Le contrôle au moyen d'impulsions laser ultracourtes de la transformation collective et concertée de molécules à l'état solide pouvant induire une commutation ultrarapide de l'état macroscopique d'un matériau offre des perspectives nouvelles. L'objectif est de réaliser à l'échelle du matériau ce qui est réalisé à l'échelle moléculaire en femtochimie. Ces processus sont hautement non linéaires et coopératifs, pouvant conduire à une auto-amplification et une auto-organisation au sein du matériau, et donc à une transition de phase photo-induite vers un nouvel ordre à longue distance (structural, magnétique, ferroélectrique...). Deux familles de matériaux ont été ici étudiées: tout d'abord, des matériaux à transition de spin, passant d'un état diamagnétique à paramagnétique, sous l'effet de la température, ou sous irradiation laser continue. Il s'agit de matériaux photo-actifs prototypes de la bistabilité moléculaire à l'état solide, dont la commutation est étudiée lors d'expériences de diffraction X, de réflectivité optique et de magnétisme. Une seconde partie des études a porté sur des complexes moléculaires à transfert de charge qui sont des composés prototypes pour les transitions de phase photo-induites ultra-rapides: neutre-ionique, isolant-métal... En plus des expériences d'optique temporelle ultra-rapide, la cristallographie X résolue en temps constitue une technique clé permettant de suivre au niveau atomique les différentes étapes de la transformation photo-induite et par conséquent d'observer les mécanismes mis en jeu. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence un processus de photo-formation de nanodomaines unidimensionnels d'excitations de transfert de charge relaxées structuralement, pilotant la transition de phase photo-induite du TTF-CA, à l'aide de premières études de diffusion diffuse résolue en temps. Une nouvelle source laser-plasma femtoseconde et un dispositif de spectroscopie pompe sonde optique à détection hautement sensible ont aussi été développés dans le cadre de ce travail. Les résultats présentés dans cette étude seront une illustration des enjeux scientifiques actuels relatifs d'une part aux développements de projets de grande ampleur (nouvelles sources ultra-brèves) et d'autre part à la photo-commutation ultra-rapide.

Le substrat SOI (Silicon-On-Insulator) constitue aujourd'hui le support de choix pour la fabrication de fonctions optiques compactes. Cette plateforme commune avec la micro-électronique favorise l'intégration de circuits photoniques avec des circuits CMOS. Néanmoins, si le silicium peut être utilisé de manière très avantageuse pour la fabrication de composants optiques passifs, il présente l'inconvénient d'être un très mauvais émetteur de lumière. Ceci constitue un obstacle majeur au développement de sources d'émission laser, briques de constructions indispensables à la fabrication d'un circuit photonique. La solution exploitée dans le cadre de cette thèse consiste à reporter sur SOI des épitaxies laser III-V par collage direct SiO2-SiO2. L'objectif est de réaliser sur SOI des sources lasers à cavité horizontale permettant d'injecter au moins 1mW de puissance dans un guide d'onde silicium inclus dans le SOI. Notre démarche est de transférer un maximum des fonctions du laser vers le silicium, dont les procédés sont familiers au monde de la micro-électronique. Dans l'idéal, le III-V ne devrait être utilisé que comme matériau à gain ; la cavité laser pouvant être fabriquée dans le silicium. Mais cette ligne de conduite n'est pas forcément aisée à mettre en œuvre. En effet, les photons sont produits dans le III-V mais doivent être injectés dans un guide silicium placé sous l'épitaxie. La difficulté est que les deux matériaux sont séparés par plus d'une centaine de nanomètres d'oxyde de collage faisant obstacle au transfert de photons. Le développement de lasers III-V couplés à un guide d'onde SOI demande alors de nouvelles conceptions du système laser dans son ensemble. Notre travail a donc consisté à concevoir un laser hybride III-IV / silicium se pliant aux contraintes technologiques du collage. En s'appuyant sur la théorie des modes couplés et les concepts des cristaux photoniques, nous avons imaginé, réalisé, puis caractérisé un laser à contre-réaction distribuée hybride (en anglais : " distributed feedback laser ", laser DFB). Son fonctionnement optique original, permet à la fois un maximum de gain et d'efficacité de couplage grâce à une circulation en boucle des photons du guide III-V au guide SOI. Sur ces dispositifs, nous montrons une émission laser monomode (SMSR de 35 dB) à température ambiante en pompage optique et électrique pulsé. Comme attendu, la longueur d'onde d'émission est dépendante du pas de réseau DFB. Les lasers fonctionnent avec une épaisseur de collage de silice de 200 nm, ce qui offre une grande souplesse quant au procédé d'intégration. Tous les lasers fonctionnent jusqu'à des longueurs de 150 μm (la plus petite longueur prévue sur le masque). Malgré les faibles niveaux de puissances récoltés dans la fibre lors des caractérisations, la prise en compte des pertes optiques induites pas les coupleurs fibres nous indique que la puissance réellement injectée dans le guide silicium dépasse le milliwatt. Notre objectif de ce point de vue est donc rempli. Malheureusement le fonctionnement des lasers en injection électrique continue n'a pas pu être obtenu dans les délais impartis. Cependant, les faibles densités de courant de seuil mesurées en injection pulsée (300A / cm2 à température ambiante sur les lasers de 550 μm de long) laissent présager un fonctionnement prochain en courant continu.

