Cette thèse est consacrée à l'étude de l'oscillation paramétrique optique et des corrélations quantiques dans des microcavités planaires de semiconducteurs.<br />Dans ces systèmes, un couplage fort lumière-matière conduit à l'apparition de nouveaux états propres qui sont des états mixtes exciton-photon, les polaritons de microcavité. Des effets non-linéaires comme l'oscillation paramétrique optique deviennent possibles. Cependant, certaines limitations existent pour d'éventuelles applications en optique quantique: la nécessité du couplage fort (température de fonctionnement limitée) et l'injection de la pompe à un angle particulier (injection électrique impossible).<br />Nous nous intéressons à des structures qui contournent ces difficultés: <br />- microcavités gravées en fils photoniques où la quantification du champ électrique conduit à un multiplet de modes de polaritons en couplage fort ;<br />- structures originales de microcavités triples où le couplage optique intercavités fournit naturellement une résonance triple pour les fréquences paramétriques. <br />Nous mettons en évidence par des expériences de spectroscopie résolue en angle des processus paramétriques interbranches adaptés à une injection électrique. La pompe excite sous incidence normale les échantillons et les faisceaux signal et complémentaire peuvent être collectés à 0 degré ou à des angles opposés. La contrainte du couplage fort, i.e. de la température, disparaît dans la microcavité triple.<br />Enfin, nous étudions la configuration où signal et complémentaire sont séparés spatialement et équilibrés en intensité. Nous démontrons par des mesures de bruit quantique que ces deux faisceaux sont corrélés quantiquement.

Ce travail est consacré à l'étude d'effets non-linéaires et quantiques dans des microcavités semi-conductrices. La réponse optique de ces dispositifs est décrite en termes de modes mixtes exciton-photon, les polaritons de cavité. <br />Nous avons d'abord effectué des expériences dans le régime d'oscillation paramétrique de polaritons, dans la configuration d'«angle magique».<br />Nous avons ensuite mis en évidence un phénomène d'oscillation de mélange à quatre ondes, sous excitation résonnante par deux faisceaux de pompe contrapropageants. L'étude de la polarisation de l'émission non linéaire permet d'avoir accès à la dynamique de spin des polaritons. La mesure du bruit d'intensité de l'émission montre que le processus de mélange à quatre ondes produit deux populations de polaritons fortement corrélées. <br />Enfin, nous avons effectué une étude théorique du mélange à quatre ondes, afin de préciser les conditions qui permettraient d'observer des polaritons corrélés quantiquement.

Nous étudions en détail le bruit quantique dans les microlasers semi-conducteurs à cavité verticale : les VCSELs, dont l'acronyme anglais signifie Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers. Ces lasers ont la particularité d'émettre des faisceaux avec plusieurs modes transverses de polarisations variées au-dessus du seuil. Lorsqu'un seul mode transverse, polarisé linéairement oscille, nous démontrons théoriquement aussi bien qu'expérimentalement l'importance de l'émission dans la direction de polarisation orthogonale pour la caractérisation du bruit d'intensité. En régime multimode transverse, les anticorrélations très importantes entre les modes permet d'obtenir, pour les meilleurs échantillons, des faisceaux au bruit d'intensité comprimé (jusqu'à 15 % sous la limite quantique standard). Pour les échantillons qui présentent de l'excès de bruit en régime libre, la technique de l'injection optique permet d'obtenir, dans certains cas, de la compression du bruit d'intensité. Enfin, nous présentons nos résultats sur la structure spatiale du bruit d'intensité dans le plan transverse. Nous rapportons aussi dans ce manuscrit l'étude du bruit d'intensité des minilasers Nd :YVO4. Par rapport au modèle standard des lasers à deux niveaux, ces lasers présentent un excès de bruit à basse fréquence. Nous montrons que cet excès de bruit provient d'effets non linéaires dus à l'importance du pic de bruit à la fréquence d'oscillation de relaxation. Expérimentalement, nous mettons en oeuvre deux techniques distinctes pour réduire ces effets : une boucle de rétroaction électrooptique et l'injection optique.

