Les interféromètres stellaires sont des dispositifs à très haute résolution angulaire, permettant une étude approfondie de l’Univers. Cette thèse décrit la mise en place en laboratoire d’un interféromètre à somme de fréquences dédié à la détection de rayonnement infrarouge en bande L :ALOHA@3.39. Afin de pouvoir limiter le bruit généré par les rayonnements thermiques ambiants et de pouvoir bénéficier des technologies matures en terme de détection et de transport cohérents de la lumière collectée, ce système intègre sur chacune des voies interférométrique un processus non linéaire de somme de fréquence. Les rayonnements autour de 3.39 μm sont transposés autour de 810 nm via des cristaux de PPLN alimentés par une pompe unique à 1064 nm. Une première partie présente le contexte expérimental et théorique de la thèse. La deuxième partie concerne la conception, la réalisation et la caractérisation du banc ALOHA@3.39. La troisième partie présente les résultats expérimentaux obtenus en laboratoire. La mesure répétée du contraste en régime de fort flux permet de calibrer le contraste instrumental du montage. Les premières mesures en régime de comptage de photons montrent que nous sommes actuellement capables de détecter des franges d’interférence avec de hauts contrastes en ne disposant que de 100 Fw à l’entrée de chacune des voies. Enfin, nos investigations nous ont amené à la détection de franges d’interférences via le prototype ALOHA@3.39 à partir d’une source thermique, assimilable à un corps noir. Cette thèse conclue sur une estimation de la magnitude limite accessible, et sur l’utilisation de nouvelles technologies de PPLN. / Stellar interferometers are high angular resolution devices, allowing for detailed research of the Universe. This thesis describes the in-lab implementation of a sum frequency generation interferometer dedicated to the infrared detection in the L band : ALOHA@3.39. In the aim of limiting thermal noise due to the room radiation, and benefit mature detectors and fibered components, this device includes a sum frequency generation non-linear process on each of its arms. Stellar radiations around 3.39 μm are transposed to around 810 nm thanks to PPLN cristals powered by a single pump signal at 1064 nm. The first part presents our global experimental context and theoretical elements about this thesis. The second part deals with the conception, the implementation and characterisation of the test bench ALOHA@3.39. The third part tables in-lab experimental results. Repeated measurements of the fringe contrast on high flux regime allow to calibrate the instrumental contrast of the set-up. First measurements on photon counting regime show we are currently able to detect interference fringes with high contrast with only 100 fW at the input of each arm. Finally, our research led us to realise interference fringes detection via the ALOHA@3.39 prototype, observing a thermal source, considered as a black body. This thesis concludes on an estimation of the limiting reachable magnitude, and on the future use of new PPLN technologies.

Le processus de somme de fréquences optiques est utilisé dans certaines applications pour convertir des signaux de longueurs d’onde infrarouges vers le domaine de longueurs d’onde visibles. Cela permet de bénéficier de technologies plus performantes notamment en terme de détection et de propagation. Les travaux menés dans cette thèse s’intéressent à l’étude de phénomènes optiques parasites générés par ce processus non linéaire dans des cristaux de niobate de lithium périodiquement polarisés (PPLN) pour des applications de conversion de fréquences en régime de comptage de photons. La première partie de ce manuscrit montre l’intérêt du processus de somme de fréquences optiques dans le contexte technologique de la détection infrarouge en régime de comptage de photons, via le concept de détection hybride. Les éléments théoriques et l’état de l’art associés à la détection hybride seront également présentés dans cette première partie. La deuxième partie traite d’une étude comparative entre différents cristaux de PPLN pour la détection hybride à 1550 nm. Pour cela, une analyse expérimentale détaillée des processus parasites est effectuée. Les résultats de cette étude sont utilisés pour des applications en astronomie et en microscopie. Enfin, la troisième partie traite d’une application de la somme de fréquences en interférométrie stellaire. Les résultats de caractérisation des cristaux de PPLN sont mis à contribution dans l’optimisation d’un instrument pour l’astronomie appelé interféromètre à somme de fréquences. Les résultats d’observation sur le site astronomique du Mont Wilson ainsi que les perspectives de cette instrument y sont présentés. / The sum frequency generation process is used in differents applications to convert signals from infrared wavelengths to the field of visible wavelength. This allows to benefit of more efficient technologies in terms of detection and propagation. This thesis describes the study of noise phenomena generated by this process in crystals of periodically poled lithium niobate (PPLN) for frequency up-conversion applications in photon counting regime. The first part of the manuscript shows the advantage of sum frequency generation process in the technological environment of the infrared detection on single photon counting regime, using the concept of hybrid detection. The theoretical elements and the state of the art associated with hybrid detection will also be presented in this first part. The second part deals with a comparative study between different PPLN for hybrid detection at 1550 nm. A detailed experimental analysis of the noise process is performed. The results of this study are used for applications in astronomy and microscopy. The third part deals with an application of the sum frequency in stellar interferometry. The results of PPLN’s characterization are involved in optimizing an instrument for astronomy called sum frequency interferometer. The results of observation on the astronomical site of Mount Wilson and the prospects of this instrument are presented.