La mesure précise de la fréquence de la transition 1S-3S de l'atome d'hydrogène est d'un grand intérêt pour l'énigme du rayon de charge du proton, qui a pour origine les résultats récents de la spectroscopie de l'hydrogène muonique. Nous excitons la transition à deux photons 1S-3S, dans un jet d'atomes d'hydrogène, à l'aide d'un laser continu à 205 nm obtenu par somme de fréquences dans un cristal non-linéaire. La fréquence de la transition est mesurée par rapport à l'horloge à césium du LNE-SYRTE à l'aide d'un peigne de fréquence. L'enregistrement du signal pour différentes valeurs d'un champ magnétique appliqué permet d'estimer la distribution de vitesse des atomes du jet et d'en déduire l'effet Doppler du deuxième ordre. Les autres effets systématiques qui déplacent la transition ont été pris en compte : interférence quantique, déplacement lumineux, collisions. Une étude systématique en fonction de la pression a permis de montrer que la distribution de vitesse ne dépend pas de la pression et de déterminer le déplacement collisionnel. Finalement, une valeur de la fréquence de transition 1S-3S est obtenue avec une incertitude d'environ 5 kHz, ou 1,7 10^-12 en valeur relative. Elle est en très bon accord avec la valeur recommandée par le CODATA. Cette nouvelle mesure contribue à la recherche autour de l'énigme du rayon du proton. / The precise measurement of the 1S-3S transition frequency of hydrogen could have a great impact on the proton charge radius puzzle, which results from the recent spectroscopy of muonic hydrogen. In our experiment, the two-photon 1S-3S transition is excited in a hydrogen atomic beam, with a continuous-wave 205-nm laser which is obtained by sum frequency generation in a non-linear crystal. The transition frequency is measured with respect to the LNE-SYRTE Cs clock by means of a frequency comb. Recording the signal for several values of an applied magnetic field allows to estimate the velocity distribution of the atoms in the beam and deduce the second-order Doppler shift. Other frequency-shifting systematic effects have been taken into account: cross-damping, light shift, collisions. A complete study has shown that the velocity distribution does not depend significantly on the pressure, and allowed to determine the collisional shift. Eventually, a value of the 1S-3S transition frequency is obtained with an uncertainty of about 5 kHz, or a relative uncertainty of 1.7 10^-12. It is in very good agreement with the CODATA recommended value. This new measurement contributes to the ongoing search to solve the proton radius puzzle.

