Les peignes de fréquences optiques auto-référencés constituent aujourd'hui l'outils de choix en temps-fréquences pour mesurer avec des très hautes stabilités et exactitudes des fréquences optiques. Au delà de cette activité de mesure proprement dite, ils trouvent également des applications novatrices variées à très hautes performances, tel que par exemple la génération de signaux micro-ondes à très bas bruit de phase et le transfert de pureté spectrale entre différentes fréquences optiques. Ce manuscrit décrit différents travaux autour de ces outils versatiles que j'ai réalisé au NIST (Boulder, Colorado, USA) et au LNE-SYRTE (Partis, France) entre 2004 et 2014

L'objet de cette thèse est une mesure absolue de la fréquence de la transition 1S-3S dans l'atome d'hydrogène, afin d'améliorer la connaissance de la constante de Rydberg et du déplacement de Lamb. Expérimentalement, un laser Ti :Sa continu à 820 nm est quadruplé en fréquence dans des cristaux de LBO et BBO. La transition à deux photons de 205 nm est réalisée dans une cavité optique colinéaire au jet atomique. L'effet Doppler du second ordre est compensé par l'action d'un champ magnétique statique. Un peigne de fréquences optiques sert à comparer directement la fréquence absolue du Ti :Sa à l'étalon primaire de fréquence. La détection de la fluorescence à 656 nm est assurée par une caméra CCD. L'ajustement des données expérimentales par les formes de raie calculées conduit à une valeur de l'effet Doppler du second ordre incompatible avec les prévisions approximatives de la fréquence absolue 1S-3S, suggérant l'existence d'un effet systématique tel qu'un champ électrique parasite.

L'objet de cette thèse est la construction d'un laser étalon à 778 nm pour réaliser une mesure absolue des fréquences 2S-8S/D des atomes d'hydrogène et de deutérium. Cet étalon de fréquence est une diode laser stabilisée en fréquence sur une transition à deux photons 5S-5D de l'atome de rubidium. Les performances métrologiques de ce laser étalon sont 10 fois meilleures que celles du laser He-Ne stabilisé sur l'iode. La fréquence de ce laser a été mesurée au cours de cette thèse grâce à une chaîne de multiplication de fréquence située à l'Observatoire de Paris. L'étude des caractéristiques métrologiques de la fibre optique reliant nos laboratoires a montré que le passage du faisceau du laser étalon dans celle-ci ne détériorait pas ses propriétés métrologiques. Les transitions 2S-8S/8D sont excitées dans un jet atomique par un laser titane-saphir. Plusieurs effets parasites déplacent et élargissent les raies étudiées. Pour s'affranchir de ces effets, une forme de raie théorique est ajustée sur les signaux expérimentaux. Elle tient compte en particulier de l'effet Stark linéaire sur les niveaux excités. La comparaison en fréquence du laser d'excitation et du laser étalon donne la fréquence absolue de la raie étudiée. On en déduit la valeur de la constante de Rydberg : R8 = 109 737,315 6859 (10) cm-1 Ce résultat est le plus précis à ce jour. En comparant les mesures du deutérium à celles de l'hydrogène, on détermine la valeur du déplacement de Lamb de l'état 2S du deutérium : L2S-2P = 1059,230 (9) MHz Cette mesure améliore l'incertitude sur cette valeur de plus d'un ordre de grandeur ; elle est en bon accord avec la dernière mesure de cette quantité. L'incertitude sur ces résultats approche celle des calculs d'électrodynamique quantique donnant les valeurs théoriques des niveaux d'énergie.

L'objet de cette thèse est la construction d'une chaîne de fréquences pour comparer les fréquences de l'atome d'hydrogène à celle d'un laser He-Ne. stabilisé sur l'iode à 633 nm. Le schéma de la chaîne tire profit de la quasi-coïncidence (à 89 GHz) entre la fréquence d'excitation à deux photons des transitions 2S→8S/D à 778 nm et la différence en fréquence du laser étalon à 633 nm et du laser He-Ne-étalon stabilisé sur le méthane à 3,39 μm. On utilise deux lasers titane-saphir construits au laboratoire, l'un pour l'excitation des transitions atomiques (TS1), l'autre pour la mesure de fréquence (TS2). On réalise, dans un cristal de LiIO3, le mélange des radiations à 778 nm (TS2) et 3,39 μm provenant d'un laser He-Ne auxiliaire construit au laboratoire. La fréquence du.faisceau ainsi synthétisé à 633 nm-est déterminée par battement avec le laser étalon stabilisé sur l'iode. Un battement entre les deux lasers He-Ne (3,39 μm) donne la fréquence du laser He-Ne auxiliaire. La mesure de la fréquence du laser TS1 à partir de celle de TS2 nécessite une source micro-onde à 89 GHz et un dispositif permettant de réaliser le mélange des trois fréquences et la détection du battement obtenu à basse fréquence. La fréquence de la diode Gunn à 89 GHz est déterminée à l'aide d'une chaîne de multiplication de fréquence d'un quartz ultrastable à 90 MHz. Après des essais avec des diodes MIM, nous avons pris une diode Schottky comme dispositif de mélange et de détection. Par cette méthode, nous avons relié pour la première fois une fréquence optique de l'atome d'hydrogène à l'horloge à césium sans utiliser l'interférométrie. Nous en avons déduit la constante de Rydberg qui est le facteur d'échelle des niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène. On ajuste la valeur de cette constante pour faire coïncider les fréquences expérimentales et théoriques. La nouvelle valeur ainsi obtenue est : R∞ = 109 737,315 683 4 (24) cm-1 L'incertitude sur cette valeur est de 2,2 10^-11. Elle approche celle des calculs d'électrodynamique quantique donnant les valeurs théoriques des niveaux d'énergie. Ce résultat, qui est le plus précis à l'heure actuelle, est en bon accord avec celui obtenu à Münich en 1992 sur les transitions 1S-2S et 2S-4D.

