Thesis (doctoral)--Université de Paris, 1867. Thèse de doctorat : Physique : Paris, Faculté des sciences : 1867. / "No. d'ordre: 293" Titre provenant de l'écran-titre. Références bibliogr.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude théorique et expérimentale de la régénération tout-optique pour les systèmes de télécommunications longue distance et très-haut débit. Nous nous intéressons plus particulièrement à des solutions compactes, bas coût, et compatibles avec des systèmes multiplexés en longueur d'onde (WDM). Ces travaux se sont orientés vers des dispositifs à base d'absorbant saturable en microcavité (AS) qui grâce à un couplage optique vertical et un démultiplexage spatial des longueurs d'onde rend ce composant très attractif pour des applications de régénération tout-optique dans des systèmes de transmission WDM. Premièrement, nous étudions une architecture de régénérateur optique 2R basé sur l'association d'un AS et d'un limiteur de puissance utilisant des effets non-linéaires dans une fibre optique. Durant cette thèse, un module AS à 8 canaux a été réalisé. Ce module a permis d'étudier la compatibilité de l'AS avec des systèmes de transmission WDM. L'efficacité de ce module AS pour la régénération 2R est validée à l'aide d'une boucle à recirculation de 100 km. Nous avons démontré expérimentalement sur les 8 canaux du module une amélioration de la distance de transmission d'un facteur 3,3 pour un taux d'erreur binaire de 10−4 . Deuxièmement, une solution alternative pour réaliser la fonction de limiteur de puissance basé également sur un AS est proposée. Nous étudions donc un dispositif de régénération qui associe un premier AS, permettant d'améliorer le taux d'extinction du signal, et un deuxième AS traitant les fluctuations des puissances optiques élevées (symbole "un"). Ensuite, un régénérateur 3R tout-optique basé sur le régénérateur 2R et une technique de modulation synchrone est considéré. La modulation synchrone est réalisée par une modulation d'absorption croisée dans l'AS obtenue en injectant une horloge optique issue d'une récupération d'horloge (RH) tout-optique. Cette RH utilise des lasers à verrouillage de modes à semi-conducteurs. Ce dispositif 3R a été inséré dans une boucle à recirculation de 100 km et étudié à un débit de 42,7 Gbit/s. L'étude expérimentale à montré un facteur d'amélioration de la distance de transmission de 22,5 pour un taux d'erreur binaire de 10−8 et correspondant à une distance de transmission de 18 000 km. Enfin, l'étude d'un dispositif de régénération tout-optique permettant de traiter un signal dont l'information est portée par la phase (DPSK) est menée. Nous avons étudié l'impact de l'AS quand il est utilisé comme limiteur de puissance dans un système de transmission DPSK. En effet, l'AS permet de limiter les fluctuations d'intensité et ainsi de se prévenir contre l'accumulation de bruit de phase non-linéaire. Nous avons démontré expérimentalement avec une boucle à recirculation de 100 km que ce type de régénérateur permet une amélioration jusqu'à un facteur 1,6 sur la distance de transmission pour un taux d'erreur binaire de 10−4.

Les sources laser à fibre sont de plus en plus utilisées dans des domaines très divers car elles possèdent des avantages majeurs : qualité de faisceau, intégration, possibilité d'émettre une puissance moyenne élevée, efficacité, robustesse. Nous présentons des travaux de recherche visant à étendre les performances des sources ultrarapides basées sur les fibres en utilisant des effets d'optique non linéaire et en proposant de nouvelles architectures laser.

