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.
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.
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
L’objectif d'un dispositif de mesure QND est de controler l'action en retour, imposee par la mecanique quantique, qui se produit sur un systeme soumis a une mesure. Il est, en effet, possible de rejeter cette perturbation entierement sur l'observable complementaire de celle mesuree, laissant cette derniere inchangee. Nous presentons ici, de maniere detaillee, un ensemble de criteres quantitatifs permettant d'evaluer les performances d'un dispositif mesurant l'intensite d'un faisceau lumineux. Ces criteres permettent en particulier de separer clairement des domaines classique et quantique de fonctionnement d'un tel dispositif. La premiere experience realisee utilise le couplage par effet Kerr croise de deux faisceaux laser dans un milieu non lineaire. Ce milieu est compose d'un jet atomique de sodium place dans une cavite optique doublement resonnante. Nous avons effectue une analyse theorique complete des proprietes de bruit quantique d'un tel systeme. Nous avons identifie un regime de parametres, base sur des effets de deplacement lumineux, pour lequel il existe un transfert efficace d'information du faisceau incident vers la voie de mesure, sans degradation appreciable du signal. Ces previsions theoriques ont ensuite ete verifiees dans notre experience. Nous presentons egalement une deuxieme experience utilisant la detection puis la reemission de la lumiere par des composants optoelectroniques a semi-conducteur. Nous montrons que lorsque les taux de conversion photon-electron pour les photodiodes et electron-photon pour les diodes electroluminescentes sont proches de l'unite, ce dispositif permet de mesurer puis de recreer les fluctuations quantiques du faisceau incident. La demonstration de principe que nous avons realisee laisse presager des applications possibles dans le domaine des reseaux de telecommunication optique.
Les réseaux quantiques améliorent les systèmes de communication quantique et établissent des connexions entre plusieurs noeuds grâce à la distribution de ressources quantiques, par exemple des états intriqués. Les photons constituent d'excellents porteurs d'information quantique, car ils peuvent transporter ces ressources quantiques à travers des fibres optiques, où les fluctuations environnementales et les pertes optiques sont réduites. L'exploitation d'états quantiques de haute dimension, appelés qudits, permet un transfert d'informations plus dense et une meilleure résistance au bruit que l'utilisation des qubits, leurs équivalents binaires. Passer des qubits aux qudits conduit généralement à plus de complexité expérimentale. L'information quantique peut être encodées dans plusieurs degrés de liberté du photon. On souhaite que l'encodage soit compatible avec les architectures de réseaux quantiques à fibre optique. L'encodage en fréquence est robuste face aux fluctuations de phase ou de polarisation et compatible avec l'infrastructure fibrée existante, tout en permettant l'accès à un espace de Hilbert de haute dimension. Les qudits encodés en fréquence sont manipulés à l'aide de dispositifs fibrés commerciaux, tels que les modulateurs électro-optiques, ce qui permet en outre la parallélisation des opérations. Dans cette thèse de doctorat, nous utilisons des états de Bell encodés en fréquence de dimension d=2 (qubits) et d=3 (qutrits). Nous réalisons une preuve de concept d'un réseau de distribution de clés quantiques basé sur l'intrication, et nous comparons différentes méthodes pour démontrer l'échange d'intrication dans le domaine fréquentiel. Nous utilisons un résonateur spiralé en silicium comme source paramétrique de paires de photons via un mélange à quatre ondes. Nous démontrons un peigne de fréquences et l'accès à 80 modes de fréquentiels. Nous sélectionnons 21 liaisons quantiques capables de transférer des qubits ou des qutrits encodés en 'bins' de fréquence à l'aide d'un seul dispositif expérimental. Nous évaluons et optimisons la source - via la puissance de pompage -, le traitement du signal - via la taille de la fenêtre de coïncidence - et la dimension des qu-d-its jusqu'à d=5 afin de maximiser les performances du réseau quantique de distribution de clés. Nous proposons ainsi une stratégie adaptative pour augmenter le débit d'informations sécurisées transmises en tirant parti de la capacité de codage dense des états quantiques de haute dimension et en bénéficiant du rapport signal sur bruit plus élevé des qubits. Nous montrons qu'on peut ainsi communiquer jusqu'à une distance simulée de 295 km. Nous comparons des méthodes pour démontrer un protocole d'échange d'intrication encodé en fréquence. L'échange d'intrication est une primitive pour les répéteurs quantiques permettant d'augmenter encore la portée de communication. Pour générer une intrication en fréquence entre des photons n'ayant jamais interagi, nous considérons deux paires de photons non corrélées dans le peigne de fréquences en utilisant des modes de fréquence alternés. Nous proposons deux méthodes pour faire interférer des photons provenant des paires de photons distinctes, transférant ainsi l'intrication aux deux photons restants, qui n'ont pas interagi.
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.
Traitement de l'information quantique avec une fibre multimode Le transport à haut débit de données à travers des fibres optiques grâce au multiplexage spatial est en pratique limité par la diaphonie modale. Au lieu de considérer ce couplage modal comme une limitation, nous exploitons ici ce mélange de modes comme une ressource. Nous mettons en oeuvre un réseau optique linéaire programmable basé sur le concept de design photonique inverse, exploitant les techniques de mise en forme du front d’onde. Nous démontrons la manipulation d’interférences quantiques à deux photons sur divers réseaux linéaires, comprenant des degrés de liberté spatiaux et de polarisations. En particulier, nous vérifions expérimentalement la « zero transmission law » dans des interféromètres de Fourier et de Sylvester, permettant de quantifier le degré d’indiscernabilité d’un état d’entrée. De plus, grâce à la possibilité de mettre en oeuvre un réseau non unitaire, nous mettons en évidence l’anti-coalescence de photons dans toutes les configurations de sortie, et réalisons une expérience d’absorption cohérente. Nous démontrons ainsi l’aspect reconfigurable de l’implémentation de tels réseaux optiques linéaires dans des fibres multimodes. De plus, nous étudions les propriétés statistiques du speckle à un et à deux photons générés à partir de divers états d’entrée, après propagation dans une fibre multimode. Ces propriétés statistiques du speckle peuvent être utilisées pour extraire des informations sur la dimensionnalité, la pureté et l’indiscernabilité d’un état quantique inconnu, permettant ainsi leur classification. Ce travail met en évidence le potentiel du contrôle de front d’onde en milieux complexes pour le traitement quantique de l’information.
Ce mémoire présente une étude théorique et expérimentale de l'amplification continue d'images à l'aide d'un oscillateur paramétrique optique (OPO). Une première partie est consacrée aux propriétés classiques de cavités nécessaires à l'imagerie, dites "dégénérées en modes transverses". On étudie tout d'abord théoriquement le problème général de la transmission d'une image à travers une cavité quelconque. Ensuite, deux exemples de cavités dégénérées sont abordés: la cavité hémi-confocale puis la cavité autoimageante. Ensuite les propriétés quantiques spatiales du vide émis par un oscillateur paramétrique optique sous le seuil d'oscillation sont abordées. On traite tout d'abord l'effet de la taille finie du milieu non-linéaire sur la compression de bruit locale en sortie d'un OPO en cavité confocale. Cette étude est étendue au cas de la cavité auto-imageante où l'on montre la possibilité de générer des faisceaux EPR locaux. Une troisième partie est consacrée à l'amplification optique au niveau quantique. On construit un modèle théorique d'OPO monomode aussi proche que possible de notre expérience. Nous étudions ensuite le problème de l'optimisation des caractéristiques de l'OPO pour l'amplification sans bruit. Enfin une partie expérimentale étudie l'amplification d'images à l'aide d'un OPO dégénéré en modes transverses sous le seuil d'oscillation. Cette étude est réalisée tout d'abord en cavité semi-confocale avec un cristal de type II puis en cavité confocale avec un cristal de type I. Nous prouvons le caractère quantique des images amplifiées. Le facteur de bruit du système est caractérisé, prouvant un régime d'amplification "sans bruit".