Les fibres optiques (qu’elles soient à saut ou à gradient d'indice) sont largement utilisées pour les liaisons longue (intercontinentale, dorsale optique terrestre) et courte portée (centre de données, réseau d'accès). Certaines fibres, appelées fibres optiques de spécialité, jouent également un rôle important dans d'autres domaines telles que la médecine (endoscopie par exemple), les capteurs, les applications au laser, etc. La multiplication constante des services Internet combinée à la croissance du nombre d'utilisateurs rend nécessaire l'augmentation de la capacité actuelle des réseaux à fibres optiques. Les fibres aujourd’hui installées et utilisées pour les transmissions à très haut débit utilisent uniquement le mode fondamental (noté LP01, dans l'approximation de faible guidage) pour transmettre les informations : on parle de fibres optiques monomodes. Comme ils atteignent maintenant la limite non-linéaire de Shannon, une des idées pour augmenter la capacité des réseaux optiques consiste à mettre en œuvre le multiplexage spatial (SDM) et à utiliser simultanément différents modes dans une fibre dite légèrement multimode (supportant généralement quelques dizaines de modes) ou une fibre multi-cœurs. Depuis 2010, plusieurs études ont été développées dans ce sens, principalement sur les fibres supportant les modes LP (Linéairement Polarisés) et, plus récemment, les modes OAM (moment angulaire orbital), c’est-à-dire des modes à polarisation circulaire et à phase hélicoïdale. Dans ce dernier cas, les propriétés de phase et de polarisation sont supposées limiter le couplage entre les modes. Ce travail de thèse porte sur la conception et la réalisation de fibres OAM présentant un couplage faible entre modes, pour une application au transport de données mais également pour une étude en photonique non-linéaire. Certaines des fibres étudiées sont des fibres à cœur annulaire fabriquées selon les méthodes de fabrication conventionnelles, présentant des rayons interne / externe et des indices d’anneau optimisés. Nous avons fabriqué de telles fibres à cœur annulaire toute solide dans le but de les appliquer pour une transmission MIMO simple en utilisant des modes OAM comme des canaux indépendants. Cependant, nous avons également conçu et fabriqué la première fibre à cristal photonique (PCF) avec un cœur annulaire quasi-circulaire, à faible perte par confinement et adaptée au guidage des modes OAM. Nous avons montré expérimentalement que les fibres fabriquées supportent les modes OAM et leurs matrices de transmission ont été mesurées. Nous avons également effectué des expérimentations préliminaires sur le décalage solitonique dans la fibre PCF supportant les modes OAM. / Optical fibers (step index and graded-index ones) are widely used for long-haul (intercontinental, terrestrial optical backbone) and short-reach (datacenter, access network) links. Some fibers called specialty optical fibers also play an important role in other applications like medicine (endoscopy for example), sensing, laser applications etc. The constant rise of Internet services combined to the growth of the number of Internet users makes it necessary to increase the current capacity of optical fiber networks. The fibers commercially used today for very high data rate transmissions use only the fundamental mode (denoted LP01, in the weakly guiding approximation) to transmit the information: there are known as single-mode fibers. As they are now reaching the so-called nonlinear Shannon limit, one of the ideas for increasing the capacity of fiber networks is to implement space-division multiplexing (SDM) and then simultaneously use different modes in a so-called few-mode fiber (fiber supporting typically dozens of modes) or a multicore fiber. Since 2010, several studies have been developed in this direction, mainly on fibers supporting LP (Linearly Polarized) modes and more recently OAM (Orbital Angular Momentum) modes, i.e. modes with helical phase and circular polarization. In this last case, phase and polarization properties are supposed to limit the coupling between modes. This PhD work deals with the design and the realization of OAM fibers presenting weak coupling between modes, for application to data transport but also for study in nonlinear photonics. Some of the fibers studied are annular core fibers made by conventional manufacturing methods, having internal / external radii and optimized ring refractive indices. We fabricated such all-solid ring-core fibers with the aim to apply them for simple MIMO transmission using OAM modes as independent channels. However, we also designed and manufactured the first photonic crystal fiber (PCF) with close-to-circular ring-core, low confinement loss and suitable for OAM mode guidance. We experimentally show that the fabricated fibers support OAM modes, and their transmission matrices have been measured. We also performed preliminary solitonic shifting experimentations in PCF fiber supporting OAM.