La détection faible flux dans le moyen infrarouge (MIR) est fortement pénalisée par le rayonnement thermique de l’environnement. La principale solution à ce problème consiste à cryogéniser la plus grande partie possible de la chaîne de détection. Cette méthode atteint ses limites pour certaines applications,notamment l’imagerie haute résolution en astronomie par méthode interférométrique. Une solution alternative consiste à utiliser le processus non linéaire de somme de fréquences pour convertir ce rayonnement moyen infrarouge vers des domaines de longueur d’onde où les détecteurs ne sont plus limités par le rayonnement de l’environnement et fonctionnent efficacement en régime de comptage de photons. Les travaux effectués au cours ces trois années sont le prolongement direct de plus d’une décennie de recherche pour la détection et l’interférométrie par conversion de fréquence. Ils s’inscrivent dans la continuité des travaux de thèses de L. Szemendera et de P. Darré, ayant, pour l’un, posé les premières pierres de l’interférométrie par conversion de fréquence dans le MIR et, pour l’autre, démontré la possibilité d’utiliser cette technique sur le ciel à1550 nmen tirant parti de la technologie de guidage ridge. Cette thèse constitue donc la jonction fructueuse de ces travaux antérieurs, rendue possible par une collaboration avec l’institut Femto-ST. L’utilisation de leurs guides PPLN ridge nous a permis de nous placer au niveau de l’état de l’art pour la détection par conversion de fréquence dans le MIR (3,5 μm)avec des démonstrations expérimentales à la fois en laboratoire et sur le ciel (C2PU). Intégrée à un interféromètre à conversion de fréquence à ces mêmes longueurs d’onde, elle a également permis d’en améliorer significativement les performances et la répétabilité de cette technique, principalement dans le cas d’une source spectralement large bande. Parallèlement, notre collaboration avec le réseau de télescopes CHARA, nous a offert l’opportunité d’étudier les problématiques soulevées par une future mise en œuvre de l’instrument sur ce site. / Low flux detection in the mid infrared (MIR) is strongly penalized by thermal radiation from the environment. The main solution to this problem is to cryogenize as much of the detection chain as possible.This method is reaching its limits for some applications, including high-resolution imaging in astronomy using interferometric methods. An alternative solution is to use the non-linear process of sum frequency generation to convert this mid infrared radiation to wave length domains where detectors are no longer limited by the radiation from environment and operate efficiently in photon counting regime.The work over these three years is part of more than a decade of research into up-conversion detection and interferometry. It is the expansion of the these works of L. Szemendera and P. Darré. The first one laid the fondation of the up-conversion interferometry in the MIR and the second one demonstrated the possibility of using this technique on the sky at 1550 nm by benefiting from the ridge waveguide technology.Thus, this thesis constitutes the fruitful junction of these earlier works, made possible by a collaboration with the Femto-ST Institute. The use of their PPLN ridge waveguides has enabled us to place ourselves at the state of the art for up-conversion detection in the MIR (3,5 μm) with experimental demonstrations both in the laboratory and on the sky (C2PU). Integrated into a up-conversion interferometer at these same wave lengths, it has also significantly improved the performance and repeatability of this technique,in particular in the case of a spectrally broadband source. At the same time, our collaboration with the CHARA telescope array gave us the opportunity to study the problems raised by a future implementation of the instrument on this site.

