Les travaux presentes dans ce memoire portent sur la realisation experimentale d'operations photoniques ultra rapides basees sur l'exploitation de la propagation de solitons spatiaux et leurs interactions dans les milieux homogenes a non-linearite optique de kerr, et sur de nouvelles utilisations de non-linearite d'ordre deux en regime de somme et difference de frequences degenerees. J'ai presente les resultats de la premiere mise en evidence experimentale de la deflexion d'un signal faible par collision et guidage de solitons spatiaux pour realiser une operation elementaire de demultiplexage temporel par solitons spatiaux. Je me suis interesse a l'exploitation des interactions parametriques survenant lors de la propagation dans les cristaux a non-linearite quadratique. Avec un cristal de ktp, le desaccord de phase permet de moduler en phase un signal harmonique faible en fonction de l'intensite du faisceau pompe a la frequence double. J'ai propose une configuration qui met a profit ce phenomene en realisant une porte tout-optique. J'ai mis en evidence pour la premiere fois qu'un doublage de frequence avec accord de phase de type ii pour lequel les composantes ordinaires et extraordinaires du champ incident sont desequilibrees, conduit en sortie a une polarisation dont l'orientation depend de l'intensite. Sur ce principe, j'ai realise un transistor optique original et un dispositif avec une transmission dependante de l'intensite. Un cristal taille pour l'accord de phase de type ii permet egalement de realiser une porte tout optique basee sur l'amplification parametrique. Cette porte permet aussi de realiser une conjugaison de phase et une deflexion d'un faisceau signal
Les travaux presentes dans ce memoire portent sur la realisation experimentale d'operations photoniques ultra rapides basees sur l'exploitation de la propagation de solitons spatiaux et leurs interactions dans les milieux homogenes a non-linearite optique de kerr, et sur de nouvelles utilisations de non-linearite d'ordre deux en regime de somme et difference de frequences degenerees. J'ai presente les resultats de la premiere mise en evidence experimentale de la deflexion d'un signal faible par collision et guidage de solitons spatiaux pour realiser une operation elementaire de demultiplexage temporel par solitons spatiaux. Je me suis interesse a l'exploitation des interactions parametriques survenant lors de la propagation dans les cristaux a non-linearite quadratique. Avec un cristal de ktp, le desaccord de phase permet de moduler en phase un signal harmonique faible en fonction de l'intensite du faisceau pompe a la frequence double. J'ai propose une configuration qui met a profit ce phenomene en realisant une porte tout-optique. J'ai mis en evidence pour la premiere fois qu'un doublage de frequence avec accord de phase de type ii pour lequel les composantes ordinaires et extraordinaires du champ incident sont desequilibrees, conduit en sortie a une polarisation dont l'orientation depend de l'intensite. Sur ce principe, j'ai realise un transistor optique original et un dispositif avec une transmission dependante de l'intensite. Un cristal taille pour l'accord de phase de type ii permet egalement de realiser une porte tout optique basee sur l'amplification parametrique. Cette porte permet aussi de realiser une conjugaison de phase et une deflexion d'un faisceau signal
Nous avons consacré cette thèse à l'étude des différents processus non-linéaires de l'interaction rayonnement-matière et en particulier à la génération des solitons de gap dans les milieux non-linéaires à bandes interdites. Dans la première partie nous avons utilisé un modèle semi-classique de Maxwell-Bloch pour décrire l'interaction d'un milieu à deux niveaux quantiques avec charges avec un champ électromagnétique classique à travers la densité de population, qui est à l'origine même de la non-linéarité. Le couplage non-linéaire qui en résulte génère des phénomènes particulièrement intéressants (génération et diffusion des solitons de gap) à la résonance, quand la pulsation du champ appliqué est proche de la fréquence de transition du milieu à deux niveaux. La dynamique non-linéaire observée numériquement est expliquée à l'aide d'un modèle de Schrödinger non-linéaire dans un potentiel lié aux charges du milieu. La deuxième partie concerne l'étude théorique de la dynamique des solitons quadratiques dans les amplificateurs paramétriques optiques (OPA). Les équations décrivant l'interaction à trois ondes dégénérée dans un cristal biréfringent non-linéaire ont été établies en prenant en compte la diffraction transverse et le walk-off spatial. Nous avons proposé une méthode pour résoudre le problème ardu de la détermination du seuil de supratransmission non-linéaire dans les OPA et nous avons généralisé les résultats obtenus à une grande classe de systèmes non-linéaires non-intégrables à composantes multiples.
