (FM) est présentée à partir d'une transformation non linéaire construite par profil de filtrage RF à résonances multiples, et l'autre en utilisant un montage optoélectronique original réalisant la non linéaire à partir d'un interféromètre radio-fréquence à fibre optique. Dans chacun, un système complet d'émission-réception par porteuse chaotique FM démontré.

Le travail présenté dans ce mémoire est dédié à la localisation d'un signal dans le plan temps-fréquence. Plus précisément, nous proposons de déterminer le support temps-fréquence d'un signal d'intérêt, non stationnaire, déterministe et inconnu, noyé dans un bruit gaussien additif, centré et de fonction d'autocorrélation inconnue. Le support temps-fréquence accessible d'un signal est défini comme l'ensemble des points temps-fréquence pour lesquels le signal d'intérêt admet une énergie au moins supérieure à celle du bruit. De cette définition naîssent deux éléments qu'il est nécessaire de préciser : quel est l'énergie du bruit d'une part et que signifie "au moins supérieure" d'autre part? Dans tout ce travail, le spectrogramme est choisi pour représenter les signaux dans le plan temps-fréquence.<br /><br />Nous choisissons de résoudre ce problème de localisation au moyen d'un test binaire d'hypothèses, formulé en chaque point du plan temps-fréquence. Le seuil de détection correspondant à ce test doit alors être déterminé : d'après les lois de probabilité des coefficients du spectrogramme d'une part, en lien avec la puissance du bruit d'autre part et, enfin, selon un critère de détection approprié.<br /><br />La première étude concerne le comportement statistique des coefficients du spectrogramme. Dans le contexte d'un bruit non blanc et non stationnaire, la densité de probabilité des observations est ainsi formulée.<br /><br />La densité specrale de puissance du bruit apparaît naturellement comme l'un des paramètres de cette densité de probabilité. Dans une seconde étude, une méthode d'estimation de ce bruit est proposée. Elle se base sur le comportement statistique des plus petits coefficients du spectrogramme.<br /><br />Cet ensemble de connaissances nous permet finalement de résoudre le test d'hypothèses dont la solution naturelle au sens du maximum de vraisemblance fait apparaître le rapport d'énergie entre le signal et le bruit en chaque point du plan temps-fréquence. Ce rapport signal sur bruit local permet dès lors de préciser la condition "au moins supérieure" relative au support temps-fréquence accessible du signal.<br /><br />L'algorithme de localisation temps-fréquence qui résulte de ce travail permet finalement de retenir le support temps-fréquence du signal d'intérêt sur l'ensemble duquel le rapport signal sur bruit est supérieur à une valeur choisie a priori.

L’objet de cette thèse est le développement d’un standard de fréquence optique base sur l’atome de mercure 199Hg piégé dans un réseau optique. Je présenterai le dispositif expérimental et les améliorations apportées au cours de la thèse qui ont permis d’effectuer la spectroscopie de la transition doublement interdite 1S0 – 3P0 du mercure dans le domaine ultraviolet avec une résolution de l’ordre du Hz. Une telle résolution nous a permis de mener une étude approfondie des effets physiques affectant la fréquence de la transition d’horloge. Cette étude a permis un gain d’un facteur 60 sur la connaissance de la fréquence de la transition d’horloge, et de pousser l’incertitude au-delà de la réalisation de la seconde si par les étalons de fréquence basés sur le césium. Enfin je présenterai les résultats de plusieurs campagnes de comparaison entre notre étalon au mercure et d’autres horloges de très haute précision fonctionnant dans le domaine optique ainsi que dans le domaine micro-onde. / This thesis presents the development of a high-accuracy optical frequency standard based on neutral mercury 199Hg atoms trapped in an optical lattice.I will present the experimental setup and the improvements that were made during this thesis, which have allowed us to perform spectroscopy on the doubly forbidden 1S0 - 3P0 mercury clock transition with Hz level resolution. With such a resolution, we have been able to conduct an in-depth study of the physical effects affecting the clock transition. This study represents a factor 60 in accuracy on the knowledge of the clock transitions frequency, pushing the accuracy below the current realization of the si second by the best cesium atomic fountains. Finally, i will present the results of several comparison campaigns between the mercury clock and other state-of-the-art frequency standards, both in the optical and in the microwave domain.