La technique de l'interférométrie en astronomie permet d'observer des objets avec une haute résolution angulaire comparativement à l'utilisation d'un unique télescope. L'observation dans l'infrarouge moyen représente aujourd'hui un enjeu en interférométrie notamment pour l'étude des noyaux actifs de galaxie ou de la formation des planètes. Cependant ce domaine spectral est particulièrement contraignant puisqu'il est soumis à l'émission propre des éléments optiques de l'instrument mais également de l'atmosphère. Ce manuscrit développe les travaux effectués sur un nouvel instrument utilisant un processus de conversion de fréquence pour transposer le rayonnement infrarouge vers un domaine spectral permettant de s'affranchir de l'émission propres des optiques. Un prototype fonctionnant dans le proche infrarouge à 1,55 µm et convertissant, via une processus de somme de fréquences, le rayonnement dans le domaine visible autour de 630 nm grâce à une pompe intense à 1064 nm, a été mis en place pour démontrer, en laboratoire, le principe de cette solution innovante notamment dans le cadre de l'analyse de la cohérence spatiale d'un corps noir. L'objectif est maintenant de démontrer la capacité de l'instrument à détecter un objet réel. J'introduis dans cette thèse les notions théoriques essentielles à la compréhension des travaux présentés pour ensuite détailler le fonctionnement de l'instrument et les éléments d'amélioration apportés, notamment en terme de transmission, au cours de ma thèse. Les études préliminaires en laboratoire du comportement de l'instrument ont permis d'aboutir aux premières franges sur le ciel en utilisant la plus petite base (34 m) du réseau interférométrique CHARA et de rechercher la magnitude limite de l'instrument. L'utilisation du processus de conversion de fréquence a pour conséquence de filtrer le spectre converti. Ainsi dans la configuration actuelle de l'interféromètre, seul 0,6 nm du spectre infrarouge en entrée du cristal est converti à travers le processus de SFG. Afin d'augmenter la sensibilité, une solution est de créer plusieurs processus de SFG simultanément dans chaque étage de conversion afin d'échantillonner le spectre infrarouge converti. Cette solution requiert d'utiliser plusieurs sources de pompe indépendantes qui vont créer des systèmes de franges incohérents. Je présente l'analyse de la cohérence temporelle d'une source infrarouge large bande convertie via l'utilisation de deux sources de pompe et un moyen de synchroniser les différents systèmes de franges afin de maximiser le contraste. / Interferometry is an instrumental technique suitable to perform astronomical observations at high angular resolution. Currently, the mid-infrared spectral domain is a real issue for the astronomical interferometry to characterize astronomical objects such as proto-planetary discs or active galactic nuclei. However, this spectral domain is subject to a large thermal background emission from the instrument and from the sky. This manuscript describes an innovative instrument using a nonlinear process of sum frequency generation to convert the mid-infrared radiation to a shorter wavelength domain where the thermal emission from the instrument is negligible. A prototype operating in the near-infrared at 1.55 µm and converting the radiation in the visible domain at 630 nm thanks to a strong pump at 1064 nm has already demonstrated its ability to analyse spatial coherence of a blackbody source. The present goal is to demonstrate its ability to detect an object on the sky. In this manuscript I introduce theoritical concepts necessary for an understanding of the overall operation of the instrument. Then, I describe the main improvements provided in this thesis, in particular concerning the instrumental transmission. The preliminary studies of the instrument operation resulted in the first on-sky fringes on the CHARA array and enabled to determine its limiting magnitude. The upconversion process acts as a filter on the converted spectrum. In the current instrumental configuration, only 0.6 nm of the input infrared spectrum is converted through the SFG process. For the purpose of increasing the instrumental sensitivity, we propose to sample the infrared spectrum by using several independent pump laser lines thus creating different incoherent fringe patterns. I present the temporal coherence analysis of a broadband infrared source converted by a dual-line pump laser and a method to synchronize the different fringe patterns to insure a maximum value of the contrast.

