Ces travaux portent sur la fabrication et l’optimisation de microcellules photoniques (PMC) à la fois dans le cadre des vapeurs moléculaire comme l’acétylène mais aussi alcaline comme le rubidium. La chaîne de fabrication complète de fabrication y est présentée en partant du design de la fibre creuse où nous avons choisi d’utiliser une fibre hybride tubulaire/Kagomé pour son large coeur, ses faibles pertes et son contenu monomode. Après avoir fabriqué cette fibre, nous présentons un procédé de remplissage et de fermeture avec le gaz souhaité ne souffrant d’aucune source de contamination. Cela nous a permis la fabrication d’une PMC à base d’acétylène présentant de faibles pertes à l’injection et un nouvel état de l’art en terme de pic par spectroscopie d’absorption saturée avec 19MHz de largeur et 30% de contraste. Nous poussons ensuite l’étude de la spectroscopie sub-Doppler en fonction du mode utilisé grâce à la fabrication d’une fibre guidant préférentiellement un mode d’ordre supérieur qui a pour conséquence l’obtention d’un contraste plus élevé et un décalage en fréquence du pic de transparence. Le deuxième axe de cette thèse tente d’appliquer aux vapeurs alcalines les procédés précédents et d’autre pour aller vers la première PMC totalement fibrée à vapeur de rubidium. Parmi ces pistes, on note l’utilisation de revêtements intra-fibre qui permettent de limiter l’adsorption du rubidium et sa réactivité ou encore améliorant ses propriété anti-relaxantes. La caractérisation de ces dépôts sur les parois du coeur de fibres creuses a été réalisée intra-fibre par une mesure de la relaxation de polarisation.
Ces travaux portent sur la fabrication et l’optimisation de microcellules photoniques (PMC) à la fois dans le cadre des vapeurs moléculaire comme l’acétylène mais aussi alcaline comme le rubidium. La chaîne de fabrication complète de fabrication y est présentée en partant du design de la fibre creuse où nous avons choisi d’utiliser une fibre hybride tubulaire/Kagomé pour son large coeur, ses faibles pertes et son contenu monomode. Après avoir fabriqué cette fibre, nous présentons un procédé de remplissage et de fermeture avec le gaz souhaité ne souffrant d’aucune source de contamination. Cela nous a permis la fabrication d’une PMC à base d’acétylène présentant de faibles pertes à l’injection et un nouvel état de l’art en terme de pic par spectroscopie d’absorption saturée avec 19MHz de largeur et 30% de contraste. Nous poussons ensuite l’étude de la spectroscopie sub-Doppler en fonction du mode utilisé grâce à la fabrication d’une fibre guidant préférentiellement un mode d’ordre supérieur qui a pour conséquence l’obtention d’un contraste plus élevé et un décalage en fréquence du pic de transparence. Le deuxième axe de cette thèse tente d’appliquer aux vapeurs alcalines les procédés précédents et d’autre pour aller vers la première PMC totalement fibrée à vapeur de rubidium. Parmi ces pistes, on note l’utilisation de revêtements intra-fibre qui permettent de limiter l’adsorption du rubidium et sa réactivité ou encore améliorant ses propriété anti-relaxantes. La caractérisation de ces dépôts sur les parois du coeur de fibres creuses a été réalisée intra-fibre par une mesure de la relaxation de polarisation.
Post traitement de fibres creuses et spectroscopie atomique pour le développement de microcapsule photonique et atomique Cette thèse concerne la spectroscopie atomique pour le développement de microcellules photoniques à base de vapeur atomique alcaline (PMC). Le travail est motivé par reproduire les performances remarquables obtenues dans les domaines des références de fréquences et de l’optique cohérente en environnement laboratoire et à les transférer dans des dispositifs très compacts et autonomes accessibles à une communauté scientifique plus large ou à un marché commercial. Dans notre cas, ces futurs composants seront basés sur une fibre à cristal photonique à coeur creux (HC-PCF) remplie d'un matériau en phase gazeuse pour former la PMC et se distingue par une longueur d'interaction ultra longue associée à des dimensions modales transverses micrométriques. Cependant, cette échelle micrométrique du coeur creux de la fibre contenant les atomes soulève plusieurs défis techniques et scientifiques. Parmi les défis techniques, nous énumérons le développement d'un processus efficace pour le chargement d'atomes dans une telle fibre optique, la suppression ou l'atténuation de la réactivité physio-chimique des atomes (c'est-à-dire le rubidium) avec la surface interne silice entourant le coeur de la fibre, etc... En parallèle, le rapport large surface / volume du coeur de la fibre soulève des questions comme la dynamique de relaxation de la cohérence et la nature et l'effet de l'interaction atome-surface. Ainsi, les travaux de thèse reposent sur l’utilisation de revêtements spécifiques de la surface interne du coeur de la fibre avec différents matériaux pour atténuer ces réactions physico-chimiques, sur l'amincissement des larges coeurs creux des HC-PCF Kagomé à couplage inhibé et sur une technique de soudure qui garantit de faibles pertes d’insertion et l’absence de réactivité avec les atomes. Parallèlement, la thèse rapporte un ensemble d'expériences de spectroscopie pour évaluer la dynamique de relaxation des atomes à l'intérieur des HC-PCF et l’observation de nouvelles transparences sous-Doppler.
