Ce mémoire présente une étude théorique et expérimentale de l'amplification continue d'images à l'aide d'un oscillateur paramétrique optique (OPO).<br />Une première partie est consacrée aux propriétés classiques de cavités nécessaires à l'imagerie, dites "dégénérées en modes transverses". On étudie tout d'abord théoriquement le problème général de la transmission d'une image à travers une cavité quelconque.<br />Ensuite, deux exemples de cavités dégénérées sont abordés: la cavité hémi-confocale puis la cavité autoimageante. Ensuite les propriétés quantiques spatiales du vide émis par un oscillateur paramétrique optique sous le seuil d'oscillation sont abordées. On traite tout d'abord l'effet de la taille finie du milieu non-linéaire sur la compression de bruit locale en sortie d'un OPO en cavité confocale. Cette étude est étendue au cas de la cavité auto-imageante où l'on montre la possibilité de générer des faisceaux EPR locaux.<br />Une troisième partie est consacrée à l'amplification optique au niveau quantique. On construit un modèle théorique d'OPO monomode aussi proche que possible de notre expérience. Nous étudions ensuite le problème de l'optimisation des caractéristiques de l'OPO pour l'amplification sans bruit.<br />Enfin une partie expérimentale étudie l'amplification d'images à l'aide d'un OPO dégénéré en modes transverses sous le seuil d'oscillation. Cette étude est réalisée tout d'abord en cavité semi-confocale avec un cristal de type II puis en cavité confocale avec un cristal de type I. Nous prouvons le caractère quantique des images amplifiées. Le facteur de bruit du système est caractérisé, prouvant un régime d'amplification "sans bruit".

La consommation d’énergie liée aux technologies de l’information augmente trèsrapidement et dans la mesure où la société a besoin d’être toujours plus connectée tout ens’appuyant sur des solutions durables, les technologies actuelles ne suffisent plus. La photoniqueintégrée s’impose dès lors comme une alternative à l’électronique pour réaliser du traitementdu signal économe en énergie. Au cours de cette thèse, j’ai étudié des structures sub-longueurd’onde en semiconducteur, les cristaux photoniques, qui présentent des propriétés non linéairesimpressionnantes. Plus précisément, le confinement fort et la propagation en lumière lente permettentun traitement sur puce de signal ultra-rapide tout optique, soit à partir de mélange àquatre ondes ou d’auto-modulation de phase. L’originalité est l’utilisation de nouveaux matériauxsemi-conducteurs ayant moins d’absorption non linéaires et par porteurs libres, effets qui limitentla pleine exploitation des effets non linéaires dans les structures photoniques en Silicium. Dansma thèse, des semiconducteurs III-V ont été utilisés pour développer des guides et des cavitéscristal photonique de grande qualité qui sont en mesure de supporter des densités de puissanceoptiques extrêmement élevées ainsi que de grands niveaux de puissance moyenne. J’ai amélioré laconductivité thermique des guides d’ondes grâce à l’intégration hétérogène de membranes GaInPavec du dioxyde de silicium. Cette plateforme permettra à terme de démontrer de l’amplificationsensible à la phase dans le régime continu que j’ai déjà démontré dans le régime pulsé en utilisant des membranes suspendues en GaInP. En parallèle, j’ai démontré des cristaux photoniques de grande qualité dans du Gallium phosphure, qui est un matériau très prometteur en raison de lagrande bande interdite et de la très bonne conductivité thermique. Les résultats préliminaires ontpermis la réalisation d’un régime non linéaire intense (mini-peigne de fréquence, compression etfission de soliton ...). / The energy consumption of the whole ICT ecosystem is growing at a fast paceand in a global context of the search for an ever more connected yet sustainable society, a technologicalbreakthrough is desired. Here, integrated nonlinear photonics will help by providingnovel possibilities for energy efficient signal processing. In this PhD thesis, I have been investigatingsub-wavelength semiconductor structures, particularly photonic crystals, which have shownremarkable nonlinear properties. More specifically the strong confinement and slow light propagationenables on-chip ultra-fast all-optical signal processing, either based on four-wave-mixingor self-phase modulation. The main point here is the use of novel semiconductor materials withimproved nonlinear properties with respect to Silicon. In fact, it has now been acknowledgedthat the nonlinear and free-carriers absorption in Silicon integrated photonic structures is anissue hindering the full exploitation of nonlinear effects. In my thesis, wide-gap III-V semiconductorshave been used to develop high quality photonic crystal waveguides and cavities whichare able to sustain extremely high optical power densities as well as large average power levels.I have demonstrated PhC waveguides with much improved thermal conductivity through heterogeneousintegration of GaInP membranes with silicon dioxide. This will allow continuous wave phase-sensitive amplification, which I already demonstrated in the pulsed regime using GaInPself-suspended membranes. In parallel, I have demonstrated high quality PhC in Gallium Phosphide,which is a very promising material because of the large bandgap and the very good thermalconductivity. Preliminar results demonstrate the achievement of extremely large nonlinear regime(mini-comb, soliton compression and fission ...).

