Amplification paramétrique non linéaire : applications au traitement tout optique du signal et à l'information quantique

E. Giacobino

Ce cours présente une description des états comprimés du rayonnement et quelques méthodes de production de ces états comprimés, basées sur des principes d'optique non linéaires.Après une brève introduction à la quantification du champ de rayonnement, nous discutons les principales conséquences de la nature quantique du champ sur les fluctuations qui apparaissent dans les mesures.Nous étudions tout d'abord la modification des fluctuations quantiques dans un système optique linéaire comme une lame semi-transparente.Puis nous traitons trois systèmes qui permettent de manipuler les fluctuations quantiques du rayonnement : l'amplificateur paramétrique qui produit un champ " vide comprimé ", la cavité contenant un milieu possédant un indice non linéaire, qui produit un champ d'amplitude non nulle comprimé, et l'oscillateur paramétrique au-dessus du seuil qui produit des faisceaux jumeaux.

Franck Ferreyrol, Rémi Blandino, Marco Barbieri +3 more

Kumar

Sylvain Gigan

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

Kamel Bencheikh

L'exploitation d'une interaction non lineaire du second ordre: l'amplification parametrique dependante de la phase, a permis de surpasser la limite quantique standard lors du traitement et de la detection des signaux optiques. Le rendement quantique de detection est ainsi considerablement ameliore lorsque le signal est preamplifie par un amplificateur parametrique dependant de la phase, qui ne degrade pas le rapport signal sur bruit. L'ensemble, amplificateur sans bruit et detecteur, peut etre considere comme un nouveau dispositif dont le rendement quantique de detection est ideal lorsque le gain de l'amplificateur est eleve. Par ailleurs, la realisation de deux mesures quantiques non destructives (qnd) successives d'une quadrature d'un signal, nous a permis d'apporter la premiere demonstration complete du principe de la mesure qnd. Chaque mesure introduit une perturbation qui est rejetee sur la quadrature conjuguee, preservant de la contamination la quadrature mesuree. A l'aide des criteres qnd nous avons demontre le caractere non destructif de notre double mesure ainsi que l'existence de correlations quantiques (en dessous de la limite quantique standard) entre les mesures et avec le signal. Du point de vue des communications optiques, nous avons realise deux prises optiques en ligne, ayant des performances quantiques. L'etude theorique a neanmoins revele la sensibilite de telles prises vis a vis des pertes optiques lorsque leur nombre augmente. Nous avons contourne ce probleme en developpant deux prises optiques quantiques amplificatrices basees sur l'amplification optique sans bruit et la separation des photons jumeaux generes par l'amplificateur parametrique dependant de la phase. L'un des photons est considere comme le signal, l'autre constitue la mesure. Les performances de cette double prise sont non classiques et montrent une grande robustesse a l'encontre de pertes optiques. L'etude theorique a revele que les performances non classiques se conservent lorsque le nombre de prises optiques augmente

G. Moreau, Charly Platz, Olivier Dehaese +4 more