Ce manuscrit présente les travaux que j'ai effectués au Laboratoire de Physique Théorique durant ma thèse. Ils portent sur l'interaction d'ondes de matière avec des réseaux optiques modulables en temps et en espace. L'utilisation de ces réseaux a permis de contrôler de manière cohérente les propriétés dynamiques d'un gaz d 'atomes ultra-froids. Cette étude théorique a été réalisée en collaboration avec le groupe Atomes Froids du Laboratoire LCAR. Les variations spatiales de l'enveloppe d u réseau créent, localement, des gaps spatiaux créant une cavité de Bragg pour onde de matière, dont nous avons étudié en détail les propriétés et qui a fait l'objet d'une réalisation expérimentale impliquant la propagation d'un condensat de Bose-Einstein de rubidium 85 dans un guide d'onde. Nous avons également étudié la propagation d'un nuage d 'atomes dans un réseau bichromatique qui permet de réaliser un simulateur quantique du modèle de Harper. Le spectre du hamiltonien de ce système a une dimension fractale pouvant être caractérisée nu mériquement. Nous avons montré, par ailleurs, qu'il est possible d'exploiter les interactions inter-atomiques répulsives d'un condensat de Bose-Einstein afin d'amplifier les corrélations position-vitesse lors de sa pro pagation dans un guide. Notre étude montre qu'une mesure des grandeurs dynamiques locales du nuage atomique permet de sonder expérimentalement les résonances d'un potentiel optique jusqu'à l'échelle du picoKelvin. Enfin, un nuage d'atomes en interaction attractive admet une solution d'équilibre : le soliton. Nous avons démontré, numériquement, que celui-ci peut être utilisé pour sonder des états liés d'un poten tiel de taille finie, en peuplant ces états lors d'une expérience de diffusion comme, par exemple, des états de surface.
Ce manuscrit présente les travaux que j'ai effectués au Laboratoire de Physique Théorique durant ma thèse. Ils portent sur l'interaction d'ondes de matière avec des réseaux optiques modulables en temps et en espace. L'utilisation de ces réseaux a permis de contrôler de manière cohérente les propriétés dynamiques d'un gaz d 'atomes ultra-froids. Cette étude théorique a été réalisée en collaboration avec le groupe Atomes Froids du Laboratoire LCAR. Les variations spatiales de l'enveloppe d u réseau créent, localement, des gaps spatiaux créant une cavité de Bragg pour onde de matière, dont nous avons étudié en détail les propriétés et qui a fait l'objet d'une réalisation expérimentale impliquant la propagation d'un condensat de Bose-Einstein de rubidium 85 dans un guide d'onde. Nous avons également étudié la propagation d'un nuage d 'atomes dans un réseau bichromatique qui permet de réaliser un simulateur quantique du modèle de Harper. Le spectre du hamiltonien de ce système a une dimension fractale pouvant être caractérisée nu mériquement. Nous avons montré, par ailleurs, qu'il est possible d'exploiter les interactions inter-atomiques répulsives d'un condensat de Bose-Einstein afin d'amplifier les corrélations position-vitesse lors de sa pro pagation dans un guide. Notre étude montre qu'une mesure des grandeurs dynamiques locales du nuage atomique permet de sonder expérimentalement les résonances d'un potentiel optique jusqu'à l'échelle du picoKelvin. Enfin, un nuage d'atomes en interaction attractive admet une solution d'équilibre : le soliton. Nous avons démontré, numériquement, que celui-ci peut être utilisé pour sonder des états liés d'un poten tiel de taille finie, en peuplant ces états lors d'une expérience de diffusion comme, par exemple, des états de surface.
Ce manuscrit expose le developpement de ressources fondamentales pour les communications quantiques a longues distances basees sur les technologies des fibres optiques telecoms et des guides d'onde optiques non lineaires. Apres une introduction generale sur les communications quantiques, cette these est structuree en trois parties principales. La premiere partie illustre le developpement de deux sources pour la generation de paires de photons intriques en polarisation et emis a une longueur d'onde telecom via conversion parametrique spontanee (SPDC) dans des guides d'ondes non lineaires integres sur niobate de lithium periodiquement polarise. Les sources s'appuient respectivement sur un accord de phase de type-II et un accord de phase de type-0 et sur des solutions de filtrage et d'interferometrie mises en place apres le cristal non lineaire. Dans la seconde partie, sont discutees les realisations de deux sources de photons uniques annonces haut debit. La premiere s'appuie sur le multiplexage spatial sur puce de photons uniques annonces. La seconde exploite le multiplexage temporel passif grâce a l'utilisation d'un laser telecom cadence a 10 GHz. Enfin, nous presentons une approche tout-optique visant la synchronisation de sources distantes de paires de photons intriques, agencees selon une architecture de type relais quantique distribue. Cette technique innovante repose sur l'utilisation d'un laser telecom impulsionnel en tant qu'horloge optique de reference. Cette horloge autorise la synchronisation de l'emission de paires de photons dans la bande C des telecoms en deux lieux distants. Des resultats preliminaires d'interference a deux photons sont montres et discutes.