Les mémoires quantiques sont un élément essentiel dans le domaine de l'information quantique, en particulier pour la mise en oeuvre de communications quantiques sur de longues distances. Une mémoire quantique a pour but de stocker un état quantique de la lumière, comme par exemple un bit quantique (qubit), et de le réémettre après un délai donné. Les ensembles atomiques sont de bons candidats pour construire de telles mémoires quantiques, car il est possible d'obtenir de fort couplage lumière-matière dans le cas d'un grand nombre d'atomes. De plus, la notion d'effet collectif, qui est renforcé pour de large profondeur optique, permet en principe une efficacité de stockage proche de l'unité. Ainsi, dans cette thèse, un piège magnéto-optique de césium à forte densité optique est utilisé pour l'implémentation d'un protocole de mémoire quantique basé sur la transparence induite électromagnétiquement (EIT). Tout d'abord, le phénomène EIT est étudié à travers un critère de discrimination entre les modèles d'EIT et de séparation Autler-Townes. Nous rapportons ensuite la mise en oeuvre d'une mémoire basée sur l'EIT pour des qubits photoniques encodés en moment angulaire orbital (OAM) de la lumière. Une mémoire réversible pour des modes de Laguerre-Gauss est réalisée, et nous démontrons que la mémoire optique préserve le sens de la structure hélicoïdale au niveau du photon unique. Ensuite, une tomographie quantique complète des états réémis est effectuée, donnant des fidélités au-dessus de la limite classique. Cela montre que notre mémoire optique fonctionne dans le régime quantique. Enfin, nous présentons la mise en oeuvre du protocole dit DLCZ dans notre ensemble d'atomes froids, permettant la génération de photons uniques annoncés. Une détection homodyne nous permet de réaliser la tomographie quantique de l'état photonique ainsi créé.

Nous étudions expérimentalement deux mémoires quantiques pour la lumière utilisant la transparence électromagnétiquement induite (EIT) dans des nuages froids de césium.Nous expliquons la pertinence des mémoires quantiques pour le développement de réseaux quantiques à longue distance, et décrivons la théorie de l’EIT en soulignant les paramètres essentiels pour l’implémentation de mémoires quantiques.Notre premier cas d’étude est un piège magnéto-optique en espace libre. Notre principal résultat est la démonstration du caractère multimode de ce système pour le stockage quantique de la lumière. Pour cela, nous utilisons des faisceaux de Laguerre-Gauss (LG), porteurs de moment angulaire orbital (OAM). Dans une première étape, nous avons montré que l’état de moment orbital d’impulsions lumineuses en régime de photons uniques est préservé lors du stockage dans la mémoire. Ensuite, nous avons implémenté un bit quantique comme une superposition de modes LG ayant des hélicités opposées. Nous avons développé un système original pour mesurer ces bits quantiques qui nous a permis de caractériser l’action de la mémoire. Nous avons ainsi pu montrer que le stockage quantique de ces bits quantiques.Le second système, également un nuage d’atomes froids, a la particularité que les atomes sont piégés optiquement autour d’un nano-guide d’onde. Ce design innovant permet une plus grande interaction entre lumière et matière, et facilite l’interfaçage des photons dans et hors de la mémoire. Nous décrivons la construction de ce dispositif et les premiers pas vers son utilisation en tant que mémoire quantique. / We present an experimental study of two optical quantum memory systems based on electromagnetically induced transparency (EIT) in cold cesium atoms.We explain the relevance of quantum memories for the development of large-scale quantum networks, we give a comprehensive theory of the EIT phenomenon and underline the role of relevant parameters regarding the implementation of quantum memories.The first system under study is prepared in a free-space magneto-optical trap. The main result of this thesis is the demonstration of the spatial multimode capability of this system at the quantum level. For this, we used Laguerre-Gaussian (LG) light beams, i.e. beams possessing a non-zero value of orbital angular momentum (OAM). In a first step, we showed that the orbital angular momentum of stored light pulses is preserved by the memory, deep in the single photon regime. In a second step, we encoded information in the orbital angular momentum state of a weak light pulse and defined a qubit using two LG beams of opposite helicities. We developed an original setup for the measurement of this OAM qubit and used it to characterize the action of the memory during the storage of such a light pulse. Our results show that the memory performs the quantum storage of such a qubit.The second system under study, also a cloud of cold atoms, has the specificity that the atoms are trapped optically in the vicinity of a nano-waveguide. This innovative design ensures a higher light-matter interaction and facilitates the interfacing of photons into and out of the memory. We describe the building of this setup and the first steps towards quantum memory implementations.