Dans ce mémoire, nous présentons l'étude d'un senseur inertiel à ondes de matière embarqué dans un avion effectuant des vols paraboliques.Une source laser bi-fréquence robuste et compacte permettant de refroidir et d'interroger simultanément des atomes de 87Rb et 39K a été développée. Elle est basée sur des lasers télécom asservis sur un peigne de fréquences optique et doublés en fréquence. L'utilisation de composants optiques fibrés permet de rendre le système intrinsèquement résistant aux vibrations et aux fluctuations thermiques. Le dispositif a été validé en vol par l'obtention d'un double piège magnéto-optique.Nous avons utilisé la source laser pour faire fonctionner un interféromètre à atomes froids de 87Rb dans l'avion. Un accéléromètre mécanique auxiliaire permet d'augmenter la dynamique du capteur atomique et d'enregistrer des franges d'interférences malgré le niveau élevé des fluctuations d'accélération. Le senseur hybride ainsi réalisé a une résolution de 4.10-3 m.s-2.Hz-1/2, environ 100 fois plus faible que le niveau des vibrations dans l'avion.Dans la perspective de réaliser un test du principe d'équivalence en microgravité avec des atomes froids, nous étudions enfin de manière théorique le fonctionnement d'un interféromètre différentiel et nous intéressons à l'influence de certains effets systématiques. / In this thesis, we report on the study of a matter-wave inertial sensor, operated in an airplane carrying out parabolic flights.We have developped a compact and robust dual-wavelength laser source to cool and interrogate 87Rb and 39K atoms. It is based on frequency-doubled telecom lasers locked on a femtosecond optical frequency comb. The use of fibered optical components makes the setup intrinsically immune to vibrations and thermal fluctuations. The laser source was validated in flight by obtaining a double-species magneto-optical trap.We have used the source to carry out airborne measurements with an atom interferometer operating with cold 87Rb atoms. An auxiliary mechanical accelerometer makes it possible to increase the atomic sensor's dynamic range, and to record interference fringes despite the high level of acceleration fluctuations. This hybrid sensor has a resolution of 4.10-3 m.s-2.Hz-1/2, which is approximately 100 times lower than the typical vibration level in the plane.In the perspective of testing the equivalence principle with cold atoms in microgravity, we finally theoretically study the operation of a differential interferometer and investigate the influence of some systematic effects.

Les travaux de recherches présentés dans ce mémoire ont débuté en 1992 au sein du groupe "Photonique" du LAAS-CNRS. Ils s'inscrivent dans le cadre général des recherches menées par l'équipe animée par F. Lozes-Dupuy, Directrice de Recherches au CNRS. Après une étude approfondie des diodes laser DBR (Distributed Bragg Reflector) monofréquences à émission surfacique, l'étude de ce type d'émetteurs a été poursuivie en recherchant le contrôle et l'optimisation de leurs performances par l'adjonction d'une cavité optique étendue hybridée. Ces travaux ont conduit à élargir le domaine de recherches à celui des microsystèmes et aux technologies associées en vue de proposer une microsource laser stabilisée en fréquence. L'orientation «microsystème» des activités a ensuite été renforcée par des travaux de collaboration sur les microsystèmes optiques et, plus spécifiquement, sur le verrou que constitue l'intégration photonique dans les microsystèmes. Dans une première approche, en mettant à profit les acquis de la technologie conventionnelle de type CMOS, les travaux ont concerné l'étude de nouveaux concepts d'intégration sur silicium. Ces travaux se sont appuyés sur un objet d'étude constitué par un capteur optique de déplacement et ont montré que la microélectronique, l'optoélectronique et l'optique intégrée pouvaient être associées sur silicium pour proposer des fonctions optiques "intelligentes" à partir d'une technologie compatible CMOS. Une deuxième approche d'intégration photonique a ensuite été explorée pour tirer profit des propriétés des cristaux photoniques dans la perspective du développement de nouveaux types de diodes laser compatibles avec une intégration photonique planaire dense.

Dans ce mémoire, nous présentons l'étude d'un senseur inertiel à ondes de matière embarqué dans un avion effectuant des vols paraboliques.Une source laser bi-fréquence robuste et compacte permettant de refroidir et d'interroger simultanément des atomes de 87Rb et 39K a été développée. Elle est basée sur des lasers télécom asservis sur un peigne de fréquences optique et doublés en fréquence. L'utilisation de composants optiques fibrés permet de rendre le système intrinsèquement résistant aux vibrations et aux fluctuations thermiques. Le dispositif a été validé en vol par l'obtention d'un double piège magnéto-optique.Nous avons utilisé la source laser pour faire fonctionner un interféromètre à atomes froids de 87Rb dans l'avion. Un accéléromètre mécanique auxiliaire permet d'augmenter la dynamique du capteur atomique et d'enregistrer des franges d'interférences malgré le niveau élevé des fluctuations d'accélération. Le senseur hybride ainsi réalisé a une résolution de 4.10-3 m.s-2.Hz-1/2, environ 100 fois plus faible que le niveau des vibrations dans l'avion.Dans la perspective de réaliser un test du principe d'équivalence en microgravité avec des atomes froids, nous étudions enfin de manière théorique le fonctionnement d'un interféromètre différentiel et nous intéressons à l'influence de certains effets systématiques.

