La thèse est consacrée à l'étude du bruit quantique dans les lasers à semiconducteur et à solide. Le principe de la suppression du bruit de pompe est utilisé avec différentes méthodes pour réduire le bruit d'intensité. Les lasers semiconducteur à ruban ont été étudiés en utilisant différents types de techniques d'affinement spectral à température ambiante : diode sur réseau et injection optique. La compression de bruit mesurée est de 1.6 dB et 2.3 dB respectivement. La principale conclusion de cette étude est que le bruit d'intensité des diodes laser résulte de l'annulation entre les fluctuations fortement anticorrélées du mode principal et des faibles et nombreux modes longitudinaux Les mesures effectuées à basse température montrent l'importance des corrélations quantiques entre modes de polarisation orthogonale. L'étape suivante est l'étude des lasers semiconducteur à microcavité (VCSELs). Une compression de bruit de 0.7 dB sous le bruit quantique standard, résultant de fortes anticorrélations entre les modes transverses, a été observée dans un VCSEL multimode. Une étude approfondie de ces anticorrélations est effectuée analysant la distribution spatiale transverse du bruit d'intensité. Un microlaser Nd: YVO4 pompé par diode à bruit comprimé a aussi été étudié. Les effets du bruit de pompe sur le bruit d'intensité du microlaser sont clairement mis en évidence. La réalisation d'une boucle de rétroaction non standard sur la diode laser de pompe révèle l'existence d'effets non linéaires dans le spectre de bruit. La technique de l'injection optique a aussi été utilisée avec succès pour supprimer l'oscillation de relaxation. Enfin, une application des diodes laser à bruit comprimé est présentée. La technique de la modulation de fréquence est employée avec des laser à bruit d'intensité sous le bruit quantique standard pour la détection de signaux d'absorption dans une expérience de spectroscopie de haute sensibilité.

Les événements extrêmes sont des phénomènes, souvent considérés catastrophiques, qui se produisent dans la queue d'une distribution généralement en s'écartant d'une décroissance attendue exponentielle. En optique, ces événements ont été étudié dans le contexte des fibres, où ils ont été amplement analysés, comme des vagues scélérates, par analogie bien connue entre l'optique et l'hydrodynamique à travers l'équation de Schroedinger non linéaire. Avec le développement et l'élargissement du domaine, l'étude des événements extrêmes a été étendue à des systèmes dissipatifs avec ou sans degrés spatiaux de liberté.Dans cette thèse on se concentre sur l'étude des événements extrêmes dans trois différents types de systèmes optiques actifs et dissipatifs, présentant chacun un ou deux degrés spatiales de liberté, soit dans le plan transversal (perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière) soit dans la direction de propagation. Des structures localisées de nature différente constituent une solution possible importante dans chacun des systèmes étudiés ; leurs interactions autant que leurs rôles dans la formation des événements extrêmes ont donc été analysés en détails. Dans le premier système, un laser à semiconducteur monolithique (VCSEL) à large surface avec un absorbant saturable, on présente la formation d'événements extrêmes dans le plan transversal à deux dimensions de l'intensité du champ électrique. En particulier, on met en évidence la liaison entre ces objets et les solitons de cavité, soit stationnaires soit oscillatoires, aussi présents dans le système. Dans le deuxième système, un laser multimodal spatialement étendu dans la direction de propagation avec injection optique, on analyse l'interaction et la fusion des solitons de phase, des structures localisées qui se propagent dans la cavité en transportant une rotation de phase de 2π. Les événements extrêmes ont été étudié dans deux configurations : une première où ils émergent de la collision des solitons de phase avec des autres structures transitoires transportant une charge chirale négative, et une deuxième où des événements d'intensité élevée émergent d'un régime instable de motif en rouleau où les solitons de cavité ne sont pas des solutions stables. Dans les deux systèmes, on examine le rôle de la chiralité dans la formation des événements extrêmes. Dans le troisième système, un laser à semi-conducteur avec injection optique, on étudie dans les détails l'interaction des solitons de cavité dans le plan transversal, décrits comme deux particules soumises à un potentiel d'interaction décroissant exponentiellement avec la distance entre les deux objets : une analogie possible avec les matériaux hydrophobes a été proposée. Des résultats préliminaires présentant des événements extrêmes