Une source de lumière comporte des bruits d'origine classique (dus aux vibrations mécaniques, aux fluctuations thermiques...) qu'il est en principe toujours possible d'éliminer et un bruit d'origine spécifiquement quantique lié à la nature corpusculaire de la lumière. Ce bruit de photon appelé aussi bruit quantique standard ou bruit de grenaille a longtemps été considéré comme une limite infranchissable pour la sensibilité des mesures optiques. On sait maintenant qu'il existe des états du champ électromagnétique qui permettent de dépasser cette 'limite quantique standard'. Ces états comprimés du champ sont dans la plupart des cas créés par des effets d'optique non linéaire. En particulier, ils peuvent être produits par un Oscillateur Paramétrique Optique (OPO). Un OPO constitué par un cristal non-linéaire inséré dans une cavité optique, et excité par une onde pompe intense, génère par effet paramétrique deux nouvelles ondes dites signal et complémentaire. Il est possible de réduire sous le bruit quantique standard les fluctuations associées à ces trois ondes. En particulier, par interaction paramétrique, un photon de pompe est converti simultanément en un photon du signal et un photon du complémentaire. Un OPO génère ainsi des faisceaux corrélés temporellement au niveau quantique et appelés faisceaux jumeaux. De plus, lorsque la pompe est une onde plane, et que les fréquences du signal et complémentaire sont voisines, par l'interaction paramétrique signal et complémentaires sont émis symétriquement par rapport à la direction de propagation de la pompe et sont donc aussi corrélés spatialement au niveau quantique. La réduction sous la limite quantique standard du bruit de l'onde pompe réfléchie par la cavité est une illustration des potentialités de compression de l'OPO. Celle-ci a été mise en évidence dans un OPO fonctionnant avec un cristal à quasi accord de phase et émettant des faisceaux à une longueur d'onde voisine de 2Μm. Les faisceaux jumeaux constituent un autre exemple de faisceaux non-classiques émis par l'OPO. Ils peuvent être utilisés pour améliorer la sensibilité ultime de certaines mesures. En particulier, la corrélation de faisceaux jumeaux a été exploitée pour réaliser une mesure d'absorption dans le rubidium avec une sensibilité non limitée par le bruit quantique standard. Dans un OPO dégénéré en modes transverses, pour lequel l'émission est multimode, la compression des fluctuations peut s'observer en théorie à l'échelle locale en ne mesurant le bruit que sur une partie du faisceau. De plus un tel OPO doit permettre d'observer des corrélations quantiques spatiales entre différentes parties des faisceaux. Expérimentalement, il a été montré que dans un OPO confocal, l'émission, multimode, possède des corrélations locales. Des faisceaux possédant une corrélation quantique spatiale ont permis de mesurer le petit déplacement d'un faisceau avec une sensibilité supérieure à la limite quantique standard.
Nous avons etudie theoriquement et experimentalement un concept d'imagerie parametrique auto-protege, base sur une technique de transposition de faisceau. Une image signal issue d'un objet, interagit avec un faisceau de pompe dans un cristal quadratique. L'utilisation d'un accord de phase non critique en angle (obnc) pour le signal permet de transferer son contenu angulaire sur un faisceau idler cree par generation parametrique, l'image finale etant detectee sur l'idler apres separation d'avec le signal. En regime d'imagerie (faible intensite signal incidente), une configuration en difference de frequence permet de transposer le signal vers l'idler avec un gain superieur a l'unite. En cas d'agression laser a la frequence du signal l'idler reste optiquement limite par la pompe du fait de la conservation de l'energie ce qui assure la protection optique du detecteur. Nous avons montre que l'accord de phase obnc dans un plan principal garantit l'isomorphisme entre l'image signal et celle transposee sur l'idler, ainsi que l'absence de melange interpixels sur la longueur de propagation. Un modele general, a permis l'etude numerique de l'interaction en regime fort. Nous avons souligne que la configuration obnc permettait de diminuer le decalage des faisceaux par le walk-off et garantissait ainsi la limitation de l'intensite de l'idler par la moitie de l'intensite crete de la pompe en entree. L'etude simultanee des conditions d'imagerie et de protection a permis d'etablir un facteur de merite essentiellement base sur les parametres intensifs du materiau et de classer les familles de cristaux commercialement disponibles. Un montage experimental nous a permis de transposer une image monochromatique sans effets de distorsion et avec des gains parametriques superieurs a un. Enfin, nous avons simule une agression laser et verifie que l'energie totale transferee sur l'idler etait limitee et controle par le niveau de pompe. Cette etude ouvre la voie a l'imagerie parametrique auto-protegee et a ses applications dans les domaines necessitant la protection des detecteurs.