Une onde électromagnétique est définie par son amplitude, son vecteur d'onde, sa fréquence et son moment angulaire. Ce dernier peut être séparé en deux parties : la polarisation (associée au moment angulaire de spin), et le moment angulaire orbital. Ce dernier n'a vraiment été étudié qu'à partir de ces dernières années. Cette thèse a pour but d'approfondir les connaissances sur ce moment angulaire orbital. Des prototypes ont ainsi été réalisés, et des outils d'analyse ont été développés. Dans un premier temps, une étude du transfert de ce moment angulaire orbital à un objet macroscopique, à la fréquence de 870 MHz, est présentée. Une interprétation du mécanisme de transfert est ensuite proposée, supportée par le calcul des équations de champs et des simulations électromagnétiques. Dans un second temps, la conception et la réalisation de deux antennes, pouvant générer une onde possédant un moment angulaire orbital, sont présentées. Ces deux antennes utilisent une lame de phase avec une loi à dépendance angulaire. La première est une lame de phase dite « spirale », à permittivité constante et à hauteur variable. La seconde est une lame à gradient d'indice, à permittivité variable et à hauteur constante. Ces deux antennes ont été simulées, puis mesurées au sein de la chambre anéchoïque CHEOPS (DGA-MI, Bruz). Des cartographies sur un plan du champ ont ainsi été obtenues. Dans un dernier temps, la réflexion sur des surfaces courbes et planes, et l'influence de l'échantillonnage sur l'estimation des modes d'OAM, ont été étudiées. En ce qui concerne la réflexion, les résultats de simulations sont prometteurs, et semblent indiquer l'existence d'une relation entre les déformations du faisceau réfléchi et le type de surface. Pour l'estimation des modes d'OAM, les valeurs de champs sont extraites sur un cercle. Différents paramètres (positionnement et rayon du cercle) ont été considérés, et une méthode d'estimation des modes d'OAM sur une large bande de fréquence est proposée. / An electromagnetic wave is defined by its amplitude, its wave vector, its frequency and its angular momentum. This momentum can be decomposed into two components: polarization (associated to spin angular momentum), and orbital angular momentum. The later has not been investigated thoroughly until the last few years. To deepen the knowledge on orbital angular momentum, both prototypes and analysis tools have been developed in this thesis. First, study of orbital angular momentum transfer to a macroscopic object, at a frequency of 870 MHz, is presented. An interpretation of the transfer mechanism is then proposed, supported by the calculation of field equations and electromagnetic simulations. Secondly, the conception and the realization of two antennas able to generate an EM wave with orbital angular momentum are presented. These antennas use phase plates with an angular dependent law. The first one is a “spiral” phase plate, with constant permittivity and variable height. The second one has variable permittivity and constant height. Both have been simulated and characterized in CHEOPS anechoic chamber (DGA-MI, Bruz). Measurements of magnitude and phase, on a plane, have been obtained. Lastly, total reflection on planar and curved surfaces and influence of sampling on OAM modes estimation were investigated. Simulation results of reflected waves are promising and show a relationship between the induced deformations and the object reflected on. As for OAM modes estimation, study has been performed using an extraction circle on the wave front. Several parameters (center of the circle, radius) have been considered, and a method for OAM modes estimation on a large bandwidth is proposed.

