La métrologie de haute précision est une application des peignes de fréquences optiques. Typiquement, la sensibilité de mesure est limitée par le bruit classique des propriétés des peignes. Leur bruit d'amplitude et de phase a été largement étudié et jusqu'à présent. Pourtant, uniquement des bandes latérales de bruit proche de la porteuse ont été caractérisées pour des fréquences individuelles et le champs moyen.Cette thèse développe des méthodes de caractérisation de bruit d'amplitude et phase à la limite quantique. A cette fin, une cavité passive et large bande est développée. Elle filtre et inter-convertit les bruits d'amplitude et phase. L'analyse de son signal à l'aide d'une détection homodyne permet la mesure du bruit de phase avec une sensibilité à la limite quantique. L'application d'un façonnage des impulsions ultra brèves rend possible la mesure des corrélations spectrales du bruit. Tout en étant représentés par des matrices de covariance, l'ensemble des corrélations du bruit sur le spectre optique d'un oscillateur Ti:Sapph est caractérisé.Les corrélations mesurées montrent des structures spectrales, dites " modes ", qui sont en accord avec la prédiction théorique. Ce concept apparait comme analogue au formalisme décrivant des systèmes multi-partites en optique quantique. Il est par conséquent aussi un moyen de description de bruit classique. La connaissance des modes intrinsèques du bruit est susceptible de mener à une amélioration de la précision de mesures avec des peignes de fréquences optiques. / Precision metrology is one application of optical frequency combs. Classical noise in their properties typically limits achievable measurement sensitivity. Amplitude and phase noise in optical frequency combs have already been studied extensively. So far, noise sidebands close to the carrier of either individual optical frequencies or of the mean field were considered. This thesis develops methods to precisely characterize amplitude and phase noise down to the quantum limit. To this aim a transmissive, broadband passive cavity is developed. It filters and inter-converts amplitude and phase noise. The analysis of its signal by the use of homodyne detection provides a quantum limited measurement of phase noise. The application of ultrafast pulse shaping enables the measurement of the spectral correlations of amplitude and phase noise. Being represented by the use of covariance matrices, the entire noise correlations over the optical spectrum are characterized on the example of a Ti:Sapph oscillator. The measured noise correlations exhibit spectral structures, so-called “modes”. Their shape matches with the theoretical prediction. This concept known from multi-partite optical quantum systems is consequently applicable to classical noise in frequency combs. The knowledge of the intrinsic noise modes is likely provide an improvement of precision metrology experiments with combs.

Dans de nombreux domaines de la physique, la mesure de la position d'un objet dans l'espace-temps est faite par échange d'impulsions lumineuses. Dans cette thèse, nous étudions les limites quantiques dans l'estimation d'un paramètre à l'aide de la lumière, et nous nous intéressons à ces limites dans une mesure de distance à l'aide de peignes de fréquences optiques. Dans un premier temps, nous étudions les limites générales d'une estimation de paramètre données par la limite de Cramér-Rao quantique. En particulier, nous présentons la limite de sensibilité dans une estimation faite à l'aide d'états Gaussiens multimodes et démontrons qu'il est possible d'atteindre la limite théorique à l'aide d'un montage expérimental simple. Dans un deuxième temps, nous appliquons cette limite au problème de positionnement dans l'espace-temps à l'aide de peignes de fréquence. Dans un environnement contrôlé tel que le vide, nous montrons que la sensibilité optimale dépasse celle d'un montage interférométrique ou de temps de vol et peut être obtenue à l'aide de techniques de mise en forme d'impulsion. Nous démontrons expérimentalement la limite quantique standard dans une mesure de distance. Dans un dernier temps, nous étudions comment ce protocole optimal est affecté lorsque la dispersion de l'environnement, par exemple dans l'air, entre en jeu. Nous montrons que la perte d'exactitude due aux fluctuations de l'environnement peut être compensée au prix d'une diminution de la précision. Nous présentons un protocole expérimental pour une mesure en temps réel d'une distance insensible aux perturbations atmosphériques. / In many fields