Guides d’onde couplés graduellement désaccordés effectuant un transfert robuste de lumière similaire au transfert entre états quantique La propagation d'ondes dans des guides d'ondes couplés peut être décrite par la théorie des modes couplés. Ce formalisme est mathématiquement analogue à l'équation de Schrödinger dans l'approximation des ondes tournantes (RWA) qui décrit la dynamique quantique du transfert de population entre des états atomiques couplés. Ces analogies ont été précédemment étudiées dans des systèmes de guides couplés possédant un indice effectif constant. Ces systèmes sont parfaitement analogues aux systèmes quantiques couplés en résonance. Nous étendons ce type d'études à des systèmes optiques possédant un paramètre de contrôle supplémentaire via la modulation longitudinale des constantes de propagation. Ces configurations sont analogues aux systèmes quantiques couplés avec une excitation variable et non résonnante. Le transfert de population entre les états atomiques est contrôlé par les fréquences de Rabi et le désaccord de fréquence entre le laser couplant les niveaux et la fréquence de transition. Et en optique, le transfert de lumière entre les guides est ajusté et contrôlé grâce aux constantes de couplage et de propagation des modes.Dans cette thèse, nous exploitons ces analogies pour réaliser des transferts robustes et adiabatiques de la lumière entre différents guides. Le premier système étudié est basé sur le processus, récemment développé en physique quantique, de STIRAP à deux états (two-state STImulated Raman Adiabatic Passage). Cette analogie est mise en œuvre pour la première fois en optique grâce à une structure composée de deux guides, pour lesquels les constantes de couplage et de propagation sont modulées longitudinalement pour réaliser un diviseur de faisceau 50:50 large bande. Ce composant est d’abord étudié théoriquement puis démontré expérimentalement. Les expériences sont réalisées avec des structures de guide d'ondes reconfigurables et accordables, générés par la technique d'illumination latérale d'un cristal photo réfractif. Cette plateforme expérimentale innovante permet de générer des structures de guides qui peuvent être facilement effacés et reconfigurés pour tester différents systèmes.Une seconde analogie, inspirée du processus de Passage Adiabatique Rapide (RAP), est ensuite théoriquement étudiée et expérimentalement réalisée. Nous exploitons un système à deux guides couplés, où le désaccord entre les constantes de propagation s’annule au centre de la propagation. Une telle modulation du désaccord entre les constantes de propagation et de la constante de couplage permet d’effectuer un transfert total de la lumière entre les guides (réalisation d’un coupleur directionnel large bande et robuste).Le processus de RAP décrit précédemment s'applique à des systèmes à deux états. Nous démontrons théoriquement et numériquement que les analogies optiques du RAP peuvent être étendues à des systèmes contenant N guides (N>2) grâce à une technique quantique appelée élimination adiabatique. Elle consiste en l'élimination formelle du (des) guide(s) d'ondes intermédiaire(s). Cela réduit le système à un formalisme mathématique où seuls les deux guides externes restent, et où, par conséquent, le RAP peut être appliqué. Cette technique permet un transfert de lumière entre les guides externes sans excitation du (des) guide(s) intermédiaires. Contrairement à la technique du STIRAP conventionnel, l’élimination adiabatique fonctionne de manière symétrique, et pour un nombre de guides N pair ou impair. L’élimination adiabatique requiert un désaccord important des constantes de propagation.Ce travail contribue ainsi à démontrer que les analogies entre la mécanique quantique et l’optique guidée sont des outils puissants pour concevoir de nouvelles structures photoniques large bande et robustes. Elles peuvent être étendues à la réalisation future de nouvelles fonctions utilisant des guides en régime non linéaire, la propagation non linéaire induisant la variation spatiale (dépendante de l'intensité de la lumière).
