Les meilleurs oscillateurs dans le domaine micro-onde sont souvent des systèmes encombrants ou requérant une maintenance fastidieuse ce qui freine leur utilisation pour des applications mobiles ou dans des environnements aux conditions difficiles. L'avènement des peignes de fréquences optiques, récompensés par un prix Nobel en 2005, a ouvert de nouvelles perspectives en permettant un transfert des qualités inégalées des sources optiques vers le domaine micro-onde. Dans la technique utilisée au LNE-SYRTE, la division de fréquence optique, un signal micro-onde peut être extrait d'un laser ultra-stable dans l'infrarouge proche par photodétection, ce qui s'accompagne d'une réduction du bruit égale au carré du rapport des fréquences initiale et finale, soit plus de 8 ordres de grandeurs. Ce bénéfice est cependant réduit par différents processus collatéraux qui augmentent le niveau de bruit final. Le travail décrit dans cette thèse est la génération et la caractérisation du signal micro-onde le plus pur généré jusqu'à présent. Les différents processus introduisant un excès de bruit lors de la conversion opto-éléctronique sont étudiés et en partie surmontés. En particulier la conversion du bruit d'amplitude du laser femtoseconde vers la porteuse micro-onde est analysée en détail et son effet grandement réduit. Les résultats obtenus laissent penser que les techniques optiques de génération de micro-ondes vont bouleverser l'état de l'art. Les niveaux de pureté atteints et les techniques développées peuvent bénéficier un vaste éventail de domaines comme les radars mobiles, la métrologie temps-fréquence ou les prochaines générations de télécommunications à ultra-haut débit. / State-of-the-art microwave oscillators are typically bulky systems requiring tedious maintenance which is hindering their use in mobile applications or in demanding environments. The invention of the optical frequency combs, which was awarded a Nobel prize in 2005, was a game-changer as it enabled a high-fidelity transfer of the unrivalled properties of optical oscillators to the microwave domain. In the technique used at SYRTE, the optical frequency division, a microwave signal can be extracted from a near-infrared ultra-stable laser using photodetection. The transfer is accompanied by a reduction of phase noise equal to the microwave-to-optical frequency ratio squared, i.e. more than eight order of magnitudes. This benefit is however reduced by several processes producing excess noise during the transfer. The work described in this thesis is the generation of the lowest phase noise microwave signal ever reported. The different processes inducing excess noise are analyzed and, in part, overcome. Specifically, the conversion of the femtosecond laser intensity noise to the microwave phase noise is studied thoroughly and its effect significantly reduced. The results augur that the optical approaches in microwave generation are on the verge to disrupt the state-of-the-art. The noise levels demonstrated and the techniques developed can benefit a large range of applications such as mobile radars, time and frequency metrology or the next generation of ultrafast telecommunication networks.

Le contrôle de la différence de fréquence entre deux lasers est un défi transversal à de nombreux domaines de la photonique, que ce soit dans un but de génération hétérodyne d'un battement micro-onde de grande pureté, ou pour des expériences de métrologie ou de télécommunication. L'avancée des connaissances sur la dynamique de lasers soumis à divers couplages a permis le développement de méthodes de stabilisation basées sur l'injection optique. Nous étudions ici théoriquement et expérimentalement un mécanisme appelé réinjection décalée en fréquence (RDF), qui permet dans des situations variées de contrôler précisément la différence de fréquence entre deux lasers. Dans un premier temps, la méthode RDF est appliquée à un laser à état solide bi-polarisation bi-fréquence Nd:YAG afin de verrouiller en phase ses deux modes de polarisation orthogonaux. Le développement d'un modèle type «rate equations» en bonne adéquation avec les expériences a aussi permis de mettre en lumière un certain nombre de régimes de synchronisation partielle dits de phase bornée. De plus, nous montrons que cet état peut subsister en présence d'oscillations chaotiques de l'intensité et de la phase. Le comportement du laser sous RDF est étudié pour différentes valeurs du désaccord de fréquence, du taux d'injection, du retard éventuel, et du couplage inter-modes. Enfin, la nécessité d'inclure un couplage phase-amplitude (facteur de Henry non-nul) dans le modèle a mené au développement d'une méthode pour mesurer ce coefficient habituellement négligé dans les lasers solides. Le mécanisme de stabilisation par RDF est ensuite appliqué à un composant semiconducteur original contenant deux lasers DFB sur InP. Malgré une plus grand complexité du schéma de couplage, et la présence de retards effectifs importants, il reste possible de synchroniser en phase ces lasers. Des bandes d'accrochages liées au retard sont observées, et reproduites à l'aide d'un modèle numérique. Ce dernier permet aussi de déterminer les conditions de fonctionnement minimisant l'influence de paramètres expérimentaux non maîtrisés. Enfin, ce système, permettant de contrôler une phase micro-onde sur porteuse optique, peut être intégré dans une boucle résonante de type oscillateur opto-électronique (OEO) qui ne nécessite pas de référence externe. On réalise un oscillateur micro-onde sur porteuse optique auto-référencé, à bande latérale unique, ayant des performances encourageantes. Dans ce cadre, il semble que la plupart des techniques développées pour les OEO puissent être réinvesties. / The control of the frequency difference between two lasers is a cross-cutting challenge in many fields of photonics, either for the generation of high-purity heterodyne microwave beatnotes, or in metrology and telecommunication experiments. The advances of the comprehension of laser dynamics under various couplings has allowed to develop stabilization methods based on optical injection. We study here theoretically and experimentally a mechanism called frequency-shifted feedback (FSF), which allows to precisely control the frequency difference between two lasers in several situations.First, the FSF method is applied to a dual-frequency dual-polarization solid-state Nd:YAG laser, in order to lock the phases of its two orthogonal polarization modes. A model of rate equations is used to precisely describe the experiment, and allows to highlight partial "bounded phase" synchronization regimes. Furthermore, we show that in some cases this synchronization can subsist even with chaotic oscillations of the intensity and phase. The behavior of the laser under FSF is studied for varying values of the frequency detuning, injection rate, possible injection delay, and mode coupling in the active medium. Finally, we find that the inclusion of a phase-amplitude coupling (non-zero linewidth enhancement factor) is needed in the model to account for experimental observation. This leads to the development of an ad-hoc technique to measure the low value of this usually neglected factor in solid-laser lasers.The FSF stabilization mechanism is then applied to a custom semiconductor component embedding two DFB lasers overs InP. In spite of a more complex coupling scheme and the large effective delays into play, phase locking of the two lasers is possible. Due to the delay, locking bands appear when the detuning changes, and this behavior can be replicated using a numerical model. This model also permit to determine working conditions minimizing the influence of uncontrolled experimental optical feedback phases. Finally, as this system allows to control a microwave phase over an optical carrier, it can be integrated in a resonant loop not unlike an opto-electronic oscillator (OEO). We realized an oscillator generating a self-referenced, single sideband microwave signal over an optical carrier, with encouraging phase noise performances. In this case, it seems that most of the techniques that exist for standard OEO can be reused.