of physics, the determination of the space-time position of an object is performed at high levels of accuracy and precision by the exchange of light pulses. In this thesis, we investigate the quantum limits in a parameter estimation scheme using light in a practical point of view, and we study how these limits apply in a range-finding scheme using optical frequency combs. In a first part, we study the quantum limits in a general parameter estimation problem by the means of the quantum Cramér-Rao bound. We focus on schemes involving multimode Gaussian states and derive the limits of sensitivity in the estimation of any parameter encoded in such states. We show that a simple experimental setup allows to optimally measure the parameter carried by the light. In a second part, we study how these limits apply in a range-finding protocol using optical frequency combs. In a well-controlled environment such as vacuum, we show that there exists an optimal scheme, requiring pulse shaping techniques, which sensitivity is better than the usual phase interferometry and time-of-flight measurements. We present experimental results that exhibits the standard quantum limit in space-time positioning. In the last part, we study the limitations introduced to this optimal scheme when the environment is weakly dispersive, like in air. We demonstrate that the loss of accuracy caused by such environmental fluctuations can be compensated at the expense of a reduced sensitivity. We propose an experimental scheme that allows to perform a real-time ranging measurement immune from atmospheric perturbations, without any knowledge of the values of the environmental parameters.

L' acoustique picoseconde permet l'étude de structures aux dimensions sub-microniques grâce à l'utilisation d'ultrasons dont le contenu spectral peut s' étendre au-delà du THz. La génération et la détection de ces ondes sont rendues possibles par l'association de lasers impulsionnels femtosecondes à dispositifs de type pompe-sonde. Ce manuscrit de thèse décrit la mise en place d'une expérience d' imagerie opto-acoustique avec une résolution spatiale submicronique. L' utilisation combinée d'un échantillonnage optique hétérodyne et de cavités lasers à bas taux de répétition (50 MHz) permet de gagner plusieurs ordres de grandeur sur les temps d'acquisition et de disposer d'une très bonne résolution spectrale. Le manuscrit s'articule autour de trois parties. Dans un premier temps les deux cavités laser aux taux de répértition légèrement différents permettant l'échantillonnage otpique hétérdodyne sont présentées. Puis l'architecture et les performances du système d'asservissement de leur taux de répétion sont décrites. Dans la seconde partie du manuscrit, l'implémentation de cette double cavité dans une expérience pompre-sonde est détaillée et la possibilité de détecter des ondes acoustiques sub-THz avec une résolution de 50 MHz est démontrée. Enfin, dans le dernier chapitre, la puissance de cette expérience pour réaliser de l'imagerie ultra-rapide est illustrée au travers de deux exemples : l'étude d'ondes acoustiques de surface GHz dont la dispersion est induite par la présence d'une couche nanométrique et la détection d'hétérogénéités élastiques submicroniques / Acoustic waves in the Gigahertz or Terahertz frequency range allow the mechanical characterization of submicronic structures. The generation and the detection of these waves can be performed with the use of femtosecond lasers combined with pump-probe setups. This report describes the setting-up of an opto-acoustic imaging experiment with a submicronic spatial resolution. The association of asynchronous optical sampling with the use of low repetition rate femtosecond lasers considerably increases acquisition rates and offers a high spectral resolution, respectively. The first part of this report presents the two laser cavities with slightly different repetition rates in order to perform asynchronous optical sampling. The scheme and the performances of the synchronization stage are described. In the second part, the implementation of this dual-oscillator in a pump-probe experiment is detailed and the ability to detect sub-THz acoustic waves with a 50 MHz-spectral resolution is demonstrated. Finally, in the last chapter, the strong potential of this experiment to perform ultrafast imaging is illustrated through two examples : the measurement of the dispersion of GHz surface acoustic waves due to the presence of a thin film and the imaging and the sizing of submicronic elastic heterogeneities.