Cette thèse s'articule autour de l'étude de la cohérence de la lumière produite à partir de sources de paires de photons intriqués et de micro-lasers. Nous avons produit et manipulé des états photoniques intriqués, et conduit des investigations à la fois fondamentales et appliquées. Les deux études menées sur les aspects fondamentaux de la non localité avaient pour but de relaxer partiellement deux contraintes sur lesquelles s'appuie l'inégalité de Bell standard en vue d'applications à la cryptographie quantique. Ainsi, en collaboration avec l'Université de Genève, nous avons redéfini la notion de localité en prenant en compte les influences sur les mesures de corrélations des choix des configurations expérimentales et d'une efficacité globale de détection limitée. Cela a permis de définir des inégalités de Bell généralisées et les violations expérimentales qui en découlent permettent d'attester de la non localité des états quantiques observés. Nous avons aussi étudié et mis en place une solution expérimentale autorisant l'émission de photons intriqués dans des pairs de canaux télécoms pour la cryptographie quantique. Nous avons montré la préservation de l'intrication sur 150 km et obtenu des débits records en comparaison avec les réalisations similaires. Enfin, nous avons étudié les propriétés de l’émission de lasers à semi-conducteurs aux dimensions réduites. L’émission de ces composants microscopiques s'accompagne de grandes fluctuations en intensité lorsque ceux-ci sont pompés en-dessous du seuil laser. Cette étude a permis de mieux comprendre comment se construit la cohérence laser dans ces systèmes. / In this thesis we study the coherence of light emitted by entangled photon-pair sources and micro-lasers. We have generated an manipulated entangled photonic states and investigated both fundamental (non locality) and applied (quantum cryptography) research directions. The objective of two fundamental studies on non locality was to partially relax the strong assumptions on which standard Bell tests rely. To this end, we redefined, in collaboration with the University of Geneva, the formalism of locality taking into account the influence, on correlation measurements, of the freedom of choice (in the basis settings) and of the limitation of the overall detection efficiency. Both assumptions allow devising generalized Bell inequalities whose experimental violations indicate that we can still attest for non locality for the observed states. In addition, we have studied and realized an experimental setup allowing to distribute entangled photon pairs in paired telecom channels for high bit rate quantum cryptography. We have shown that entanglement is preserved over a distance of 150 km with record rates for similar realizations, by mimicking classical network solutions exploiting, in an optimal fashion, the capacity of an optical fiber link via dense spectral multiplexing. Finally, we have studied the properties of light emitted by semiconductor lasers showing reduced dimensionality. This micro-lasers actually provide output light under high intensity fluctuations when they are pumped below the threshold. Their study allowed to refine our understanding on how the coherence builds up in these systems as the cavity is filled with photons.

Les communications quantiques (QC) longues distances sont tributaires de l'existence de sources efficaces de photons uniques dont la longueur d'onde doit être adaptée aux communications dans les fibres optiques (1550nm). Ce manuscrit présente l'étude et la réalisation expérimentale d'une source de photons uniques annoncés, basée sur l'utilisation de paires de photons issues d'un guide d'onde intégré sur un substrat de niobate de lithium polarisé périodiquement (PPLN). Le principe repose sur la séparation des photons d'une paire et la détection de l'un sert à annoncer la présence de l'autre. Aussi, ce guide d'onde nous permet de venir récolter les paires de photons simplement à l'aide d'une fibre optique monomode, gage de compacité et stabilité de la source. <br />L'intervalle de temps entre deux paires successives n'étant pas définit, cette source présente un fonctionnement dit « asynchrone ». Afin de caractériser les performances de ce type de source, nous proposons deux méthodes expérimentales originales. La première repose sur un modèle d'analyse des statistiques des détections dans un montage de type « Hanburry Brown & Twiss » pour remonter aux probabilités d'avoir 0, 1 ou 2 photons, tandis que la seconde est une « version asynchrone » du montage original de « Hanburry Brown & Twiss » pour tracer la fonction de corrélation croisée du second-ordre. Les performances de cette première source de photons uniques aux longueurs d'ondes télécom se situent parmi les meilleures au monde avec une probabilité d'avoir un photon unique à 1550nm de 0,37 accompagnée d'une réduction des événements à deux photons d'un facteur 12 par rapport à une source poissonnienne équivalente.