L’injection tout optique des porteurs de charges libres dans un matériau semi-conducteur peut changer la fréquence de résonance d’une cavité optique pendant quelques picosecondes et permet une modification ultra-rapide de l’interaction lumière-matière. Dans cette thèse, nous étudions la commutation de différents types de cavités basés sur les matériaux GaAs/AlAs et explorons des applications possibles.Quand la longueur d’onde de résonance est changée sur une échelle de temps inférieure à son temps de stockage, lumière stockée subit un décalage vers les hautes fréquences. Dans ce travail, nous étudions expérimentalement cet effet pour des microcavités planaires à haut facteur de qualité, étant capables de stocker la lumière pendant plusieurs dizaines de picosecondes et observons un décalage important (environ 17 largeurs de raie) de la lumière stockée. Conformément à nos simulations numériques, nous mettons en évidence un comportement adiabatique et une efficacité proche de 100% pour ce procédé de conversion.Étant au sein d’une cavité, des boîtes quantiques (BQ) peuvent servir comme source de lumière interne pour sonder les modes de la cavité et la dynamique de la commutation. Nous utilisons cette approche pour étudier deux types de cavités différents.D’un côté, nous injectons une distribution inhomogène de porteurs de charge libres dans des micropiliers, dont l’intérêt pour des expériences d’optique quantique est bien reconnu. A cause des recouvrements différents entre les distributions des porteurs libres et des intensités des champs, nous observons des comportements de la commutation des modes radicalement différents. Ce comportement est compris quantitativement sur la base des simulations prenant en compte la diffusion et la recombinaison des paires électron-trou.D’un autre côté, nous explorons les propriétés d’un nouveau type de microcavité, des résonateurs en forme d’anneau ovoïde. Nous présentons une caractérisation de leurs propriétés optiques et des expériences de commutation. Ces objets présentent des perspectives prometteuses pour la fabrication des microlasers et pour des expériences d’optique, telles que le contrôle dynamique de l’effet Purcell. / The all-optical injection of free charge carriers into a semiconductor material can change the resonance frequency of an optical microcavity within few picoseconds and allows an ultrafast modification of light-matter interaction. In this PhD thesis, we study the switching of different types of cavities based on GaAs/AlAs materials and explore possible applications.When the resonance wavelength of a cavity is shifted on a timescale shorter than its storage time, the frequency of the stored light is up-converted. In this work, we study this effect experimentally for high Q planar microcavities, able to store light during several tens of picoseconds. Upon ultrafast switching, we observe a large frequency shift (around 17 mode linewidths) of stored light.In agreement with numerical simulations, we evidence an adiabatic behavior and an efficiency close to 100% for this conversion process.When embedded in a cavity, quantum dots can serve as an internal light source for probing cavity modes and their switching dynamics. We use this approach to study two different kinds of microcavities.On one hand, we inject an inhomogeneous distribution of free charge carriers into micropillars, whose interest for quantum optics experiments is well recognized. We observe drastically different switching behaviors for their cavity modes, due to the different overlaps between free carriers and field intensity distributions. This behavior is understood in a quantitative way on the basis of simulations taking into account the diffusion and recombination of electron-hole pairs.On the other hand, we explore the properties of a novel type of microcavity, ovoid ring resonators. We present a characterization of their optical properties, as well as switching experiments. These objects offer appealing perspectives for the fabrication of microlasers, and for quantum optics experiments such as controlling the Purcell effect in real time.