L'objectif de cette thèse est de réaliser un système de transmission optique bas coût en multiplexage temporel (OTDM), pour un débit global de 10 Gb/s. Le train de pulses optique nécessaire au système a été généré par modulation externe d'une source optique continue, avec une modulateur d'intensité. Les simulations ont été concluantes quant à la faisabilité du système étudié. Une étude théorique a permis de résoudre le problème lié aux interférences cohérentes dues à la nature de la source utilisée. Les performances du système de multiplexage expérimental ont été comparées pour deux sources optiques différentes. Le démultiplexage est réalisé avec un modulateur à électroabsorption (EAM). Des valeurs de Taux d'Erreur Binaire (TEB) inférieures à 10-10 ont été obtenues expérimentalement sur chaque canal extrait. Le système est adapté pour une combinaison avec la technique de multiplexage en longueur d'onde (WDM).

Le substrat SOI (Silicon-On-Insulator) constitue aujourd’hui le support de choix pour la fabrication de fonctions optiques compactes. Cette plateforme commune avec la micro-électronique favorise l’intégration de circuits photoniques avec des circuits CMOS. Néanmoins, si le silicium peut être utilisé de manière très avantageuse pour la fabrication de composants optiques passifs, il présente l’inconvénient d’être un très mauvais émetteur de lumière. Ceci constitue un obstacle majeur au développement de sources d’émission laser, briques de constructions indispensables à la fabrication d’un circuit photonique. La solution exploitée dans le cadre de cette thèse consiste à reporter sur SOI des épitaxies laser III-V par collage direct SiO2-SiO2. L’objectif est de réaliser sur SOI des sources lasers à cavité horizontale permettant d’injecter au moins 1mW de puissance dans un guide d’onde silicium inclus dans le SOI. Notre démarche est de transférer un maximum des fonctions du laser vers le silicium, dont les procédés sont familiers au monde de la micro-électronique. Dans l’idéal, le III-V ne devrait être utilisé que comme matériau à gain ; la cavité laser pouvant être fabriquée dans le silicium. Mais cette ligne de conduite n’est pas forcément aisée à mettre en œuvre. En effet, les photons sont produits dans le III-V mais doivent être injectés dans un guide silicium placé sous l’épitaxie. La difficulté est que les deux matériaux sont séparés par plus d’une centaine de nanomètres d’oxyde de collage faisant obstacle au transfert de photons. Le développement de lasers III-V couplés à un guide d’onde SOI demande alors de nouvelles conceptions du système laser dans son ensemble. Notre travail a donc consisté à concevoir un laser hybride III-IV / silicium se pliant aux contraintes technologiques du collage. En s’appuyant sur la théorie des modes couplés et les concepts des cristaux photoniques, nous avons imaginé, réalisé, puis caractérisé un laser à contre-réaction distribuée hybride (en anglais : « distributed feedback laser », laser DFB). Son fonctionnement optique original, permet à la fois un maximum de gain et d’efficacité de couplage grâce à une circulation en boucle des photons du guide III-V au guide SOI. Sur ces dispositifs, nous montrons une émission laser monomode (SMSR de 35 dB) à température ambiante en pompage optique et électrique pulsé. Comme attendu, la longueur d’onde d’émission est dépendante du pas de réseau DFB. Les lasers fonctionnent avec une épaisseur de collage de silice de 200 nm, ce qui offre une grande souplesse quant au procédé d’intégration. Tous les lasers fonctionnent jusqu’à des longueurs de 150 μm (la plus petite longueur prévue sur le masque). Malgré les faibles niveaux de puissances récoltés dans la fibre lors des caractérisations, la prise en compte des pertes optiques induites pas les coupleurs fibres nous indique que la puissance réellement injectée dans le guide silicium dépasse le milliwatt. Notre objectif de ce point de vue est donc rempli. Malheureusement le fonctionnement des lasers en injection électrique continue n’a pas pu être obtenu dans les délais impartis. Cependant, les faibles densités de courant de seuil mesurées en injection pulsée (300A / cm2 à température ambiante sur les lasers de 550 μm de long) laissent présager un fonctionnement prochain en courant continu. / Silicon-On-Insulator (SOI) is today the utmost platform for the fabrication of compact optical functions. This common platform with microelectronics favors the integration of photonic circuits with CMOS circuits. Nevertheless, if silicon allows for the fabrication of compact passive photonic functions, its poor light emission properties constitute a major obstacle to the development of an integrated laser source. The solution used within the framework of this thesis consists in integrating III-IV laser stacks on 200 mm SOI wafers by the mean of SiO2-SiO2 direct bonding. The