Guides d’onde couplés graduellement désaccordés effectuant un transfert robuste de lumière similaire au transfert entre états quantique La propagation d'ondes dans des guides d'ondes couplés peut être décrite par la théorie des modes couplés. Ce formalisme est mathématiquement analogue à l'équation de Schrödinger dans l'approximation des ondes tournantes (RWA) qui décrit la dynamique quantique du transfert de population entre des états atomiques couplés. Ces analogies ont été précédemment étudiées dans des systèmes de guides couplés possédant un indice effectif constant. Ces systèmes sont parfaitement analogues aux systèmes quantiques couplés en résonance. Nous étendons ce type d'études à des systèmes optiques possédant un paramètre de contrôle supplémentaire via la modulation longitudinale des constantes de propagation. Ces configurations sont analogues aux systèmes quantiques couplés avec une excitation variable et non résonnante. Le transfert de population entre les états atomiques est contrôlé par les fréquences de Rabi et le désaccord de fréquence entre le laser couplant les niveaux et la fréquence de transition. Et en optique, le transfert de lumière entre les guides est ajusté et contrôlé grâce aux constantes de couplage et de propagation des modes.Dans cette thèse, nous exploitons ces analogies pour réaliser des transferts robustes et adiabatiques de la lumière entre différents guides. Le premier système étudié est basé sur le processus, récemment développé en physique quantique, de STIRAP à deux états (two-state STImulated Raman Adiabatic Passage). Cette analogie est mise en œuvre pour la première fois en optique grâce à une structure composée de deux guides, pour lesquels les constantes de couplage et de propagation sont modulées longitudinalement pour réaliser un diviseur de faisceau 50:50 large bande. Ce composant est d’abord étudié théoriquement puis démontré expérimentalement. Les expériences sont réalisées avec des structures de guide d'ondes reconfigurables et accordables, générés par la technique d'illumination latérale d'un cristal photo réfractif. Cette plateforme expérimentale innovante permet de générer des structures de guides qui peuvent être facilement effacés et reconfigurés pour tester différents systèmes.Une seconde analogie, inspirée du processus de Passage Adiabatique Rapide (RAP), est ensuite théoriquement étudiée et expérimentalement réalisée. Nous exploitons un système à deux guides couplés, où le désaccord entre les constantes de propagation s’annule au centre de la propagation. Une telle modulation du désaccord entre les constantes de propagation et de la constante de couplage permet d’effectuer un transfert total de la lumière entre les guides (réalisation d’un coupleur directionnel large bande et robuste).Le processus de RAP décrit précédemment s'applique à des systèmes à deux états. Nous démontrons théoriquement et numériquement que les analogies optiques du RAP peuvent être étendues à des systèmes contenant N guides (N>2) grâce à une technique quantique appelée élimination adiabatique. Elle consiste en l'élimination formelle du (des) guide(s) d'ondes intermédiaire(s). Cela réduit le système à un formalisme mathématique où seuls les deux guides externes restent, et où, par conséquent, le RAP peut être appliqué. Cette technique permet un transfert de lumière entre les guides externes sans excitation du (des) guide(s) intermédiaires. Contrairement à la technique du STIRAP conventionnel, l’élimination adiabatique fonctionne de manière symétrique, et pour un nombre de guides N pair ou impair. L’élimination adiabatique requiert un désaccord important des constantes de propagation.Ce travail contribue ainsi à démontrer que les analogies entre la mécanique quantique et l’optique guidée sont des outils puissants pour concevoir de nouvelles structures photoniques large bande et robustes. Elles peuvent être étendues à la réalisation future de nouvelles fonctions utilisant des guides en régime non linéaire, la propagation non linéaire induisant la variation spatiale (dépendante de l'intensité de la lumière).