La génération d’harmoniques d’ordre élevé est un processus d’interaction lumière-matière hautement non-linéaire permettant la synthèse d’impulsions sub-femtosecondes, dites attosecondes (1 as = 10⁻¹⁸ s). Mes travaux de thèse portent sur l’étude du transfert de moment angulaire lors de ce processus, afin de contrôler les caractéristiques spatiales et de polarisation du rayonnement émis dans l’extrême ultraviolet. Comme pour la matière, le moment angulaire de la lumière peut être séparé en une composante de spin, associée à l’état de polarisation du faisceau, et une composante orbitale, reliée à la forme du front d’onde. La maitrise complète du moment angulaire des harmoniques nécessite de recourir à des schémas de génération à deux faisceaux non-colinéaires, créant un réseau de diffraction dans le milieu générateur. Nous avons montré que, bien que les règles de transfert obéissent à des lois de conservation du moment angulaire, la description fine du phénomène requiert une analyse précise du champ laser dans le milieu de génération. Ces travaux ouvrent des perspectives de mise en forme avancée des impulsions attosecondes. / High-order harmonic generation is a highly nonlinear laser-matter interaction process which allows the synthesis of sub-femtosecond pulses, also called attosecond (1 as = 10⁻¹⁸ s) pulses. My PhD is centered around the study of angular momentum transfer during this process, in order to control spatial and polarization features of the radiation which is emitted in the extreme ultraviolet. As for matter, the angular momentum of light can be divided into a spin component, associated with the beam’s polarization, and an orbital component, related to the shape of the wavefront. The control of high harmonics’ angular momentum requires generating schemes involving two crossing beams, thus creating a diffraction grating in the generating medium.We have shown that, although the transfer rules obey conservation laws of the angular momentum, the fine description of the phenomenon requires an accurate analysis of the laser field in the generation medium. This work opens the road for advanced shaping of attosecond pulses.

Il est bien connu dans la théorie de Maxwell que le rayonnement électromagnétique (EM) d'une onde porte à la fois du moment linéaire (énergie) et du moment angulaire. Ce dernier possède deux parties: le Moment Angulaire de Spin (ou SAM) qui est également connu sous le nom de la polarisation et le Moment Angulaire Orbital (ou OAM). Le SAM ne comprend que deux états (gauche et droite) et est utilisé en télécommunications pour doubler la capacité du canal. Par contre, le moment angulaire orbital (OAM) peut en théorie, avoir un nombre infini d'états appelés les modes OAM. Par conséquent, en radiofréquences, les premières applications de l'OAM ont été proposées dans le domaine des communications sans fil. Mais, tout d'abord, il est nécessaire de développer des antennes générant de telles ondes. L'objectif de cette thèse est de concevoir des antennes pour générer des ondes ayant un OAM. Le manuscrit se décompose en trois parties. Dans la première partie, un réseau d'antennes « patches » utilisant un déphaseur original est développé et testé. Ce réseau génère une onde ayant de l'OAM. Dans la deuxième partie, une cavité Fabry-Perot (FP) est utilisée pour apporter plus de directivité à ce réseau d'antennes. Enfin, la troisième partie consiste à générer des ondes guidées possédant du moment OAM. Ces ondes ont ensuite été utilisées pour exciter des antennes en cornet et rayonner des faisceaux directifs transportant du moment angulaire orbital. / It is well known from Maxwell’s theory that electromagnetic (EM) radiation carries both linear momentum (energy) and angular momentum. The latter has two parts: Spin Angular Momentum (SAM) which corresponds to the polarization of an EM wave and Orbital Angular Momentum (OAM) which is associated with the spatial distribution of an EM wave. The SAM has only two states (left and right) and is used to double the channel capacity in telecommunications. On the other hand, the OAM can theoretically have an infinite number of states called the OAM modes. Therefore, the first applications of OAM have been proposed in wireless communications at radio frequencies. However, first of all, it is necessary to develop the antennas for generating such waves. The objective of this thesis is to design the antennas for the generation of radio waves bearing OAM. The manuscript contains three parts. In the first part, an antenna using 4 patches and an original phase shifter is developed and tested to generate an OAM wave. In the second part, a Fabry-Perot (FP) cavity is used to enhance the directivity of this antenna. The third part is to generate guided OAM waves. Some horn antennas are used to radiate these waves with good directivity.