La dissertation explore différentes applications des fibres optiques en ingénierie quantique. Deux thématiques sont développées :d'une part l'utilisation des fibres optiques monomodales en silice pour l'implémentation d'algorithmes et de protocoles de communication quantiques et d'autre part l'utilisation de la non-linéarité de ces fibres pour réaliser des sources de paires de photons corrélés. L'étude est à la fois théorique et expérimentale./ The dissertation explores various uses of optical fibers for quantum engineering. Two topics are developed :first the use of single-mode silica fibers for implementing quantum algorithms and communication protocols, second the use of these fibers for generating correlated photon-pairs. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'objectif de ce projet de thèse est de mettre en évidence des phénomènes de chiralité optique induits dans des systèmes plasmoniques. La manipulation des différents degrés de liberté de la lumière est mise en évidence par le biais de techniques expérimentales complémentaires basées sur la tomographie en polarisation, la microscopie à fuites radiatives et la microscopie en champ proche optique (SNOM). D'une part, nous rapportons une méthode de caractérisation non-invasive afin de révéler la présence conjointe de chiralité planaire et volumique au sein de métasurfaces plasmoniques. Pour décrire cette chiralité mixte, une généralisation du modèle de Kuhn est développée. D'autre part, nous démontrons deux dispositifs plasmoniques exploitant le couplage spin-orbite optique pour contrôler les moments angulaires de spin et orbitaux de la lumière. En particulier, le mécanisme réciproque de l'effet spin Hall optique est démontré à l'aide de nano-ouvertures en forme de T: la trajectoire des plasmons de surface est adressée dans le moment angulaire de spin des photons. Cette fonctionnalité est ensuite mise en œuvre dans une expérience de brouillage d'interférence. La génération de vortex plasmoniques est également réalisée par le biais de cavités spirales, dont la chiralité conditionne l'intensité et le moment angulaire orbital des vortex. Enfin, une preuve de concept sur la mesure de la densité locale d’états optique, façonnée par un environnement chiral, est démontrée à l'aide d'une sonde SNOM classique et quantique. Ce travail permet de connecter les grandeurs de densité et de flux de chiralité aux interactions lumière-matière. L'étude de la chiralité dans le contexte de la plasmonique ouvre des perspectives prometteuses dans la nano-manipulation optique, la séparation de molécules chirales et le contrôle de sources quantiques. / In this thesis, we aim at demonstrating chiral optical effects in plasmonic systems. The manipulation of the different degrees of freedom of light is evidenced by complementary experimental approaches based on polarisation tomography, leakage radiation microscopy and scanning near-field optical microscopy (SNOM). On one hand, we report on a non-invasive method to reveal the coexistence of surface and bulk chirality in plasmonic metasurfaces. Specifically, we extend the model of Kuhn to describe this chirality mixture. On the other hand, we demonstrate two plasmonic devices which rely on the optical spin-orbit coupling to control the spin and the orbital angular momentum of light. In particular, the reciprocal mechanism of the spin-Hall effect of light is shown using T-shaped nano-apertures: the trajectory of surface plasmons can be encoded in the spin of the photons. This which-path marker is then implemented in an interference erazer experiment. Plasmonic vortex generation is also reported in spiral cavities. The spiral chirality rules the intensity as well as the angular orbital momentum of the singular fields. Finally, as a proof of concept, we demonstrate using a conventional and quantum SNOM probe that the local density of optical states can be structured by a chiral environment. We also connect the density and flux chirality to light-matter interactions. Studying chirality in the context of plasmonics opens promising prospects in the optical nano-manipulation, chiral molecules discrimination and the control of quantum sources.

La technologie d'échange d'ions sur verre, développée et maîtrisée à l'IMEP il y a quelques années, a permis la réalisation de nombreuses fonctions optiques pour les télécommunications, pour l'astrophysique et pour la mesure de grandeurs physiques, chimiques et biologiques. Aujourd'hui les recherches sont poussées vers les verres dopés et les structures hybrides pour la réalisation de composants actifs. L'ajout de fonctions optiques non linéaires donne de nouvelles perspectives à cette technologie. Un exemple de non linéarité est une contrainte mécanique exercée sur un guide d'onde. Cette contrainte va changer l'indice de réfraction du guide. Une onde acoustique qui se déplace dans ou sur le verre va changer localement son indice de réfraction. Ce travail de thèse est dédié à l'interaction acousto-optique sur verre. Deux types d'ondes acoustiques sont étudiés, les ondes de volume et les ondes de surface. Le résultat de cette recherche nous a permis de simplifier un capteur de déplacement développé antérieurement au sein du laboratoire et de concevoir un nouvel analyseur de polarisation intégré sur verre. Les perspectives de ce travail sont d'introduire l'effet acousto-optique en optique intégrée sur verre, de l'exploiter et de l'améliorer pour la réalisation de nouvelles fonctions optiques.