La thèse est consacrée à l'étude du bruit quantique dans les lasers à semiconducteur et à solide. Le principe de la suppression du bruit de pompe est utilisé avec différentes méthodes pour réduire le bruit d'intensité. Les lasers semiconducteur à ruban ont été étudiés en utilisant différents types de techniques d'affinement spectral à température ambiante : diode sur réseau et injection optique. La compression de bruit mesurée est de 1.6 dB et 2.3 dB respectivement. La principale conclusion de cette étude est que le bruit d'intensité des diodes laser résulte de l'annulation entre les fluctuations fortement anticorrélées du mode principal et des faibles et nombreux modes longitudinaux Les mesures effectuées à basse température montrent l'importance des corrélations quantiques entre modes de polarisation orthogonale. L'étape suivante est l'étude des lasers semiconducteur à microcavité (VCSELs). Une compression de bruit de 0.7 dB sous le bruit quantique standard, résultant de fortes anticorrélations entre les modes transverses, a été observée dans un VCSEL multimode. Une étude approfondie de ces anticorrélations est effectuée analysant la distribution spatiale transverse du bruit d'intensité. Un microlaser Nd: YVO4 pompé par diode à bruit comprimé a aussi été étudié. Les effets du bruit de pompe sur le bruit d'intensité du microlaser sont clairement mis en évidence. La réalisation d'une boucle de rétroaction non standard sur la diode laser de pompe révèle l'existence d'effets non linéaires dans le spectre de bruit. La technique de l'injection optique a aussi été utilisée avec succès pour supprimer l'oscillation de relaxation. Enfin, une application des diodes laser à bruit comprimé est présentée. La technique de la modulation de fréquence est employée avec des laser à bruit d'intensité sous le bruit quantique standard pour la détection de signaux d'absorption dans une expérience de spectroscopie de haute sensibilité.

Nous étudions en détail le bruit quantique dans les microlasers semi-conducteurs à cavité verticale : les VCSELs, dont l'acronyme anglais est Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers. Ces lasers ont la particularité d'émettre des faisceaux avec plusieurs modes transverses au-dessus du seuil. Lorsqu'un seul mode transverse, polarisé linéairement oscille, nous démontrons théoriquement aussi bien qu'expérimentalement l'importance du bruit de l'émission dans la direction de polarisation orthogonale pour la caractérisation du bruit d'intensité. Lorsque deux modes transverses polarisés linéairement et orthogonalement oscillent, nous étudions la structure spatiale transverse du bruit d'intensité. Nous développons un modèle quantique qui donne correctement l'allure du bruit d'intensité.<br /><br />Nous rapportons également dans cette thèse l'étude du bruit quantique dans les diodes laser. Par rapport au modèle standard des lasers à deux niveaux, ces lasers présentent un excès de bruit à fort courants. Nous démontrons expérimentalement et théoriquement que cet excès de bruit provient des fluctuations du courant à l'intérieur de la diode laser.

Nous avons étudié les fluctuations quantiques du champ électromagnétique ayant interagi avec un nuage d'atomes froids placé à l'intérieur d'une cavité optique. Proche de résonance, le milieu atomique se comporte comme un milieu non-linéaire en raison de la saturation de la transition optique. Lorsque le faisceau incident est polarisé linéairement, cette saturation se traduit par un effet de type Kerr sur le champ moyen et de type Kerr-croisé sur le mode vide orthogonal. Ces effets non-linéaires modifient les fluctuations de ces modes du champs. Nous avons alors pu observer la réduction du bruit sous la limite quantique standard sur ces deux modes.<br /> Nous avons interprété la réduction de bruit sur le mode vide orthogonal en terme de réduction du bruit de polarisation du faisceau. Les fluctuations de polarisation ont été caractérisées par la mesure des fluctuations des paramètres de Stokes.<br /> Par ailleurs, nous avons étudié les corrélations quantiques produites par le système. Ces corrélations ont été estimées à l'aide d'un critère de nonséparabilité, valable pour les variables continues. Nous avons alors montré que les modes polarisés à °45° (par rapport au champ moyen) sont intriqués en quadrature. Cette intrication a ensuite été utilisée pour produire deux faisceaux intriqués en polarisation.

Ce travail porte sur l'étude de la cohérence entre champs triplets générés par interaction non linéaire d'ordre trois. Un protocole indirect, basé sur l'étude du champ issu de la somme de fréquences des champs triplets dans un cristal non linéaire a été envisagé. Une modélisation théorique en formalisme quantique de l'évolution des champs, de leur génération à leur recombinaison, a été développée, donnant lieu à une recherche exhaustive des signatures de corrélations susceptibles d'émerger de notre protocole. Les expériences menées, à savoir la génération non linéaire bi-stimulée et la recombinaison des champs ainsi générés, sont en accord avec notre modèle théorique et permettent de mettre en évidence le masquage des corrélations entre les champs dans ce régime fortement injecté, ces corrélations étant contenues dans les fluctuations quantiques, alors négligeables, des opérateurs champs. Le calcul théorique prédit une signature de corrélations fortes entre les photons triplets dans la cas d'un génération par fluorescence paramétrique, et plus faible dans le cas d'une génération mono-stimulée.