L'absence de source continue monochromatique Térahertz (THz) appropriée constitue un handicap majeur pour le développement des applications associées à cette gamme de longueur d'ondes. En effet, les technologies électroniques et optiques actuelles ne permettent de couvrir qu'une part réduite du spectre électromagnétique THz (0,3-10 THz). Dans ce contexte, la conversion de fréquences optiques, et plus précisément le photo -mélange, est une voie prometteuse pour la génération de signal THz de haute pureté spectrale sur toute la fenêtre du spectre THz. Le photomélange consiste à pomper un dispositif optoélectronique ultrarapide par deux signaux lasers dont les fréquences sont séparées par quelques THz (0,3 à 5 THz). Dans ce travail, nous proposons un nouveau micro-résonateur photonique bifréquence à cavité verticale et monolithique pour la réalisation de source laser bifréquence pour le photomélange. Ce nouveau résonateur est basé sur le couplage de deux résonateurs photoniques, un cristal photonique membranaire résonant d'une part et une cavité Fabry Pérot verticale d'autre part, accordés spectralement, pour réaliser un composant bifréquence. Le couplage optique résultant de l'association de ces deux éléments permet la génération de deux modes hybrides dont la différence de fréquence peut être ajustée en fonction du taux de couplage et donc de la position du cristal photonique dans le micro-résonateur. Le présent travail de thèse porte sur la conception, la fabrication de ce nouveau dispositif bifréquence et son application à la réalisation d'une source laser bi-mode semiconductrice fonctionnant à 1.55dm.

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.

L'absence de source continue monochromatique Térahertz (THz) appropriée constitue un handicap majeur pour le développement des applications associées à cette gamme de longueur d’ondes. En effet, les technologies électroniques et optiques actuelles ne permettent de couvrir qu’une part réduite du spectre électromagnétique THz (0,3-10 THz). Dans ce contexte, la conversion de fréquences optiques, et plus précisément le photo –mélange, est une voie prometteuse pour la génération de signal THz de haute pureté spectrale sur toute la fenêtre du spectre THz. Le photomélange consiste à pomper un dispositif optoélectronique ultrarapide par deux signaux lasers dont les fréquences sont séparées par quelques THz (0,3 à 5 THz). Dans ce travail, nous proposons un nouveau micro-résonateur photonique bifréquence à cavité verticale et monolithique pour la réalisation de source laser bifréquence pour le photomélange. Ce nouveau résonateur est basé sur le couplage de deux résonateurs photoniques, un cristal photonique membranaire résonant d’une part et une cavité Fabry Pérot verticale d’autre part, accordés spectralement, pour réaliser un composant bifréquence. Le couplage optique résultant de l’association de ces deux éléments permet la génération de deux modes hybrides dont la différence de fréquence peut être ajustée en fonction du taux de couplage et donc de la position du cristal photonique dans le micro-résonateur. Le présent travail de thèse porte sur la conception, la fabrication de ce nouveau dispositif bifréquence et son application à la réalisation d’une source laser bi-mode semiconductrice fonctionnant à 1.55dm. / The lack of suitable monochromatic continuous-wave terahertz source consists of one the majors hurdles for terahertz spectrum applications development in various domains. Both electronic and optic technologies don’t allow covering all terahertz electromagnetic spectrum (0.3-10 THz). In this context and in order to generate high spectral purity wave over all THz spectrum window, a well-established technique consists in the photo-mixing procedure, where an ultrafast optoelectronic device is pumped by two laser signals whose frequencies are separated by an offset in the 0.3-5 THz window. In this work, we propose a novel dual-wavelength photonic micro resonator to provide a dual-mode monolithic semiconductor laser for THz generation by photo-mixing instead of the basic photo-mixing approach based on the use of two independent lasers. The novel photonic microresonator associates a vertical Fabry Perot (FP) cavity and photonic crystal membrane (PCM)resonators. A PCM exhibiting a resonant mode at normal incidence is inserted in a FP cavity with a resonant vertical mode at the same wavelength λ0. The resulting strong optical coupling leads to the generation of two mixed modes separated by a frequency difference which can be tuned through the loss rate of the PCM and its position inside the FP cavity. The work of this thesis focuses on the design, the micro-fabrication and the characterization of the dual-frequency resonator and its application to the realization of a single compact and flexible dual-mode semiconductor laser source around 1.55μm.

