En combinant l'approche corpusculaire et ondulatoire de la lumiere, le formalisme classique utilise permet d'identifier les differentes sources de bruit d'un amplificateur optique et de calculer leurs contributions dans la quantite de bruit d'intensite finale. Son utilisation pour des amplificateurs optiques (de type Raman ou satures) specifiques conduit ainsi a decrire et a evaluer les effets de la distribution et de la compression de gain sur la generation de bruit d'intensite.
En combinant l'approche corpusculaire et ondulatoire de la lumiere, le formalisme classique utilise permet d'identifier les differentes sources de bruit d'un amplificateur optique et de calculer leurs contributions dans la quantite de bruit d'intensite finale. Son utilisation pour des amplificateurs optiques (de type Raman ou satures) specifiques conduit ainsi a decrire et a evaluer les effets de la distribution et de la compression de gain sur la generation de bruit d'intensite.
Les amplificateurs Raman à fibres optiques apparaissent aujourd'hui comme une solution très prometteuse pour augmenter la capacité de transmission des réseaux optiques WDM longues distances et hauts débits. Afin de dégager les caractéristiques de ce type d'amplificateurs optiques, ce travail de thèse propose une étude théorique approfondie permettant de comprendre et modéliser les processus de génération de bruit dans les amplificateurs Raman à fibre optiques, et analyser les performances en terme de qualité de transmission. Nous avons tout d'abord établi un modèle quantifié pour l'amplification Raman dans les fibres optiques, à partir d'une étude sur la description quantique de l'optique nonlinéaire macroscopique. Nous avons ensuite reformulé, d'une manière générale, les propriétés quantiques du champ optique, les limites quantiques des dispositifs optiques linéaires et insensibles à la phase, les statistiques quantiques du photocourrant, et les différentes définitions du facteur de bruit pour les dispositifs amplificateurs. Puis, nous avons caractérisé le gain et le facteur de bruit des amplificateurs Raman, permettant de comparer les performances de bruit intrinsèque en fonction de la configuration de pompage choisie. En complément au bruit quantique intrinsèque, nous avons aussi étudié, en établissant et simulant des models stochastiques et vectoriels, deux autres sources de bruit classique importantes dans les amplificateurs Raman, qui sont la rétrodiffusion Rayleigh et le transfert de bruit de la pompe vers le signal. Et les impacts sur les performances des systèmes de ces bruits supplémentaires ont été finalement analysés.
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.
La présente thèse a pour objectif d'analyser la lumière structurée non-classique et ses caractéristiques. L'optique quantique et la lumière structurée sont deux sujets qui font l'objet d'examens nombreux. Ils sont néanmoins rarement examinés en combinaison. Les propriétés quantiques de la lumière structurée sont moins bien étudiées qu'ils devraient l'être. Par la lumière structurée nous entendons les champs lumineux qui montrent une structure transverse complexe de l'intensité, la phase ou la polarisation. Nous voulons lier les deux sujets de l'optique quantique et la lumière structurée dans la présente thèse. Dans ce but, nous générons expérimentalement des champs lumineux structurés non-classiques. En particulier, nous réalisons une expérience qui permet de générer des faisceaux vectoriels vectoriels - c'est-à-dire des faisceaux lumineux dont l'état de polarisation présente une structure transverse complexe - qui montrent une réduction du bruit quantique. En outre, nous étudions théoriquement les propriétés spatiales de faisceaux lumineux, ainsi que leur bruit. Plus spécifiquement, nous analysons l'incertitude quantique dans la largeur d'un faisceau lumineux. Pour prouver la faisabilité de la vérification expérimentales de nos résultats théoriques, nous réalisons des simulations pour la mesure de paramètres spatiales utilisant un détecteur mulitpixels.
Dans de nombreuses applications.les problèmes de stabilité de fréquence et d'intensité du rayonnement laser jouent un rôle cIlIcial.Le « bl\lit " incontrôlable de la source constitue en effet une limitation des performances du système.L'exemple tJ\trême en la matière est fourni par les détecteurs interférométriques de rayonnement gravitationnel (voir cours de C. Nary Man), où en raison de la faiblesse extrême du signal il mesurer, la fréquence et l'intensité de la source laser doivent atteindre une extraordinaire stabilite.Pour l'essentiel, le blllit dans les lasers est d'origine «technique ». c'est-a-dire qu'il est lié a des fluctuations difficilement maltrisables de divers paramètres du laser (longueur de la cavité, nombre d'éléments actifs dans l'amplificateur laser, taux de pompage ... ).Comme le montre le cours de C. Chardonnet, ces bruits peuvent être diminués, au prix de beaucoup de travail et d'astuces technologiques.Mais il est utile de savoir si ces effons sont appelés li se heuneT tÔt ou tard à des limites imposées par la physique même du processus, ou si on peut espérer faire tendre ces bruits vers zéro.L'objet de ce cours est d•exposer les idées de base sur les limites imposées par la mécanique quantique au bruit d'un faisceau laser.Nous commencerons par quelques rappels relatifs au bruit quantique d'un faisceau lumineux libre (section 1), puis nous Iraiterons des bruits quantiques dans l'amplification optique (section 2) et dans le laser (section 3).Nous terminerons dans la section 4 par une description des résultats experimentaux relatifs aliX «lasers sub-Poissoniens », c'est-à-dire ayant un bruit d'intensité inférieur au bruit de grenaille ou «shot noise ». 1. FLUCTUATIONS QUANTIQUES DE LA LUM IÈRE Nous rappelons ici brièvement les caractéristiques essentielles des fluctuations d'origine quantique du champ électromagnétique.On trouvera dans les références {1-41 un exposé beaucoup plus détaillé des propriétés quantiques de la lumière 1.1.Cu d'u n m od~ uniqu ~ d u cham p Considérons un mode du champ défini par sa fréquence (0, son vecteur d'onde k et sa polarisation supposée rectiligne 1: (un laser monomode peut être considéré comme émettant un tel mode, si on ne s'intéresse pas aux effets liés à la variation transverse d'intensité).
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.
En photonique quantique, les paires de photons intriqués constituent une ressource fondamentale, à la fois pour l'étude des fondements de la mécanique quantique et pour des applications émergentes telles que l'informatique quantique, les communications sécurisées, l'imagerie et la détection. En pratique, ces paires peuvent être générées de manière fiable par conversion paramétrique spontanée dans un cristal non linéaire. Les propriétés de ces photons sont alors déterminées par le type et la géométrie du cristal, ainsi que par les caractéristiques du faisceau de pompe. Le contrôle de ces propriétés s'avère crucial pour de nombreuses applications. Dans cette thèse, nous montrons comment les corrélations spatiales des paires de photons intriqués peuvent être structurées en images d'amplitude et de phase arbitraires en modulant l'illumination du cristal. L'image d'un objet réel peut ainsi être efficacement encodée dans les corrélations des paires, tout en demeurant invisible pour les mesures d'intensité conventionnelles. Cette technique établit ainsi une nouvelle approche de l'imagerie optique, dans laquelle les informations de l'objet sont portées par les corrélations entre les photons plutôt que par l'intensité ou la phase des champs optiques, comme dans les méthodes classiques. Nous utilisons cette technique pour proposer un nouveau paradigme d'imagerie à travers les milieux diffusants, lesquels perturbent fortement la propagation de la lumière et rendent l'imagerie classique inefficace. Les approches classiques - telles que l'inversion computationnelle ou le contrôle de front d'onde - permettent, en principe, de compenser la diffusion, mais elles se révèlent en pratique très sensibles au bruit et aux pertes, et n'offrent qu'un contrôle limité des modes. À l'inverse, notre approche exploite une propriété fondamentale de l'intrication quantique : la préservation des corrélations entre photons sur plusieurs bases de mesure. En modulant le désordre optique engendré par un milieu diffusant, les images encodées dans les corrélations quantiques peuvent être reconstruites par détection de coïncidences, sans jamais inverser le processus de diffusion. Ce travail démontre la possibilité d'encoder, de détecter et de transmettre des informations à haute dimension à l'aide de corrélations quantiques, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour la communication et l'imagerie quantiques.