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This thesis describes the experimental implementation of novel intersecting cavity terahertz optical parametric oscillators based on bulk and periodically-poled magnesium oxide-doped lithium niobate. Both collinear and non-collinear phase-matching geometries have been demonstrated and injection-seeding has been implemented in devices using periodically-poled material to reduce threshold and increase the down-conversion efficiency. A comprehensive characterisation of the original intracavity terahertz OPO was undertaken, which revealed the parameters having the greatest impact on OPO efficiency (idler mirror reflectivity and cavity length) and led to a better understanding of the losses in the system. During the characterisation process, generation of further terahertz radiation at the same frequency as that generated by the parametric process was observed and identified as being a result of difference frequency generation (DFG) between the parametrically-generated idler and terahertz waves. This phenomenon had previously only been observed when periodically-poled materials were employed in the system. The effect of this additional DFG process has been analysed in terms of the enhancement of the terahertz field on the basis of the coupled wave equations and physically measured quantities. The use of periodically-poled lithium niobate has been a major part of the research presented in this thesis. A comprehensive study of the modified phase-matching conditions was carried out and both collinear and novel hybrid non-collinear phase-matching geometries were identified. Several computer models were developed to assess the performance of any given grating design in these different geometries and the effects of temperature tuning and pump wavelength variation were also investigated using the models. Experimental studies confirmed the viability of the modelling approach but material limitations (particularly the early onset of crystal damage) limited the outcomes of the experiments. A detailed comparison of the poled and bulk materials was made to highlight the present drawbacks of the poled material. Finally, injection seeding was used to improve the efficiency of the collinear phase-matched PPLN OPOs. When seeding was used the depletion of the pump pulse was increased to the point of being measurable, reaching an upper level of 10%. Coupling constraints placed on the seed laser limited the amount of depletion attained. The potential for injection seeding to be used in the hybrid non-collinear phase-matching scheme was also identified but not realised during the course of this work. Were this technique successful, the tuning range of the intersecting cavity terahertz OPO could be extended to encompass the sub-1THz region, something that has previously been limited by the available idler cavity angles.

Ce mémoire présente l'étude et la réalisation expérimentale de deux sources de paires de photons, intriqués en énergie-temps et en « time-bins », basées sur un guide d'ondes intégré sur un substrat de niobate de lithium polarisé périodiquement (PPLN). Dans les deux cas, les photons jumeaux sont créés par génération paramétrique à la longueur d'onde dégénérée de 1310 nm autorisant leur transport par fibre optique télécom.<br />Le guide PPLN montre une efficacité de conversion supérieure à 10-6, correspondant à une amélioration de 4 ordres de grandeur par rapport aux générateurs massifs. Même pompé par de faibles puissances, il présente une probabilité significative de créer deux paires simultanément ce qui est un avantage essentiel pour certains protocoles de communication quantique. Nous proposons à cet effet deux méthodes de caractérisation de la probabilité de créer une paire par photon de pompe (régime continu) ou par impulsion laser.<br />Afin d'examiner la qualité des états enchevêtrés, deux expériences d'interférométrie ont montré des taux de contraste respectifs de 97 % et de 84 % pour les intrications en énergie-temps et en time-bins. Bien que ce dernier taux puisse être amélioré, ces résultats montrent le fort potentiel des guides PPLN pour devenir l'un des éléments clés des futurs protocoles de communication quantique.

¡@¡@We integrated the laser-heated pedestal growth (LHPG) system with accurately controlled electrodes to build up our in situ poling system. The ZnO and MgO doped periodically poled lithium niobate crystal fiber were fabricated with the poling system. This poling system has the advantage of convenience and fast growth, but the ¡§screen effect¡¨ caused by free charges which exist near the molten zone must be eliminated. The micro swing resulted from the electric force is a feasible solution, because it can disarrange the free charges and reduce the ¡§screen effect¡¨. However, without excellently controlled micro swing, the uniformity of the poled domain pitch will loose and the conversion efficiency can not be improved. After analysis of the measured current data, the approximate system current model was presented and the proportional dependence between system current and micro swing was verified. Thus the system current was applied as the micro swing feedback signal, with that the variation of the micro swing was reduced from 25% to 15%. The stability of CO2 laser power is also a dominant factor to determine the quality of poled crystal fiber. The variation of the CO2 laser power was controlled within 1%. All the complicated works and precise control during the crystal fiber growth were accomplished with the LabVIEW program. ¡@¡@A novel and simple self-cascaded SHG + SFG scheme is presented for the generation of tunable blue/green light using ZnO doped periodically poled lithium niobate crystal fiber (PPLNCF) with a single designed pitch. A PPLNCF with a uniform period of 15.45£gm, the maximum conversion efficiency for the second harmonic generation and the cascaded SHG + SFG blue light can reach up to -9.2 dB and -31.9 dB, respectively. The 3 dB bandwidth of the tunable blue light is 3 nm (475-478 nm). In order to expand the tuning bandwidth range, a QPM gradient periodical structure was designed and can provide a 3 dB bandwidth of 65 nm for the tunable blue/green light output by simulation. We have successfully grown a crystal fiber with the domain pitch of 18.9 £gm for the C-band wavelength converter. The crystal length is 1.8 mm, the effective nonlinear coefficient of the lithium niobate crystal fiber is 18.2 pm/V that equals 0.53¡Ñdideal (34.4 pm/V). The conversion efficiency for converting the CW laser in C-band is about -59.3 dB.