L'objet de cette thèse est l'étude théorique puis expérimentale de la possibilité de réduire les fluctuations d'origine quantique de la lumière, à l'aide d'une cavité optique bistable contenant un milieu non linéaire. Le calcul des spectres du bruit de la lumière sortant d'une telle cavité optique est présenté à l'aide d'un formalisme "entrée-sortie" permettant de décrire la modification des fluctuations du champ électromagnétique par la cavité, et de tenir compte des fluctuations éventuellement ajoutées par le milieu non linéaire. Ce formalisme est appliqué au cas où le milieu non linéaire est un effet Kerr pur. Ce modèle simple nous permet de dégager un critère pour comparer les qualités des différents milieux existants pour la réduction du bruit quantique. Un milieu composé d'atomes immobiles est de ce point de vue un bon candidat. Cependant, à cause des propriétés spécifiques liées aux résonances atomiques, il nécessite un calcul détaillé des spectres de bruit qui est fait avec le modèle à deux niveaux et le formalisme "entrée-sortie". Ces calculs confirment la possibilité de réduire les fluctuations quantiques de la lumière avec des atomes immobiles. La partie expérimentale de cette thèse décrit la réalisation d'un piège magnéto-optique fournissant un nuage d'atome de césium presque immobiles. L'interaction de ces atomes piégés avec une cavité optique nous a permis d'observer deux phénomènes, dont une oscillation laser due à un gain par effet Raman stimulé dans les atomes froids. L'autre phénomène est la bistabilité optique, parfois accompagnée d'instabilités, dues à la non-linéarité du milieu et à la contre-réaction optique de la cavité. La dernière partie de ce mémoire discute les difficultés de la mesure du bruit quantique de la lumière et présente des mesures préliminaires du bruit de la lumière ayant intéragi avec la cavité bistable.

Ce travail de thèse porte sur l'étude des processus non-linéaires cohérents des semiconducteurs nanostructurés en microcavité. Cette étude montre la faisabilité d'une porte optique ultra-rapide et peu dissipative fonctionnant avec une faible énergie de commande (~µJ/cm²). Des études expérimentales en diffraction et en pompe-sonde dégénérées ont été réalisées sur des microcavités semiconductrices, à température ambiante. Elles ont permis de mettre en évidence une modulation ultra-rapide de la fonction diélectrique du semiconducteur lorsque l'on excite le matériau dans sa région de transparence. Un rendement de diffraction de 2% et une modulation de réflectivité d'un contraste 5:1 ont été mesuré pour une excitation de faible énergie (~µJ/cm²). Cette modulation ultra-rapide a été attribuée à l'effet Stark optique. L'insertion du matériau non-linéaire dans une microcavité Fabry-Pérot permet d'exalter l'interaction lumière/matière et ainsi d'abaisser l'intensité de commande. Une étude numérique d'une microcavité contenant un milieu absorbant a été réalisée. Nous avons montré que le minimum de réflectivité ne se produit pas forcément à la longueur d'onde de résonance lres attendue mais en une longueur d'onde dite de pseudo-résonance lps. Le décalage entre ces deux longueurs d'onde peut atteindre plusieurs nanomètres. En considérant cette étude, une modélisation du couplage de l'effet Stark optique avec le mode de la cavité a également été réalisée. Le modèle développé permet de rendre compte des résultats expérimentaux de modulation de réflectivité. L'utilisation de ce modèle permettrait d'étudier l'influence des paramètres d'élaboration de la cavité sur la modulation et ainsi de définir une structure adaptée à la modulation.

Ce travail porte sur la conception et la caractérisation de sources semiconductrices d'états à deux photons pour l'information quantique intégrée. Ces dispositifs, basés sur la fluorescence paramétrique dans des guides d'onde en AlGaAs, émettent des paires de photons à température ambiante aux longueurs d'onde des télécommunications. La première source est une diode laser émettrice de photons jumeaux, basée sur un accord de phase modal entre un mode laser de Bragg à 775 nm injecté électriquement et les modes de photons télécom au sein du même guide d'onde. Nous détaillons le design de la structure, sa caractérisation optique linéaire et non linéaire et son comportement sous injection de courant. L'obtention de l'émission laser et de la génération de seconde harmonique sur un même dispositif ouvre la voie vers une source ultra-compacte de paires de photons. Le second dispositif étudié repose sur une géométrie de pompage transverse où un faisceau laser incident sur le dessus du guide génère deux photons télécom guidés et contrapropageants. Nous explorons la grande versatilité de l'état quantique des paires générées par cette source, avec notamment les possibilités d'ingénierie de l'état dans le domaine fréquenciel offertes par cette géométrie. Nous présentons également la première démonstration expérimentale d'états intriqués en polarisation obtenue avec ce dispositif, ainsi qu'un modèle permettant de calculer la qualité de l'intrication à partir des distributions spatiales et spectrales du faisceau de pompe. Ces sources d'états non classiques, compactes et injectables électriquement, sont d'excellents candidats pour les implémentations photoniques de l'information quantique.