Les horloges à réseau optique montrent des performances impressionnantes et sont en train de soulever la question de la redéfinition de la seconde. Dans ces systèmes, un laser ultra-stable est utilisé en tant qu’oscillateur local pour sonder des transitions optiques très étroites d’atomes neutres piégés dans un réseau optique. La stabilité ultime de ces dispositifs, déterminée par le nombre d’atomes interrogés à chaque cycle et évaluée à quelques 10−17/sqrt(tau) (où tau est le temps d’intégration), n’est actuellement pas atteinte et est limitée à quelques 10−16/sqrt(tau) par les fluctuations de phase du laser sonde. Si l’amélioration des cavités ultra-stables sur lesquels sont stabilisés les lasers sonde est largement étudiée, le LNE-SYRTE a opté pour une approche plus récente, dans laquelle la référence de fréquence utilisée est un trou brûlé spectral creusé dans un cristal dopé terres rares refroidi à température cryogénique (environ 4 K). Une stabilité court terme de quelques 10−18 pourrait alors être atteinte. Cette thèse décrit la construction de l’expérience et montre ensuite les résultats d’une étude spectroscopique à haute résolution sur des trous brûlés spectraux étroits (FWHM = 3.3 kHz) creusés dans le cristal Eu3+ : Y2SiO5. L’influence du cryostat à cycle fermé sur la stabilité des trous brûlés spectraux est notamment mise en évidence et diminuée. Enfin, une méthode d’asservissement originale basée sur une détection hétérodyne d’un trou brûlé spectral et un asservissement numérique via un FPGA qui permet de verrouiller le laser sur le sommet du trou brûlé spectral étroit est décrit et montre une stabilité court terme de quelques 10−14, ce qui est un premier résultat encourageant pour la suite du projet. / Optical lattice clocks show impressive performances and are begining to raise the question of the redefinition of the SI second. In these systems, an ultra-stable laser is used as local oscillator to probe very narrow optical transitions of neutral atoms trapped in an optical lattice. The ultime stability of these systems, determined by the number of atoms interrogated at each clock cycle, evaluated at a few 10−17/sqrt(tau) (where tau is the integration time), is currently not reached and is limited to a few 10−16/sqrt(tau) by the phase fluctuations of the probe laser. If the enhancement of the ultra-stable cavities, on which are currently stabilized the probe lasers, is widely studied, LNE-SYRTE has adopted a more recent approach where the frequency reference is a spectral hole burned in rare earth doped crystal cooled down at cryogenic temperature (around 4 K). A short term stability of a few 10−18 could be achieved. This thesis describes the construction of the experiment and present the results of a high resolution spectroscopy of narrow spectral holes (FWHM = 3.3 kHz) burned in the crystal Eu3+ : Y2SiO5. The influence of the closed cycle cryostat on the behaviour of the spectral holes is hightlighted and reduced. Finally, an original locking scheme based on a heterodyne detection of a spectral hole and a numerical lock program using FPGA in order to stabilize the laser frequency on the top of the narrow spectral hole is described and shows a short term stability of a few 10−14, which is a first promising result for the future of the project.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la réalisation d'un système de génération de signaux micro-ondes à haute stabilité de fréquence. De tels signaux sont obtenus en asservissant en phase un laser femtoseconde à fibre sur une référence de fréquence optique ultra-stable. On est ainsi capable de transférer la stabilité relative de fréquence d'une référence optique dans le domaine micro-onde. Des lasers ultra-stables ont d'abord été développés afin de servir de référence. Ils sont obtenus en asservissant en fréquence un laser sur une cavité Fabry-Perot. Une étude par calculs numériques puis expérimentale a permis de minimiser l'influence, sur les cavités, de la source de bruit dominante qu'est les vibrations. Grâce à cette démarche et à l'utilisation de miroirs de cavité en silice fondue, deux de ces lasers ultra-stables ont une stabilité relative de fréquence estimée à 4,1×10^(-16) @ 1 s. A partir du laser femtoseconde stabilisé sur l'un des lasers ultra-stable, un signal micro-onde à ~12 GHz est généré avec une stabilité de 3×10^(-15) à 1 s. Une horloge atomique à fontaine, interrogée avec ce signal, atteint une stabilité de 3,5×10^(-14)τ^(-1/2), sa limite fondamentale imposée par le bruit de projection quantique. On montre ainsi que la contribution du bruit du signal d'interrogation sur la stabilité de l'horloge (effet Dick) est rendue négligeable. Enfin, la limitation ultime du processus de transfert de l'optique vers la micro-onde a été mesurée en utilisant la même référence optique pour deux lasers femtosecondes identiques. Après optimisation du système, elle a été évaluée au niveau de 2-3×10^(-16) entre 1 s et 10 s.