La propagation de lumière dans un réseau de guides s'effectue par couplages successifs et diffère ainsi fortement de la propagation en milieu libre. De plus, il existe, entre le formalisme du couplage optique décrivant cette propagation, de grandes similarités avec l'équation de Schrödinger. Nous utilisons ces similarités pour réaliser, dans des structures optiques composées de guides d'ondes, des analogies à des phénomènes quantiques. Les guides d'ondes sont analogues à des niveaux discrets d'énergie tandis que les constantes de couplage entre les guides sont analogues aux fréquences de Rabi des pulses laser couplant ces niveaux d'énergie. Pour la démonstration de ces analogies riches d'enseignement et potentiellement attractives pour des applications, il est intéressant de pouvoir disposer de structures optiques polyvalentes pouvant être reconfigurées. Notre approche est basée sur la réalisation de ces structures par la technique d'illumination latérale développée au laboratoire. Contrairement à la majorité des techniques d'inscriptions classiques (CVD, échange d'ions, inscription par laser femtoseconde, etc.) qui conduisent à des structures fixes et très difficilement modifiables, cette technique donne des structures reconfigurables. Elle consiste en l'éclairement contrôlé d'un cristal photoréfractif soumis à un champ électrique, permettant d'inscrire des guides grâce à la photo-conductivité du matériau et à l'effet Pockels. Dès lors, nous montrons qu'il est possible de réaliser au sein du même cristal, différentes structures de réseaux de guides, de design, périodicités et contrastes d'indice différents. Nous mettons ensuite à profit ces différents résultats pour la démonstration d'analogies à des effets quantiques. En premier lieu nous démontrons un transfert adiabatique de lumière similaire au phénomène de STIRAP ("STImulated Raman Adiabatic Passage"). La lumière, couplée à l'entrée dans un guide, est transférée à un guide de sortie éloigné, à travers plusieurs guides intermédiaires (jusqu'à neuf) si les constantes de couplage sont modulées longitudinalement dans un ordre dit "contre-intuitif". Nous utilisons ensuite ce transfert adiabatique de lumière pour la réalisation d'un diviseur de faisceau multi-ports, dont les ratios d'intensité dans les ports de sorties sont déterminés par le rapport des constantes de couplage de la structure. Nous démontrons également que ce diviseur de faisceau est très robuste et très largement achromatique sur plus de 200 nm. Puis, nous réalisons une analogie au phénomène d'EIT ("Electromagnetically Induced Transparency") dans une structure optique composée de trois guides. La présence d'un troisième guide très proche du deuxième empêche tout transfert de lumière depuis le premier guide qui devient alors "transparent". Enfin, en créant un désaccord dans les constantes de propagation longitudinale des trois guides, le transfert de lumière peut être réactivé pour deux valeurs particulières du désaccord, similairement à l'effet quantique Autler-Townes
La propagation de lumière dans un réseau de guides s'effectue par couplages successifs et diffère ainsi fortement de la propagation en milieu libre. De plus, il existe, entre le formalisme du couplage optique décrivant cette propagation, de grandes similarités avec l'équation de Schrödinger. Nous utilisons ces similarités pour réaliser, dans des structures optiques composées de guides d'ondes, des analogies à des phénomènes quantiques. Les guides d'ondes sont analogues à des niveaux discrets d'énergie tandis que les constantes de couplage entre les guides sont analogues aux fréquences de Rabi des pulses laser couplant ces niveaux d'énergie. Pour la démonstration de ces analogies riches d'enseignement et potentiellement attractives pour des applications, il est intéressant de pouvoir disposer de structures optiques polyvalentes pouvant être reconfigurées. Notre approche est basée sur la réalisation de ces structures par la technique d'illumination latérale développée au laboratoire. Contrairement à la majorité des techniques d'inscriptions classiques (CVD, échange d'ions, inscription par laser femtoseconde, etc.) qui conduisent à des structures fixes et très difficilement modifiables, cette technique donne des structures reconfigurables. Elle consiste en l'éclairement contrôlé d'un cristal photoréfractif soumis à un champ électrique, permettant d'inscrire des guides grâce à la photo-conductivité du matériau et à l'effet Pockels. Dès lors, nous montrons qu'il est possible de réaliser au sein du même cristal, différentes structures de réseaux de guides, de design, périodicités et contrastes d'indice différents. Nous mettons ensuite à profit ces différents résultats pour la démonstration d'analogies à des effets quantiques. En premier lieu nous démontrons un transfert adiabatique de lumière similaire au phénomène de STIRAP ("STImulated Raman Adiabatic Passage"). La lumière, couplée à l'entrée dans un guide, est transférée à un guide de sortie éloigné, à travers plusieurs guides intermédiaires (jusqu'à neuf) si les constantes de couplage sont modulées longitudinalement dans un ordre dit "contre-intuitif". Nous utilisons ensuite ce transfert adiabatique de lumière pour la réalisation d'un diviseur de faisceau multi-ports, dont les ratios d'intensité dans les ports de sorties sont déterminés par le rapport des constantes de couplage de la structure. Nous démontrons également que ce diviseur de faisceau est très robuste et très largement achromatique sur plus de 200 nm. Puis, nous réalisons une analogie au phénomène d'EIT ("Electromagnetically Induced Transparency") dans une structure optique composée de trois guides. La présence d'un troisième guide très proche du deuxième empêche tout transfert de lumière depuis le premier guide qui devient alors "transparent". Enfin, en créant un désaccord dans les constantes de propagation longitudinale des trois guides, le transfert de lumière peut être réactivé pour deux valeurs particulières du désaccord, similairement à l'effet quantique Autler-Townes
Non-linéarités quantiques d'un qubit en couplage ultra-fort avec un guide d'ondes Au cours des dernières années, le domaine de l'interaction lumière-matière a fait un pas de plus en avant avec l'avènement des qubits supraconducteurs couplés ultra-fortement à des guides d'ondes ouverts. Dans ce contexte, un qubit devient simultanément couplé à de nombreux modes du guide d'onde, se transformant ainsi en un objet hybride lumière-matière hautement intriqué. L'étude de nouveaux phénomènes dynamiques qui émergent de la grande complexité de ces systèmes quantiques à N-corps est l'objectif principal de cette thèse.Dans une première étape cruciale, nous abordons l'évolution dans le temps d'un tel système en utilisant une nouvelle technique numérique basée sur un développement complet du vecteur d'état en termes d'états cohérents multimodes. Inspirée par des approches semi-classiques antérieures, cette technique numériquement exacte fournit un progrès important par rapport aux méthodes de pointe qui ont été utilisées jusqu'à présent pour étudier le régime de couplage ultra-fort à N-corps. Fondamentalement, cette approche préserve également le détail de la dynamique du système complet réunissant le guide d'onde et le qubit, permettant à la fois d'effectuer la tomographie et d'extraire la diffusion multi-particule des degrés de liberté du guide d'onde.Une exploration du régime de couplage ultra-fort multi-mode utilisant cette nouvelle technique a conduit aux deux prédictions théoriques fondamentales de cette thèse. La première démontre que le rayonnement émis spontanément par un qubit excité prend la forme d'un chat de Schrödinger de lumière, un résultat étonnamment différent de l'émission de photon unique habituelle en optique quantique. La seconde prédiction concerne la diffusion de signaux cohérents de faible puissance sur un qubit, un protocole expérimental très courant en laboratoire. De façon remarquable, il est montré que la non-linéarité du qubit, transférée au guide d'onde par l'interaction ultra-forte avec la lumière, est capable de diviser les photons du faisceau entrant en plusieurs photons de plus basse énergie, conduisant à l'émergence d'un continuum basse fréquence dans le spectre de puissance, qui domine le signal hors-résonant. En étudiant la fonction de corrélation de second ordre dans le champ rayonné, il est également démontré que l'émission en couplage ultra-fort présente des signatures caractéristiques de la production de particules.Dans la dernière partie de la thèse, la fonction de corrélation de second ordre est à nouveau étudiée, mais cette fois expérimentalement, et dans le régime du couplage modéré. Bien que les mesures soient encore préliminaires, cette partie de la thèse présente un compte-rendu instructif de la théorie de la mesure du signal et permet de comprendre en détail la procédure expérimentale impliquée dans la mesure des signaux quantiques. De plus, à l'avenir, les développements expérimentaux et les outils de simulation décrits pourraient être appliqués aux signaux émis par des qubits ultra-fortement couplés, afin d'observer les signatures de production de particules révélées par la fonction de corrélation du second ordre.
Cette thèse porte sur les effets d'optique quantique avec des atomes artificiels semiconducteurs. Dans un premiers temps, on fait une étude théorique où un émetteur unique est couplé à un guide d'onde unidimensionnel. Ce système permets la propagation libre de la lumière en préservent la sensitivité au niveau d'un photon unique, ce que a motivé des propositions pour faire des portes logiques et des transistors au photon unique. Un schéma pour observer l'émission stimulée au niveau d'un photon unique dans cet environnement unidimensionnel est proposé, en utilisant un émetteur excité (e.g. une boîte quantique) et une pompage classique (laser). On montre que l'émission se produit dans le mode stimulée et que la population atomique fait des oscillations de Rabi classiques. Ensuite, la dynamique complètement quantique est décrite, où un paquet avec un seul photon interagit avec l'atome initialement excité. Dans cette nouvelle condition, la stimulation est irréversible, i.e., les populations atomiques ne réalisent pas des oscillations. Cet effet est optimal dans le cas où le paquet est trois fois plus court qu'un paquet spontanément émis par le même atome. On démontre comment utiliser l'émission stimulée irréversible optimale pour produire des clones quantiques universels. Le même dispositif peut être utilisé aussi bien pour produire des paires des photons complètement intriqués, si le paquet du photon initial est suffisamment étendu. Dans un deuxième moment, nous nous sommes intéressés aussi au spectre d'émission spontanée d'une boîte quantique semiconductrice en couplage faible avec une microcavité. Ce système mets en évidence l'effet d'alimentation de la cavité, où la boîte émet spontanément à la fréquence de la cavité, même si cela est bien désaccordé. L'influence des phonons pour le mécanisme d'alimentation de la cavité est analysée. Une importante distorsion du spectre apparent de la cavité, induit pour la présence des phonons, est démontrée. Les effets étudiés sont topiques et peuvent être implémenté avec des dispositifs semiconducteurs de l'état de l'art.