Dans ce travail de thèse, je considère deux phénomènes distincts, tous deux liés aux interactions non-linéaires entre la lumière et des atomes. La première partie est dédiée à du mélange à 4 ondes basé sur des degrés de liberté internes d’atomes d’hélium à température ambiante, et l’utilise pour des processus d’amplification et de la génération d’états comprimés. Le second phénomène étudié est basé sur des degrés de liberté externes d’atomes de césium froids et est utilisé pour du stockage de lumière et la génération d’un champ conjugué en phase par mélange d’ondes. J'ai expérimentalement observé et caractérisé de l'amplification sensible à la phase par mélange à quatre ondes dans de l'hélium métastable à température ambiante. J'ai obtenu un gain maximum d'environ 9 dB avec une bande passante d'environ 300 kHz. Les fonctions de transfert phase/phase obtenues ont montré une forte compression de phase, indiquant que le phénomène était presque exempt de processus indésirables. Dans la seconde partie, j'explique comment les résonances de recul, dues à un transfert de quantité de mouvement entre un photon et un atome, peuvent être utilisées pour du stockage de lumière. J'explique également comment ce phénomène peut conduire à la génération d’un champ conjugué, et pourquoi la théorie existante ne permet pas de modéliser le creux qui apparaît dans le spectre de génération du champ conjugué lorsqu’on augmente la puissance optique. Pour reproduire ce nouvel élément, j’ai effectué un développement jusqu’au 5e ordre, qui démontre qu’il dépend de la cohérence qui est excitée entre des niveaux de moments atomiques différents. Je montre ensuite qu'un modèle plus simple, basé sur trois niveaux atomiques définis par des degrés de liberté interne et externe de l'atome, peut expliquer le phénomène observé. / In this PhD work, two distinct phenomena are considered, which are both related to non-linear interactions between light and atoms. The first part of the thesis is dedicated to four wave mixing based on the internal degrees of freedom of room temperature helium atoms and uses it for amplification processes and generation of squeezed light. The second studied process is based on external degrees of freedom of cold cesium atoms and used for light storage and phase conjugate field generation through multi-wave mixing. I experimentally observed and characterized phase sensitive amplification via four-wave mixing in metastable helium at room temperature. I have obtained about 9 dB of maximum gain with a bandwidth of about 300 kHz. The obtained phase transfer functions showed a strong phase squeezing, indicating that the phenomenon was almost free of unwanted processes. In the second part, I explain how recoil induced resonances, which are due to the transfer of momentum between a photon and an atom, can be used to store light. I also explain how this phenomenon can lead to generation of a phase conjugate field, and why the existing theory fails to model the dip, which appears in the phase conjugate generation spectrum when the field power is increased. I extend the model to the fifth order so that it can reproduce this new feature and demonstrate that it depends on the decay rate of the coherence, which is excited between atomic levels of different momenta. I then show that a simpler model, which is based on three levels defined by internal and external degrees of freedom of the atom, can explain the observed phenomenon.

Cette thèse étudie l'amplification<br />d'une image par un processus paramétrique. Réaliser cette<br />amplification de manière continue nécessite de placer le milieu<br />paramétrique dans une cavité optique. En théorie, cette<br />amplification est sans bruit, et permet de générer des états<br />non-classiques du champ.<br /><br />On étudie tout d'abord classiquement la propagation d'une image<br />dans un système paraxial, puis les cavités dégénérées<br />transversalement. On en déduit un formalisme permettant de décrire<br />la transmission d'une image à travers une cavité paraxiale<br />quelconque. Ce formalisme est illustré par l'étude théorique et<br />expérimentale de la transmission d'une image à travers une cavité<br />particulière : la cavité hémi-confocale. Une partie théorique<br />s'intéresse ensuite aux spécificités de l'amplification d'image.<br />L'amplificateur paramétrique en cavité sous le seuil<br />d'oscillation, connu pour générer du vide comprimé, peut également<br />amplifier un faible signal injecté. On montre l'apparition de<br />bruit supplémentaire sur le signal amplifié, spécifique à<br />l'amplification, dû au couplage au bruit de la pompe. On étudie<br />ensuite du point de vue quantique le comportement multimode<br />transverse d'un amplificateur paramétrique optique en cavité<br />hémi-confocale.<br /><br />Enfin, une partie expérimentale étudie le comportement d'un<br />oscillateur paramétrique optique confocal au dessus du seuil et on<br />prouve qu'il produit des faisceaux non-classiques multimodes<br />transverses. On montre ensuite qu'il est possible d'amplifier de<br />manière sensible à la phase un signal dans cette même cavité sous<br />le seuil d'oscillation. Dans une seconde expérience en<br />configuration de double cavité hémi-confocale, plus stable, on<br />réalise la première amplification paramétrique multimode d'une<br />image en cavité.