spatiotemporels dans ce système sont aussi donnés. / Extreme events are phenomena, often considered as catastrophic, that occur in the tail of a distribution usually deviating from an expected, exponential decay. In optics, these events were first studied in the context of fibers, where they have been extensively analyzed, as optical rogue waves, in light of the well known analogy between optics and hydrodynamics, through the nonlinear Schroedinger equation. With the development and the broadening of the field, extreme events have been also studied in dissipative optical systems with or without spatial degrees of freedom. In this Thesis we focused on the study of extreme events in three different active and dissipative optical systems, each presenting one or two spatial degrees of freedom, either in the transverse plane, perpendicular to the direction of propagation of light, or in the propagation direction. Localized structures of different nature represent an important possible solution in each one of the systems here studied, hence their interaction and the role played in the formation of extreme events have been also investigated into details. In the first system, a monolithic broad-area semiconductor laser (VCSEL) with an intracavity saturable absorber, we report on the occurrence of extreme events in the 2D transverse plane of the electric field intensity. In particular we highlight the connection between these objects and cavity solitons, both stationary and oscillatory, also present in the system. In the second system, a highly multimode laser with optical injection spatially extended along the propagation direction, we analyze the interaction and merging of phase solitons, localized structures propagating along the cavity carrying a 2π phase rotation. Extreme events have been investigated in two configurations: a first one where they emerge from the collision of phase solitons with other transient structures carrying a negative chiral charge, and a second one where high-peak events emerge from an unstable roll regime where phase solitons are not a stable solution. In both these systems we investigate the role of chirality in the extreme event formation. In the third system, a broad-area semiconductor laser (VCSEL) with optical injection, we study into details the interaction of cavity solitons in the transverse plane, described as two particles subjected to an interaction potential exponentially decreasing with the distance between the two objects: a possible analogy with hydrophobic materials is here suggested. Some preliminary results showing spatiotemporal extreme events in this system are also given.

Ce manuscrit est consacré à l'étude du bruit de phase dans les oscillateurs optoélectroniques (OEO) à ligne à retard à fibre optique. Cette classe particulière d'oscillateurs dans la gamme micro-onde a été développée (1994) récemment, et étudiée par différents groupes de recherche dans le monde, du fait de son important potentiel en termes de très faible bruit de phase à court terme (applications radar, spatial, et télécom haut débit). Sur la base d'un modèle théorique s'appuyant sur une description temporelle, nous avons étudié la dynamique de l'oscillateur, et ses propriétés de bruit de phase. L'équation différentielle stochastique, non linéaire, et à retard, est directement dérivée de la description des différents éléments de la chaîne d'oscillation : la non linéarité prédominante d'un modulateur électro-optique de Mach-Zehnder, le temps de retard induit par plusieurs kilomètres de fibre, la dynamique résonante du filtre micro-onde à 10 GHz sélecteur des modes à retard, et les différentes sources de bruit additif et multiplicatif (laser, photodiode, amplificateur RF). La linéarisation de ce modèle autour du point de fonctionnement a permis d'obtenir une expression théorique du bruit de phase et d'amplitude de l'OEO. Ces résultats sont confrontés à une exploration expérimentale des caractéristiques de bruit, à la fois des composants utilisés, et du système complet de l'OEO en régime d'oscillation monomode. Des techniques de mesure de bruit ultra-sensibles, utilisant des architectures optoélectroniques d'un banc de mesure, ainsi que des principes de mesure par corrélation, sont décrites. Une très bonne correspondance entre théorie et expérience est ainsi obtenue. Le travail a abouti à l'identification quantitative des principales sources de bruit limitant les performances de l'OEO. Par l'utilisation de composants optimaux, un niveau de bruit de phase de l'ordre de –?143 dBrad2/Hz à 10 kHz de la porteuse à 10 GHz, a été atteint. La discussion des sources de bruit résiduelles a également permis de proposer des améliorations pour les architectures futures d'OEO.

L’évolution actuelle des systèmes de communications optiques est telle que la circulation d’information n’est plus exclusivement limitée par les liens longues distances transocéaniques ou par les réseaux cœurs. De nombreuses applications courtes distances comme les réseaux d’accès où les débits des systèmes amenant la fibre chez l’abonné doivent être maximisés et les connexions internes et externes des centres de données transportent un trafic de données important produit en partie par les applications de type « Big Data ». Les critères imposés par ces nouvelles architectures notamment en termes de coût et consommation énergétique doivent être pris en compte en particulier par le déploiement de nouveaux composants d’extrémités. Grâce au très fort confinement des porteurs, les lasers à boites quantiques constituent une classe d’oscillateurs présentant des caractéristiques remarquables notamment en termes de courant de seuil et de stabilité thermique. En particulier, l’application d’une perturbation optique externe permet d’exploiter les nonlinéarités optiques des boîtes quantiques pour la réalisation de convertisseurs en longueur d’onde performants ou de transmetteurs à haut-débit fonctionnant sans isolateur optique. Ce dernier point est particulièrement critique dans les réseaux courtes distances où l’utilisation de sources modulées directement reste une solution technologique importante.Ce travail de thèse réalisé sur des structures lasers à base d’Arséniure de Gallium (GaAs) et de Phosphure d’Indium (InP) montre la possibilité d’améliorer l’efficacité de conversion non-linéaire par injection optique et de générer de nombreuses dynamiques dans des oscillateurs rétroactionnés et émettant sur différents états quantiques. Par ailleurs, le déploiement massif des systèmes cohérents mais également la conception des futures horloges atomiques sur puces nécessite l’utilisation de sources optiques à faible largeur de raie et ce afin de limiter la sensibilité de la réception au bruit de phase du transmetteur et de l’oscillateur local et induire un taux d’erreur binaire important. La conception de laser à faible largeur spectrale constitue un autre objectif de ce travail thèse. Les avantages de la technologie boites quantiques ont été mis à profit pour d’atteindre une largeur spectrale de 160 kHz (100 kHz en présence de rétroaction optique) ce qui est de première importance pour les applications susmentionnées. / The recent evolution of optical communication systems is such that the transfer of massive amounts of information is no longer limited to long-distance transoceanic links or backbone networks. Numerous short-reach applications requiring high data throughputs are emerging, not only in access networks, where upgrades of the bit rate of fiber-to-the-home systems need to be anticipated, but also in data center networks where huge amounts of information may need to be exchanged between servers, in part triggered by the rise of big data applications. The new requirements in terms of cost and energy consumption set by novel short-reach applications therefore need to be considered in the design and operation of a new generation of semiconductor laser sources. Owing to the tight quantum confinement of carriers, quantum dot lasers constitute a class of oscillators exhibiting superior characteristics such as a lower operating threshold, a better thermal stability as well as larger optical nonlinearities. The investigation of quantum dot lasers operating under external perturbations allows probing such optical nonlinearities in the view of developing all-optical wavelength-converters with improved performance as well as optical feedback-resistant transmitters. This last point iseven more critical since it is expected that short-reach links making use of directly modulated sources will experience massive deployment in the near future, in contrast to conventional backbone links where the number of required optoelectronic interfaces remains relatively modest. In order to do so, the thesis reports on novel findings in GaAs- and InP-based quantum dot lasers such as improved bandwidth and conversion efficiency under optical injection and various complex dynamics with delayed quantum dot oscillators emitting on different lasing states. Last but not the least, the massive deployment of coherent systems as well as the realization of future chip-scale atomic clocks require the implementation of optical sources with narrow spectral linewidth otherwise the sensitivity to the phase noise of both transmitters and local oscillators can strongly affect the bit error rates at the receiver. This is another objective to be addressed in the thesis where the benefits of the quantum dot technology has allowed to reach a spectral linewidth as low as 160 kHz (100 kHz under optical feedback) which is of paramount importance not only regarding the aforementioned applications.