Les peignes de fréquences optiques, issus de diodes à blocage de modes, font partie des candidats potentiels pour les réseaux de transmission à multiplexage en longueurs d’onde (WDM). Cependant, les modes composant leur peigne, exhibent généralement des largeurs de raie optiques relativement élevées ( 1-100 MHz), rendant ainsi incompatible leur utilisation sur un réseau WDM employant des formats de modulation avancés d’ordre supérieur. Cette thèse étudie, une solution pour palier à cette limitation. La technique utilisée, dite d’asservissement à correction aval hétérodyne, effectue un traitement du flux lumineux en sortie du laser sans agir sur ce dernier, permettant de réduire le bruit de fréquence présent sur chacune des raies et par conséquent leur largeur de raie optique. Dans une première approche, la technique est appliquée à un laser mono-fréquence. Cela a permis d’une part de valider son fonctionnement et d’autre part d’identifier les limites intrinsèques du dispositif expérimental mis en place. Ainsi, nous démontrons que le niveau de bruit de fréquence minimum permis par notre système, correspond à un spectre optique de largeur de raie optique instantanée de 50 Hz et une largeur de raie de 1,6 kHz pour un temps d’observation de 10 ms. La technique est par la suite appliquée à une diode à blocage de modes actif. Le peigne de fréquences optiques ainsi généré, est composé de 21 modes, ayant tous une largeur de raie optique intrinsèque inférieure à 7 kHz, dont 9 modes sont sub-kHz. Pour un temps d’observation du spectre optique de 10 ms, ces modes exhibent tous une largeur de raie d’environ 37 kHz. Nous démontrons ainsi l’impact de la gigue d’impulsions sur les performances de la technique et nous soulignons l’intérêt d’une telle cohérence, pour le domaine des télécommunications optiques cohérentes (transmissions WDM cohérentes de type m-QAM avec des constellations d’ordre élevé, compatibles avec des débits multi-Tbit/s par raie). En dernier lieu, nous abordons une seconde technique consistant à pré-stabiliser la fréquence d’un laser par asservissement en boucle fermée. Elle repose sur l’utilisation d’un interféromètre à fibre déséquilibré comme référence pour réduire le bruit de fréquence d’un laser, situé particulièrement en basses fréquences. Appliquée à un laser mono-fréquence, elle a permis de réduire son bruit de fréquence technique conduisant ainsi à une nette amélioration de sa largeur de raie intégrée sur 3 ms, de 224 kHz à 37 kHz. Ce premier résultat représente un bon support vers l’exploration du potentiel des diodes à blocage de modes pour des applications métrologiques. / Optical frequency combs obtained from mode-locked laser diodes are potential candidates for WDM networks. However, their lines exhibit usually a broad optical linewidth ( 1-100 MHz). Thus their use is incompatible for high order modulation formats WDM based systems. This thesis investigates one solution to overcome this limitation. It consists of using a feed-forward heterodyne technique to reduce the frequency noise of each comb-line and consequently their optical linewidths. In a first approach, the technique is applied to a single-mode laser. This allowed us to validate its proper working and to identify the intrinsic limits of the experimental device set up. The latter analysis enabled us to reveal that the minimum achievable frequency noise level by our system, corresponds to a 50 Hz intrinsic optical linewidth spectrum and a 1,6 kHz optical linewidth based on 10 ms observation time. This technique is then applied to an actively mode-locked laser diode demonstrating, at our system output, a 21-line optical frequency comb with intrinsic optical linewidths reduced to below 7 kHz. It is worth noting that 9 among them, exhibit sub-kHz linewidths. For an observation time of 10 ms, all lines share the same optical linewidth, almost equal to 37 kHz. We thus show that the timing jitter impacts the technique performances. We also highlight the relevance of such coherence level for coherent optical communication. Lastly, we study a laser frequency pre-stabilization technique based on a locking to an unbalanced fiber interferometer. When applied to a single-mode laser, the technique showed a reduction of its technical frequency noise, thus leading to a clear improvement of its integrated optical linewidth from 224 kHz to 37 kHz for 3 ms observation time. This first result provides a good support towards the exploration of mode-locked laser diodes potential for metrological applications.