Les sources de paires de photons constituent un élément clé pour le développement des technologies quantiques, notamment dans les domaines de la communication, de la métrologie et du calcul quantique. Parmi les différentes plateformes existantes, l’utilisation de fibres creuses à couplage inhibé présente des avantages tout à fait uniques. Ainsi, cette approche permet une génération exempte de diffusion Raman, un contrôle précis de l’intrication et une intégration aisée dans les infrastructures de télécommunications, tout en offrant une grande flexibilité pour l’ingénierie des propriétés spectrales et spatiales des photons générés. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à l’optimisation de la génération de paires de photons basée sur le mélange à quatre ondes dans des fibres creuses remplies de gaz xénon. En particulier, deux stratégies complémentaires ont été développées. La première a consisté à travailler sur les paramètres du laser pompe en réduisant la durée de l’impulsion initiale par un système de compression solitonique ou encore en augmentant le taux de répétition à une cadence GHz. Ces deux voies ont été menées en s’appuyant sur des collaborations au plan national et ont permis d’améliorer la brillance de plus de deux ordres de grandeur par rapport aux travaux antérieurs et d’atteindre une brillance de l’ordre du MHz. La seconde voie a porté sur une ingénierie fine des paramètres géométriques et des performances de guidage des fibres creuses en y intégrant la conception et la fabrication d’une nouvelle structure. Cette approche a permis d’optimiser les conditions d’accord de phase et d’améliorer l’efficacité de génération de plus de deux ordres de grandeur, atteignant ainsi des valeurs de l’ordre de 103 photons/s/mW2. Enfin, la recherche de compromis entre qualité des corrélations et brillance a permis de démontrer un rapport coïncidences/accidentelles record de 10000. Finalement, l’ensemble de ces résultats confirme le potentiel des fibres creuses fonctionnalisées pour le développement et l’intégration de sources de paires de photons performantes dans les futurs systèmes de communication quantique.
Les sources de paires de photons constituent un élément clé pour le développement des technologies quantiques, notamment dans les domaines de la communication, de la métrologie et du calcul quantique. Parmi les différentes plateformes existantes, l’utilisation de fibres creuses à couplage inhibé présente des avantages tout à fait uniques. Ainsi, cette approche permet une génération exempte de diffusion Raman, un contrôle précis de l’intrication et une intégration aisée dans les infrastructures de télécommunications, tout en offrant une grande flexibilité pour l’ingénierie des propriétés spectrales et spatiales des photons générés. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à l’optimisation de la génération de paires de photons basée sur le mélange à quatre ondes dans des fibres creuses remplies de gaz xénon. En particulier, deux stratégies complémentaires ont été développées. La première a consisté à travailler sur les paramètres du laser pompe en réduisant la durée de l’impulsion initiale par un système de compression solitonique ou encore en augmentant le taux de répétition à une cadence GHz. Ces deux voies ont été menées en s’appuyant sur des collaborations au plan national et ont permis d’améliorer la brillance de plus de deux ordres de grandeur par rapport aux travaux antérieurs et d’atteindre une brillance de l’ordre du MHz. La seconde voie a porté sur une ingénierie fine des paramètres géométriques et des performances de guidage des fibres creuses en y intégrant la conception et la fabrication d’une nouvelle structure. Cette approche a permis d’optimiser les conditions d’accord de phase et d’améliorer l’efficacité de génération de plus de deux ordres de grandeur, atteignant ainsi des valeurs de l’ordre de 103 photons/s/mW2. Enfin, la recherche de compromis entre qualité des corrélations et brillance a permis de démontrer un rapport coïncidences/accidentelles record de 10000. Finalement, l’ensemble de ces résultats confirme le potentiel des fibres creuses fonctionnalisées pour le développement et l’intégration de sources de paires de photons performantes dans les futurs systèmes de communication quantique.