Ce travail de thèse se consacre à l'étude théorique et expérimentale de la génération de corrélations quantiques dans le régime des variables continues par mélange à 4 ondes dans une vapeur atomique. Deux approches théoriques complémentaires sont développées. D'une part, nous étudions le mélange à 4 ondes sous le point de vue de l'optique non-linéaire "classique" afin d'obtenir les équations d'évolution d'un amplificateur idéal pour un milieu de susceptibilité diélectrique chi(3). D'autre part, nous présentons un modèle microscopique à 4 niveaux en double-Lambda permettant de calculer le coefficient chi(3) pour une vapeur atomique en présence de laser, et ainsi obtenir théoriquement les spectres de bruit en intensité des grandeurs observées. La mise en oeuvre expérimentale de ce processus sur la raie D1 du rubidium 85 est ensuite détaillée. Nous présentons notamment un taux de compression sous la limite quantique standard de -9.2dB, ainsi qu'un régime original permettant la génération de corrélations quantiques sans amplification. L'ensemble de ces résultats a des applications très importantes dans le domaine de l'optique quantique multimode. Citons par exemple l'imagerie quantique ou les mémoires quantiques multimodes.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale et théorique des corrélations quantiques en variables continues.<br />La question de la caractérisation de ces corrélations est largement abordée, en particulier dans le cas des états gaussiens. Le formalisme mathématique des matrices de covariance, particulièrement adapté à cette étude, est développé ; et les différents critères existants sont répertoriés.<br />Ces critères permettent de caractériser le degré d'intrication des faisceaux générés par le dispositif expérimental au cœur de cette thèse : un Oscillateur Paramétrique Optique auto-verrouillé en phase. Au-dessous du seuil, les faisceaux, de valeur moyenne nulle, présentent une séparabilité de 0,33. Le système viole de manière apparente l'inégalité de Heisenberg de 58%. Au-dessus du seuil, les faisceaux brillants obtenus sont également fortement non classiques : la séparabilité vaut 0,76 et l'inégalité de Heisenberg est violée en apparence de 24%.<br />Une application originale de ce dispositif est proposée : il est montré théoriquement qu'un OPO à deux cristaux auto-verrouillé en phase génère deux faisceaux intriqués en polarisation, ce qui devrait faciliter le transfert de l'intrication de la lumière à la matière.

Considérons un système quantique constitué de deux sous-systèmes: on dit qu'il est dans un état intriqué s'il existe des corrélations quantiques entre les états de ces derniers. La compréhension et la mise en œuvre d'états intriqués ont de nombreuses applications (métrologie quantique, étude des systèmes fortement corrélés, traitement quantique de l'information, etc.) et constituent le contexte général de ce travail de thèse. Plus en détail, nous démontrons la réalisation d'un état intriqué de deux atomes neutres piégés indépendamment. Pour cela, nous exploitons le phénomène de blocage de Rydberg : lorsqu'on essaie d'exciter simultanément deux atomes séparés de quelques micromètres vers un état de Rydberg donné, la forte interaction entre atomes de Rydberg peut empêcher cette excitation simultanée. Dans ce cas, seul un des deux atomes est excité et l'on génère ainsi des corrélations quantiques entre les états des deux atomes, c'est-à-dire de l'intrication. Dans notre expérience deux atomes de rubidium 87 dans l'état fondamental 5S1/2 sont piégés chacun dans une pince optique microscopique, à une distance relative de 4 micromètres. En réalisant des transitions entre l'état 5S1/2 et l'état de Rydberg 58D3/2 par des transitions à deux photons, nous obtenons un état intriqué des deux atomes dans les sous-niveaux 5S1/2, F=1, mF=1 et 5S1/2, F=2, mF=2. Afin de quantifier l'intrication, nous mesurons la fidélité par rapport à l'état-cible en réalisant des transitions Raman entre ces deux sous-niveaux. La fidélité des paires d'atomes présentes à la fin de l'expérience est supérieure à la valeur seuil de 0,5, ce qui prouve la création d'un état intriqué.