L' acoustique picoseconde permet l'étude de structures aux dimensions sub-microniques grâce à l'utilisation d'ultrasons dont le contenu spectral peut s' étendre au-delà du THz. La génération et la détection de ces ondes sont rendues possibles par l'association de lasers impulsionnels femtosecondes à dispositifs de type pompe-sonde. Ce manuscrit de thèse décrit la mise en place d'une expérience d' imagerie opto-acoustique avec une résolution spatiale submicronique. L' utilisation combinée d'un échantillonnage optique hétérodyne et de cavités lasers à bas taux de répétition (50 MHz) permet de gagner plusieurs ordres de grandeur sur les temps d'acquisition et de disposer d'une très bonne résolution spectrale. Le manuscrit s'articule autour de trois parties. Dans un premier temps les deux cavités laser aux taux de répértition légèrement différents permettant l'échantillonnage otpique hétérdodyne sont présentées. Puis l'architecture et les performances du système d'asservissement de leur taux de répétion sont décrites. Dans la seconde partie du manuscrit, l'implémentation de cette double cavité dans une expérience pompre-sonde est détaillée et la possibilité de détecter des ondes acoustiques sub-THz avec une résolution de 50 MHz est démontrée. Enfin, dans le dernier chapitre, la puissance de cette expérience pour réaliser de l'imagerie ultra-rapide est illustrée au travers de deux exemples : l'étude d'ondes acoustiques de surface GHz dont la dispersion est induite par la présence d'une couche nanométrique et la détection d'hétérogénéités élastiques submicroniques

Les peignes de longueurs d'onde, produisant des dizaines de porteuses optiques régulièrement espacées à partir d'une seule source laser, présentent un grand intérêt pour les systèmes de communication à haut débit. Ce travail de thèse porte sur les peignes générés par les diodes laser à blocage de modes basées sur des nanostructures semi-conductrices à basse dimensionnalité. Dans cette étude, les performances en verrouillage de modes de lasers Fabry-Pérot mono-section basés sur différents systèmes de matériaux sont comparées sur la base de la largeur du spectre optique d'émission et de la capacité à produire des impulsions courtes à faible gigue temporelle. En remarquant que les lasers à base de bâtonnets quantiques InAs sur InP présentent de meilleures caractéristiques par rapport aux autres matériaux examinés, leurs propriétés spécifiques en termes de stabilité des peignes de fréquences optiques et de chirp des impulsions sont étudiées plus en détail. Le chirp est d'abord étudié par la technique FROG (frequency-resolved optical gating). Ensuite, la dispersion chromatique du matériau laser est évaluée afin de vérifier si elle peut expliquer les grandes valeurs de chirp mesurées par FROG. Pour cela la technique de réflectométrie optique dans le domaine fréquentiel est utilisée et ses capacités uniques de mesure ont été étudiées et validées. Enfin, ces lasers sont employés avec succès pour les transmissions haut débit à l'aide de la technique de modulation optique OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing) en détection directe. Débits de l'ordre du térabit par seconde, ainsi que le faible coût de l’architecture du système, sont très prometteurs pour les data centers / Optical frequency combs, generating tens of equally spaced optical carriers from a single laser source, are very attractive for next-generation wavelength division multiplexing (WDM) communication systems. This PhD thesis presents a study on the optical frequency combs generated by mode-locked laser diodes based on low-dimensional semiconductor nanostructures. In this work, the mode-locking performances of single-section Fabry-Pérot lasers based on different material systems are compared on the basis of the optical spectrum width, the timing jitter and pulse generation capabilities. Then, noticing that InAs quantum dashes grown on InP exhibit on average better characteristics than other examined materials, their unique properties in terms of comb stability and pulse chirp are studied in more detail. Laser chirp, in particular, is first investigated by frequency resolved optical gating (FROG) characterizations. Then, chromatic dispersion of the laser material is assessed in order to verify whether it can account for the large chirp values measured by FROG. For that, a high sensitivity optical frequency-domain reflectometry setup is used and its measurement capabilities are extensively studied and validated. Finally, the combs generated by quantum dash mode-locked lasers are successfully employed for high data rate transmissions using direct-detection optical orthogonal frequency division multiplexing. Terabit per second capacities, as well as the low cost of this system architecture, appear to be particularly promising for future datacom applications