La portée des communications quantiques est limitée à quelques dizaines de km en raison de l’atténuation dans les fibres. Les répéteurs quantiques (relais quantiques synchronisés par des mémoires quantiques photoniques) furent introduits afin d’accroître ces distances. Or, pour le moment, les mémoires les plus performantes fonctionnent à des longueurs d’onde n’appartenant pas à la bande C télécom. Afin de profiter de ces mémoires, l’utilisation d’interfaces quantiques (milieu non linéaire quadratique) fut proposée comme alternative. En ajoutant ainsi par somme de fréquences un photon de pompe de longueur d’onde appropriée au photon télécom portant l’information, on transfère l’information à une longueur d’onde compatible avec les mémoires, et ceci sans dégradation de l’information portée initialement par le photon télécom. Notre but est ainsi de construire un oscillateur paramétrique optique continu simplement résonant (SRO) qui fournira un faisceau à 1648 nm qui sera sommé en fréquence aux photons télécom à 1536 nm pour transférer l’information vers un photon stockable dans une mémoire à base d’atomes alcalins. Pour transférer efficacement l’information, le SRO doit satisfaire quelques critères : une haute finesse spectrale (largeur de raie ~kHz), une forte puissance (~1W) et une longueur d’onde plus grande que celle du photon télécom à convertir. Pour ce faire, nous utilisons le faisceau non-résonant d’un SRO continu. Le premier travail réalisé dans cette thèse a été de faire la démonstration de la possibilité d’avoir un faisceau à la fois intense et pur spectralement en sortie d’un SRO continu. En réutilisant un SRO déjà développé durant nos travaux antérieurs, nous avons pu stabiliser au niveau du kHz la fréquence du faisceau non résonant à 947 nm (onde signal) de ce SRO, tout en émettant une puissance de plus d’un watt. Ensuite, nous avons conçu le SRO dont le faisceau non résonant à 1648 nm (onde complémentaire) a été stabilisé à court terme en-dessous du kHz avec une puissance de l’ordre du watt. Nous avons ensuite étudié la stabilité à long terme de la longueur d’onde du complémentaire à 1648 nm. Nous avons mesuré des dérives de fréquences de l’ordre de 10 MHz/mn. Ces dérives, venant essentiellement de la cavité de référence sur laquelle le SRO est asservi, peuvent être réduites en contrôlant activement la cavité d’une part, et en utilisant des techniques de stabilisation en fréquence robustes, d’autre part.
Les récents progrès de la physique quantique en matière de manipulations d'objets quantiques individuels et/ou collectifs promettent une révolution dans les domaines de la communication, de la métrologie, de l'informatique et de la simulation. Plus spécifiquement, l'avènement des nouvelles technologies quantiques repose sur la génération, la manipulation et le contrôle d'états quantiques tels que l'intrication. Découverte il y a plus de 30 ans, la lumière comprimée s'est imposée comme un outil de choix pour la mise en œuvre des technologies quantiques, mais son utilisation souffre encore aujourd'hui d'un manque crucial de compacité, freinant ainsi la croissance de certaines réalisations en photonique quantique.Pour pallier ce problème, nous avons développé une plateforme photonique compacte de génération et de détection de lumière comprimée aux longueurs d’ondes des télécommunications. Elle repose sur le mariage entre les composants à fibre optique standards à 1550 nm et de l'optique intégrée sur niobate de lithium (LiNbO3), permettant d'obtenir un montage compact, facilement reconfigurable sans qu'aucun alignement ne soit nécessaire (plug-and-play). Grâce à cette approche, nous avons pu mesurer jusqu’à -2 dB de compression pour une puissance de pompe continue de 40 mW, ouvrant ainsi la voie vers la réalisation de systèmes compacts de variables continues en dehors du cadre des laboratoires.Afin de mieux comprendre les limites de notre système expérimental, nous nous sommes également intéressés aux propriétés photoréfractives du niobate de lithium, c'est-à-dire à la variation de son indice optique en fonction de l'intensité lumineuse qui le traverse. En régime de variables continues, là où les puissances optiques peuvent être relativement élevées, ces effets peuvent durablement affecter le fonctionnement des circuits photoniques intégrés sur LiNbO3. Pour cette raison, une étude précise de la photoréfraction a également été accomplie afin d’optimiser la génération et la détection de la lumière comprimée sur puce LiNbO3.
Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites.