Nous présentons la combinaison de la propagation de la lumière lente avec les propriétés de résonance d'une cavité à cristal photonique et par le mode lent d'un guide d'ondes à cristal photonique. Nous démontrons théoriquement et expérimentalement que la lumière lente générée par les oscillations cohérentes des populations (OCP) permet d'avoir une cavité de petite taille et ultra-haute facteur de qualité (Q), quels que soient les enjeux technologiques et de design. La démonstration expérimentale est réalisée dans une cavité L3 dans un cristal photonique (CPh) bidimensionnel avec puits quantiques semi-conducteurs, milieu actif dans lequel l'effet OCP est induit. Nous obtenons une facteur-Q de la cavité de 520000 qui correspond à une amélioration de 138 en comparant avec le facteur-Q initial de la cavité. Nous présentons une approche théorique à la combinaison de la lumière lente obtenue par l'effet OCP et le mode lent dans des guides d'ondes à CPh, ce qui montre que l'indice du groupe total correspond à une multiplication des indices de groupes associés à la lumière lente générée par OCP et aux modes lents des guides d'ondes. Nous avons aussi posé les bases pour la démonstration expérimentale, faisant la conception et de la fabrication des échantillons dans les salles blanches du LPN et abordant la difficulté du couplage et de l'extraction de la lumière dans les guides d'ondes à CPh. Une conception particulière des guides d'ondes sous forme de un super réseau qui permet de coupler la lumière perpendiculairement au plan du CPh à partir de l'espace libre est proposée. Le coupleur vertical a été connu et fabriqué le long du guide et a été expérimentalement caractérisé. L'investigation expérimentale de la combinaison de lumière lente basée sur l'effet OCP dans les guides à CPh est toujours en cours. / We report on the combination of slow light propagation with the resonance properties of a photonic crystal (PhC) cavity and with the slow mode of a PhC waveguide. We demonstrate theoretically and experimentally that slow light induced by the Coherent Population Oscillation (CPO) effect enables to have small-size and ultrahigh quality (Q) factor cavity, regardless of the technological and design issues. The experimental proof is performed in a L3 2D PhC cavity with semiconductor quantum wells as active, medium in which the CPO effect is induced. We achieve a cavity Q-factor of 520000, which corresponds to an enhancement by a factor 138 in comparison with the original Q-factor of the cavity. We present a theoretical approach to the combination of CPO-based slow light and slow mode in PhC waveguides, showing that the total group index is a multiplication of the group indices associated respectively to the CPO slow light and to the waveguide slow mode. We also set the basis for the experimental demonstration by designing and fabricating samples in the clean room facilities of LPN and addressing the challenging issue of coupling and extracting light in and from the waveguides. A particular design of the PhC in the waveguide is issued as a grating that allows to couple light perpendicularly to the plane of the PhC from free space. The vertical coupler has also been designed and fabricated along the waveguide and has been experimentally characterized. Slow light based on CPO effect in the PhC waveguides is always under experimental investigation.

De nombreux laboratoires travaillent à la mise au point de mémoires quantiques, élément clef des systèmes d'information quantique de l'avenir. Les mémoires quantiques pour la lumière devraient en particulier jouer un rôle important dans les réseaux de télécommunications quantiques à grande distance. Constituée d'un ensemble d'atomes sur lequel on transpose l'état du signal lumineux, la mémoire doit être capable de sauvegarder cet état pendant un temps suffisamment long, puis de le restituer avec efficacité et fidélité. A ce jour, l'effort a surtout porté sur des protocoles liés à la Transparence Induite Electromagnétiquement (EIT), mis en oeuvre dans des nuages d'atomes refroidis par laser. Mon travail porte sur un système alternatif, les ions de terres rares en matrice cristalline (TRMC). Ces matériaux offrent une immobilité plus grande que les atomes froids. Par ailleurs, la durée de vie des états de superposition quantique, porteur de l'information stockée, y est très longue à basse température. L'élargissement inhomogène des transitions optiques distingue cependant nettement les TRMC des atomes refroidis par laser. Tirant parti de cette caractéristique, je propose un protocole de stockage original que j'explore sur le plan théorique et expérimental.

La caractérisation de résonateurs de facteurs de surtension très élevés (> 10^8) est difficilement réalisée à partir des méthodes expérimentales conventionnelles en régime stationnaire. Nous proposerons une méthode hybride spectrale/temporelle permettant la mesure du facteur de surtension global et la discrimination, de manière univoque, des facteurs Q_0 intrinsèque et Q_e extrinsèque du dispositif. Par cette simple mesure, nous déterminons le régime de couplage et les propriétés dispersives de micro-cavités. Dans un second temps, nous présenterons différentes architectures à base de cavités couplées actives donnant accès un à degré de liberté supplémentaire quant au contrôle de la dispersion. Nous étudierons successivement le phénomène de transparence induite pour la réalisation d'états de lumière lente puis la dispersion induite dans le cas de deux et trois cavités. Dans ce dernier cas, la modulation des pertes intrinsèques mène à un contrôle actif du facteur de qualité de la structure. La démonstration expérimentale de ce principe montre la possibilité d'ingénierie du facteur Q par l'utilisation de structures photoniques artificielles actives.

Les microrésonateurs à modes de galerie en matériaux amorphes sont faciles à produire par des techniques de fusion. Leur facteur de qualité est cependant limité à quelques 108 du fait du phénomène de contamination de surface ou d'une absorption résiduelle plus importante que celle des matériaux cristallins. Nous avons développé deux méthodes utilisant des micro-résonateurs actifs, fabriqués par fusion de poudres de verres ZBLALiP dopés Erbium, permettant de dépasser cette limite. Il est tout d'abord possible de compenser les pertes en introduisant du gain optique dans le micro-résonateur. Des facteurs de qualité chargés de 5×109 correspondant à un facteur de qualité intrinsèque de 1010 ont ainsi pu être mesurés. En plus d'une augmentation du facteur de qualité, le gain interne offre un paramètre supplémentaire de contrôle du couplage, cela nous a permis d'obtenir tous les régimes de couplage d'un résonateur à partir du sous couplage jusqu'au régime d'amplification sélective. Nous avons atteint en particulier le régime de transparence, un micro-résonateur dans un tel régime peut trouver des applications comme ligne à retard variable transparente ayant un retard de groupe qui peut être modifié en jouant sur le taux de couplage entre le résonateur et la ligne d'accès. La deuxième méthode consiste à augmenter très fortement la valeur de l'indice de groupe du milieu par des effets de lumière lente. Un indice de groupe d'environ 4×106 a été obtenu via le phénomène d'Oscillations Cohérentes de Populations (OCP) ce qui caractérise un très fort ralentissement de la lumière. Ceci nous a permis d'augmenter, dans une micro-cavité, le temps de stockage des photons de 200 ps à 2,5 ms ce qui correspond à un facteur Q de 3×1012. / Glass-based whispering gallery mode (WGM) microresonators are easy to produce by melting techniques. However, they suffer from surface contamination or residual absorption which limits their long term quality factor to only about 108. We show that an optical gain provided by erbium ions can compensate for residual losses. Moreover it is possible to control the coupling regime of an ultrahigh Q-factor microresonator from undercoupling to spectral selective amplification by changing the pumping rate. We demonstrate a critically coupled fluoride glass WGM microresonator with a diameter of 220 μm and a loaded Q-factor of 5,3×109. We also show that by introducing slow-light effects in a monolithic WGM microresonator it is possible to enhance the photon lifetime by several orders of magnitude and circumvent fabrication limitations. We experimentally demonstrate Erbium-doped fluoride glass microresonators with a photon lifetime up to 2,5 ms at room temperature, corresponding to a Q-factor of 3×1012 at 1530 nm, by combining WGM resonance effect and population oscillations.

Cette thèse a pour thème le processus physique de ralentissement de la lumière induit par amplification paramétrique vectorielle dans les fibres optiques biréfringentes. Notre première étude porte sur la lumière lente induite par amplification paramétrique vectorielle dans les fibres fortement biréfringentes. Contrairement au processus scalaire, nous montrons théoriquement que le processus vectoriel offre la possibilité de créer des bandes de gain paramétrique étroites et éloignées de la pompe, permettant de générer des retards optiques très importants, un ordre de grandeur supérieurs à ceux obtenus en amplification paramétrique scalaire. Des résultats analytiques et issus de simulations numériques dans le cas de dispersion normale ainsi que dans le cas de dispersion anormale sont présentés. Ensuite, nous discutons des principales limitations au retard optique (élargissement de l’impulsion pompe notamment) et nous étudions l’influence positive de l’effet Raman sur le retard optique. Notre seconde étude est consacrée à la lumière lente induite par amplification paramétrique dans les fibres faiblement biréfringentes. Nous traitons l’ensemble des configurations possibles d’instabilité de polarisation selon l’état initial de polarisation de l’impulsion pompe et du régime de dispersion. Nous démontrons clairement que la configuration correspondant à une impulsion pompe polarisée suivant l’axe lent de la fibre et une impulsion signal polarisée suivant l’axe rapide en régime de dispersion normale donne des retards optiques les plus important / This thesis aims to the physical process of slow light induced by vector parametric amplification in highly and weakly birefringent optical fibers. Our first study concerns slow light induced by parametric amplification in highly birefringent fibers. Unlike the scalar process, we theoretically demonstrate that large optical delays can be in principle generated in birefringent fibers, one order of magnitude higher than for the scalar case. Both analytical and numerical results in the case of anomalous dispersion are presented. We further discuss the main limitations for slow light optical delays (signal pulse broadening, pump pulse depletion). The influence of the Raman gain is also studied both analytically and numerically. The second study focuses on slow light induced by parametric amplification in weakly birefringent fibers. We consider all possible configurations of polarization modulation instability, depending on the polarization axis of the pump pulse and on the dispersion regime, and we derive the slow-light optical delays. We clearly demonstrate that the configuration corresponding to a pump pulse polarized in the slow axis of the fiber and a signal pulse polarized on the fast axis, in the normal dispersion regime, gives the largest optical delays.

Les techniques permettant de maitriser la vitesse de la lumière, au-delà de l'intérêt scientifique qu'elles suscitent, peuvent être appliquées au domaine radar. Elles permettent, ainsi, de remplacer avantageusement les retards optiques, jusqu'alors réalisés par des modifications géométriques du chemin optique. L'objectif de la thèse est d'étudier la lumière lente et rapide créée par oscillations cohérentes de population dans les amplificateurs à semi-conducteurs.Nous avons évalué théoriquement et expérimentalement les performances d'une ligne à retards accordables, en termes d'amplitude des retards et déphasages accordables, et de bandes passantes. Nous avons aussi étudié l'impact des oscillations cohérentes de population sur les facteurs de mérite de la liaison opto-électronique. La compréhension des mécanismes physiques mis en jeu nous a amenés à proposer des solutions pour contourner les limites identifiées du composant. Nous avons montré qu'il était possible d'utiliser les lignes à retards accordables au delà de l'inverse du temps de vie des porteurs (500 MHz) en utilisant la montée en fréquence des oscillations cohérentes de population par modulation croisée de gain. Nous avons ainsi obtenu des retards accordables de 389 ps à 16 GHz, sur une bande passante instantanée de 360 MHz. Enfin nous avons proposé une architecture permettant d'obtenir des déphasages accordables proches de 180 degrés à haute fréquence, en substituant l'effet du couplage gain-indice, révélé par l'utilisation d'un filtre optique, par l'excitation paramétrique des oscillations cohérentes de population. Nous avons utilisé ce principe, qui permet par exemple d'atteindre un déphasage accordable de 162 degrés à 2,2 GHz, pour concevoir un oscillateur optoélectronique fonctionnant à 2,2 GHz. La fréquence de ce dernier est rapidement accordable sur 6 MHz à l'aide du courant d'injection de l'amplificateur à semi-conducteur.

Contribution à l’étude de la réflectance et du confinement des modes dans les systèmes optiques stratifiés Résumé : Ce travail prolonge les études du changement de réflectivité des systèmes optiques stratifiés sous des contraintes mécanique et électrique. D’abord, nous quantifions le déplacement de la bande interdite photonique suite à une modification de l’angle d’incidence. Il en dérive une technologie bio-inspirée. Ensuite, c’est un champ électrique externe qui contrôle les propriétés de réflexion et de polarisation d’une multicouche construite à partir de cristaux liquides. Enfin, nous distinguons deux manières de confiner l’énergie électromagnétique. Ce travail s’attache à comprendre la nature des modes qui se propagent à la surface des milieux stratifiés. Par ailleurs, il montre que l’association de matériau gauche et de matériau droit pour former un guide d’onde permet de réduire la vitesse de la lumière de plusieurs ordres de grandeur. Contribution to the study of the reflectance and the mode confinement in optical stratified systems Abstract : This work extends the studies of change in reflectance in optical stratified systems under mechanical and electrical constraints. In the first part, we quantify the shift of the photonic bandgap following, a modification in the angle of incidence. We define the tools for the design of bio-inspired Bragg mirrors. In the second part, we adjust the reflection properties of a multilayer stack made of liquid crystals with an external electric field. Furthermore, we examine two distinct ways of producing light confinement. First, we contribute to the understanding of the nature of electromagnetic modes propagating at the surface of stratified media. Second, we show that a waveguide made of left- and right-handed materials can reduce the speed of light by several orders of magnitudes.

L'interaction entre des champs électromagnétiques et des systèmes à plusieurs niveaux peut donner lieu à différents processus cohérents. La transparence électromagnétiquement induite (EIT) ou les oscillations cohérentes de populations (CPO) sont des phénomènes résonnants ayant pour conséquence d'annuler l'absorption du système pour un champ sonde. L'EIT se produit dans les systèmes à trois niveaux et met en jeu une cohérence entre niveaux non couplés optiquement, alors que les systèmes à deux niveaux suffisent pour faire apparaître le CPO qui ne met pas en jeu la dynamique des cohérences.Il est possible dans un milieu constitué d'atomes d'hélium métastable à température ambiante d'extraire un système à trois niveaux en Λ qui, lorsqu'il est excité par des polarisations circulaires, fait apparaître des fenêtres EIT de l'ordre de quelques dizaines de kHz de large. Lorsque ce système est excité par des polarisations linéaires et soumis à un champ magnétique de faible amplitude, c'est l'association des deux phénomènes de CPO et d'EIT qui détermine la réponse du système. Une fenêtre de transparence CPO de quelques dizaines de kHz de large a en particulier été observée.Ce type de phénomènes résonnants est associé à de grandes variations de l'indice de réfraction avec la fréquence du champ sonde, ayant pour conséquence de profondes modifications de la vitesse de groupe d'une impulsion se propageant dans le milieu. Notre système expérimental permet ainsi d'observer de la lumière lente, de la lumière rapide ainsi que des vitesses de groupe négatives. L'insertion de tels milieux dispersifs en cavité optique a été suggérée pour augmenter la précision de senseurs comme les gyroscopes lasers, mais leur bruit fondamental dépend de la durée de vie des photons dans la cavité. C'est pourquoi l'influence des milieux hautement dispersifs sur la durée de vie des photons dans une cavité est étudiée expérimentalement et théoriquement.

Dans cette thèse, nous avons étudié l'impact considérable de désordre aléatoire sur le transport de la lumière lente dans les guides à cristaux photoniques 1D, c'est-à-dire la localisation de la lumière. Les mesures en champ proche, les simulations statistiques et le modèle théorique révèlent l'existence d'une limite inférieure de l’extension spatiale des modes localisés. Nous avons également présenté que le niveau de désordre et l’extension spatiale de mode localisé individuelle sont liés par la masse effective de photons plutôt que la vitesse de groupe considérant en général.Deuxièmement, les systèmes hybrides d'atomes froids et des guides à cristaux photoniques ont été reconnus comme un approche prometteuse pour l'ingénierie grande interaction lumière-matière au niveau des atomes et des photons individuels. Dans cette thèse, nous avons étudié la physique, à savoir le transport de la lumière dans des guides de nanophotonique périodiques couplées à des atomes à deux niveaux. Notre expression semi-analytique développée est générale et peut rapidement caractériser le couplage entre les atomes froids et les photons guidées. Pour surmonter les difficultés techniques considérables existent dans les systèmes hybrides atomique et photonique, nous avons conçu un guide nanophotonique qui supporte un mode de Bloch lente guidée avec grande queue évanescente dans l'espace libre pour les atomes froids de piégeage. Pour adapter précisément la région de fréquence de la lumière lente du mode guidé à la ligne de transition atomique, nous avons conçu la bande photonique et de la courbe de dispersion du mode guidé afin que la force de l'interaction est robuste contre imprévisible fabrication imperfection. / In this thesis, we firstly investigated the striking influence of random disorder on light transport near band edges in one dimensional photonic crystal wave guides, i.e. light localization. Near-field measurements, statistical simulations and theoretical model revealed the existence of a lower bound for the spatial extent of localized modes. We also showed that the disorder level and the spatial extent of individual localized mode is linked by the photon effective mass rather than the generally considered group velocity. Secondly, hybrid cold atoms and photonic crystal wave guides system have been recognized as a promising paradigm for engineering large light-matter interaction at single atoms and photons level. In this thesis, we studied the basic physics, i.e. light transport in periodic nanophotonic wave guides coupled to two-level atoms. Our developed general semi-analytical expression can quickly characterize the coupling between cold atoms and guided photons. Aim to overcome the significant technical challenges existed for developing hybrid atom-photonic systems, we designed a nanophotonic waveguide, which supports a slow guided Bloch mode with large evanescent tail in free space for cold atoms trapping (release the limitation imposed by Casmir Polder force and technical challenge of nanoscale manipulation of cold atoms). To match precisely the slow light region of the guided mode to the atomic transition line, we carefully engineered the photonic band and the dispersion curve (i.e.flatness) of the guided mode so that the interaction strength is robust against unpredictable fabrication imperfection.

Ces travaux de thèse sont consacrés à l'étude expérimentale de fonctions de traitement optique de signaux, multiplexés en longueur (WDM) ou en temps (OTDM), à base de composants à cristaux photoniques (CPh) en matériaux semi-conducteurs III-V réalisés dans le cadre du projet européen Copernicus. Les propriétés dispersives singulières qu'il est possible d'obtenir dans ces structures ont été étudiées au travers d'effets non linéaires améliorés dans le régime de lumière lente. Ainsi, une étude sur le mélange à quatre ondes a été réalisée avec des applications de conversion de longueur d'onde à haut débit et de démultiplexage temporel. Par ailleurs, de la génération de seconde harmonique a été démontrée avec une efficacité record pour ce type de structure, et appliquée au monitoring de signaux télécoms à 42,5 Gbit/s. Des nanocavités CPh ont été utilisées en tant que filtres extracteurs de longueurs d'onde pour démontrer le démultiplexage d'un signal WDM à 100 Gbit/s. Par la suite, nous avons travaillé sur une plate-forme photonique hybride. L'intégration hétérogène de nanocavités CPh en semi-conducteurs III-V sur des guides silicium nous a permis de réaliser de la commutation optique très rapide appliquée à des fonctions de conversion de longueur d'onde jusqu'à 20 Gbit/s et de limiteur de puissance à 10 Gbit/s. Tous ces résultats sont très prometteurs pour l'intégration photonique avec la micro-électronique et la technologie CMOS. Par le biais de ces travaux, nous montrons que les cristaux photoniques, de par leurs propriétés de confinement et de ralentissement de la lumière, sont des structures particulièrement intéressantes pour la réalisation de fonctions de traitement du signal sur porteuse optique. / This thesis is devoted to the experimental study of optical processing functions, of wavelength multiplexed (WDM) or time multiplexed (OTDM) signals, based on III-V semiconductors photonic crystals (PhC) devices produced in the European project Copernicus. The unique dispersive properties that is possible to obtain in such a structure were studied through nonlinear effects enhanced in slow light regime. Thus, a study of four-wave mixing was performed with high bit rate wavelength conversion and time demultiplexing applications. Moreover, second harmonic generation has been demonstrated with record efficiency for such a structure, and applied to 42.5 Gbit/s telecom signals monitoring. PhC nanocavities were used as wavelength drop filter to demonstrate 100 Gbit/s WDM signal demultiplexing. Thereafter, we worked on hybrid photonic platform. The heterogeneous integration of III-V PhC nanocavity on silicon waveguide allowed us to perform very fast optical switching, applied to wavelength conversion up to 20 Gbit/s and power limiting function at 10 Gbit/s. All of these results are very promising for future photonic integration with micro-electronics and CMOS technology. Through this work, we show that PhC, owing to their confinement and slow light properties, are structures particularly interesting to perform optical processing functions.