Le travail théorique présenté dans cette thèse concerne la formation de molécules ultra-froides bialcalines et le contrôle de leurs degrés de liberté externes et internes. Cette étude est motivée par les nombreuses expériences en cours visant à l'obtention d'un gaz quantique dégénéré de molécules dans leur état fondamental absolu. Le schéma de formation étudié repose sur le processus de transfert adiabatique stimulé (STIRAP) réalisé en présence d'un potentiel optique de piégeage (réseau optique) des atomes et des molécules.Nous avons déterminé les paramètres du réseau optique (intensité et fréquence du champ laser) qui permettent de piéger efficacement des dimères d'alcalins en évaluant la polarisabilité dynamique acquise par les molécules soumises à un champ externe. Ces calculs reposent en particulier sur la connaissance détaillée de la structure électronique des molécules. Nous avons identifié des plages de longueur d'ondes dites « magiques » où la polarisabilité est la même pour chaque niveau peuplé au cours du transfert adiabatique, permettant ainsi un transfert optimal. Ce formalisme nous a également permis d'obtenir les coefficients Van der Waals de l'interaction à longue portée nécessaires pour étudier les taux de collisions entre molécules.Nous avons réalisé une étude plus détaillée de la molécule RbCs. En étudiant précisément la probabilité de transition de la molécule vers un niveau excité, nous avons proposé un schéma STIRAP pour transférer des molécules de RbCs, initialement dans un niveau vibrationnel excité, vers leur état rovibrationnel fondamental.Ces travaux ont montré l'importance de la connaissance précise de la structure hyperfine de l'état électronique moléculaire excité pour réaliser un gaz dégénéré de molécules dans un état quantique bien défini. Un modèle asymptotique nous a permis d'obtenir une première estimation de la structure hyperfine des courbes d'énergies potentielles des premiers états moléculaires excités des molécules Cs2 et RbCs.
Ce mémoire de thèse décrit une expérience de création de paires d’atomes jumeaux par mélange à quatre ondes en présence d’un réseau optique. Ces atomes jumeaux sont analogues aux photons jumeaux obtenus par conversion paramétrique, lesquels ont été employés dans plusieurs expériences fondamentales d’optique quantique, ainsi que pour des applications en interférométrie et en information quantique. En raison de la relation de dispersion, l’accord de phase peut être obtenu quand les atomes se déplacent dans le réseau optique. Le mélange à quatre ondes qui se produit alors spontanément constitue un cas particulier d’instabilité dynamique. Nous avons réalisé cette expérience à partir d’un gaz dégénéré d’hélium métastable, obtenu dans un piège optique très allongé. On a superposé aux atomes un réseau optique en mouvement, qui est également décrit dans ce mémoire. Au moyen d’un détecteur d’atomes uniques résolu à trois dimensions, nous avons caractérisé le mélange à quatre ondes obtenu. Nous avons étudié les conditions d’accord de phase de ce processus, et les différents modes peuplés, montrant que la méthode que nous employons permet de diffuser préférentiellement les atomes dans deux fines classes de vitesse, que l’on peut ajuster et dont on contrôle les populations. Cette flexibilité facilitera l’utilisation des paires d’atomes pour des expériences futures. Au niveau de chacune de ces deux classes de vitesses, nous avons mesuré une corrélation de type Hanbury Brown et Twiss. Par ailleurs, nous avons démontré une réduction des fluctuations de la différence de population entre les deux classes sous le bruit de grenaille. La coexistence de ces deux effets témoigne du caractère non-classique des paires générées, qui pourront être exploitées pour des expériences d’optique atomique quantique, comme par exemple pour observer l’effet Hong-Ou-Mandel sur des atomes.