aim of this work is to demonstrate a III-V on SOI laser that couples at least 1mW to a silicon waveguide. Our approach is to transfer a maximum of the laser complexity to the silicon, which processes are familiar to microelectronics. Ideally, III-V should be just used as a gain material ; the laser cavity being made out of silicon. However, this approach is not so easy to put into practice. Indeed, photons are generated by the III-V waveguide but have to be transferred into the silicon waveguide located under the stack. The difficulty is that both waveguides are separated by a low index bonding layer, which thickness ranges from one hundred to several hundreds of nanometres. The development of a III-V on SOI laser then requires a new thinking of the whole laser system. Therefore, our work has consisted in designing a III-V on silicon hybrid laser that takes into consideration the specific constraints of the integration technology. Based on the coupled mode theory and on the photonic crystals concepts, we have designed, fabricated and characterized an hybrid Distributed Feedback Laser (DFB). Its original work principle allows for both a high amount of gain and coupling efficiency, thanks to a continuous circulation of photons from the III-V to the SOI waveguide. On these devices, we show a monomode laser emission at room temperature (with a side mode suppression ratio of 35dB) under pulsed optical and electrical pumping. As expected, the lasing wavelength is function of the DFB grating pitch. The lasers work with a bonding layer as thick as 200nm, that greatly relaxes the constraints of the bonding technology. Lasers work down to a minimum length of 150 μm, which is the shortest laser lenght of the mask. Despite the low power levels collected by the fibre during the characterizations, accounting for the high optical losses due to the fiber couplers, the optical power effectively injected to the silicon waveguide should be in the miliwatt range. Unfortunately, the low threshold current densities measured under pulsed operation (300 A / cm2 at room temperature) suggest that the continuous-wave regime should be reached in a very near future.

Lors de ces vingt dernières années, de nouvelles techniques de refroidissement et de manipulation des atomes ont permis le développement de senseurs inertiels basés sur l’interférométrie atomique. Le projet ICE est un interféromètre atomique double espèce qui a pour objectif de tester le principe d’équivalence faible. Afin d’augmenter la sensibilité de l’instrument, l’expérience est réalisée en micro-gravité lors de vols paraboliques à borde l’Airbus A300 zero-g de Novespace. L’interféromètre est composé de deux espèces atomiques (87Rb et 39K) ayant des transitions atomiques très proches (780 et 767nm). Ces longueurs d’ondes sont générées par une source laser bi-fréquence ultra-stable. Issue des technologies telecom et ensuite doublées en fréquence, elle est capable de résister aux contraintes des vols paraboliques. Précédemment, des mesures d’accélérations furent réalisées par un interféromètre Rubidiumen 1g et 0g en vol. Récemment, à l’aide d’un nouveau dispositif expérimental reposant sur une nouvelle enceinte à vide en titane, nous avons réalisé un des premiers accéléromètres Potassium. Cet atome présente en effet certaines difficultés à refroidir et à manipuler et demande un excellent contrôle des différents paramètres expérimentaux.Je présente ainsi dans ce manuscrit, les résultats obtenus avec le Rubidium et le Potassium sur le nouveau dispositif expérimental, et les récents progrès réalisés en vue d’un accéléromètre double espèce Rb/K. / During the last two decades, new techniques to cool and manipulate atoms has enabled the development of inertial sensors based on atom interferometry. The ICE project aims to verify the weak equivalence principle (WEP) using a compact and transportable dual-species atom interferometer. To make precise tests of the WEP, this experiment is performed in a micro-gravity environment during parabolic flights onboard the Novespace zero-g aircraft. The interferometer is composed of two atomic species (87Rb et 39K) with similar transition wavelengths (780 nm and 767 nm), which are derived from frequency-doubled telecom lasers. This ultra-stable laser source is able to withst and the parabolic flight and their rough conditions.In previous work, we have demonstrated measurements from a cold rubidium interferometer during the 1g and 0g phases during flights. Recently, we manage to carry out one of the first gravimeter with 39K in a new titanium vacuum system. This is a huge achievement because this atom is hard to cool down and to manipulate. I will present in this thesis, the results with Rubidium and Potassium on the newset-up, I we will report on recent progress toward a double species 87Rb/39K interferometer.