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Photon pair sources are an essential component of the emerging quantum information technology. Despite ingenious proposals being explored in the recent years based on either second order nonlinear processes in crystals and waveguides or on third order processes in fibers, limitations remain, due to losses and specifically coupling losses in the former case and due to Raman generation in silica, giving rise to a broad spectrum noise in the latter. These limitations have been challenging to lift because of the limited alternative nonlinear materials that fulfil the conditions for the generation of bright and high fidelity photon pairs in integrable photonic structures. In the present project, we develop a new and versatile type of photonic architecture for quantum information applications that offers access to a variety of nonlinear optical materials that are micro-structured in optical fiber forms to generate photon pairs, without the drawback of Raman scattering and with a large design parameter-space. Indeed, with a careful design of the HCPCF along with the appropriate choice of fluid, one can (i) control the dispersion and the transmission to generate photons with the most favourable phase-matching condition over a large spectral range, (ii) adjust the fibre core size and/or shape to enhance nonlinearity or the coupling efficiency with other fibres, (iii) totally suppress the Raman effect in monoatomic gases for instance or have only narrow and separated Raman lines that can thus be easily separated from the useful parametric lines in liquids., Les sources de paires de photons sont un composant essentiel des technologies émergentes en information quantique. De nombreux travaux ont permis des avancées importantes utilisant des processus non linéaires d'ordre 2 dans les cristaux et les guides d'ondes, et d'ordre 3 dans les fibres. Les limitations viennent dans le premier cas, des pertes et en particulier des pertes de couplage avec les fibres optiques et dans le second cas, du bruit dû à l'effet Raman dont le spectre est très large dans les fibres de silice. Ce projet propose une nouvelle architecture basée sur des fibres à cristal photonique à coeur creux (FCPCC) que l'on peut remplir de liquide ou de gaz non linéaire. Cette configuration permet la génération paramétrique de paires de photons corrélés par mélange à quatre ondes sans l'inconvénient de la diffusion Raman. Cette technologie offre une large gamme de paramètres à explorer en s'appuyant sur les propriétés physiques et linéaires contrôlables des FCPCC et la possibilité de remplissage de ces fibres avec des fluides aux propriétés non-linéaires variées. En effet, par une conception judicieuse de la FCPCC et un choix approprié du liquide ou du gaz, il est possible de (i) contrôler la dispersion et la transmission pour générer des photons corrélés sur une large gamme spectrale avec la condition d'accord de phase la plus favorable, (ii) d'ajuster la taille de coeur de la fibre et/ou sa forme pour augmenter sa non-linéarité ou son efficacité de couplage avec d'autres fibres et (iii) de s'affranchir totalement de l'effet Raman si on utilise par exemple un gaz monoatomique, ou d'obtenir des raies Raman fines, aisément discriminables des raies paramétriques dans le cas d'un liquide.

Photon pair sources are an essential component of the emerging quantum information technology. Despite ingenious proposals being explored in the recent years based on either second order nonlinear processes in crystals and waveguides or on third order processes in fibers, limitations remain, due to losses and specifically coupling losses in the former case and due to Raman generation in silica, giving rise to a broad spectrum noise in the latter. These limitations have been challenging to lift because of the limited alternative nonlinear materials that fulfil the conditions for the generation of bright and high fidelity photon pairs in integrable photonic structures. In the present project, we develop a new and versatile type of photonic architecture for quantum information applications that offers access to a variety of nonlinear optical materials that are micro-structured in optical fiber forms to generate photon pairs, without the drawback of Raman scattering and with a large design parameter-space. Indeed, with a careful design of the HCPCF along with the appropriate choice of fluid, one can (i) control the dispersion and the transmission to generate photons with the most favourable phase-matching condition over a large spectral range, (ii) adjust the fibre core size and/or shape to enhance nonlinearity or the coupling efficiency with other fibres, (iii) totally suppress the Raman effect in monoatomic gases for instance or have only narrow and separated Raman lines that can thus be easily separated from the useful parametric lines in liquids.; Les sources de paires de photons sont un composant essentiel des technologies émergentes en information quantique. De nombreux travaux ont permis des avancées importantes utilisant des processus non linéaires d'ordre 2 dans les cristaux et les guides d'ondes, et d'ordre 3 dans les fibres. Les limitations viennent dans le premier cas, des pertes et en particulier des pertes de couplage avec les fibres optiques et dans le second cas, du bruit dû à l'effet Raman dont le spectre est très large dans les fibres de silice. Ce projet propose une nouvelle architecture basée sur des fibres à cristal photonique à coeur creux (FCPCC) que l'on peut remplir de liquide ou de gaz non linéaire. Cette configuration permet la génération paramétrique de paires de photons corrélés par mélange à quatre ondes sans l'inconvénient de la diffusion Raman. Cette technologie offre une large gamme de paramètres à explorer en s'appuyant sur les propriétés physiques et linéaires contrôlables des FCPCC et la possibilité de remplissage de ces fibres avec des fluides aux propriétés non-linéaires variées. En effet, par une conception judicieuse de la FCPCC et un choix approprié du liquide ou du gaz, il est possible de (i) contrôler la dispersion et la transmission pour générer des photons corrélés sur une large gamme spectrale avec la condition d'accord de phase la plus favorable, (ii) d'ajuster la taille de coeur de la fibre et/ou sa forme pour augmenter sa non-linéarité ou son efficacité de couplage avec d'autres fibres et (iii) de s'affranchir totalement de l'effet Raman si on utilise par exemple un gaz monoatomique, ou d'obtenir des raies Raman fines, aisément discriminables des raies paramétriques dans le cas d'un liquide.

Photon-pair sources are a basic block for implementation of quantum information and telecommunication. A microstructured fibered source with liquid core induce a Raman scattering noise reduction, and at the same time allows a simple and lossless coupling to telecom network, with an engineering of its emission properties through the structure and liquid choices. This work focus on four-wave mixing leading to photon pairs emission in such a source. As existing models lack a correct emph{quantitative} description of nonlinear phenomena for pairs emission, we propose here one based on the D field to do so. We show a mismatch between the spectrum form usually expected and the experimental one. To explain this, we develop a model describing the effects of guide nonuniformity, meaning variation of its propagation properties along itself. Through an initial and simple analytical approach, we demonstrate the spectrum spreading and the diminution of the maximum of emission pairs rate. With a piece-wise numerical description for real guides, we highlight the very strong sensitivity of the emission spectrum towards nonuniformity. Another effect arising from this feature is the spectrum differentiation depending on the propagation direction within the guide. Upon pairs polarization entanglement by inserting the guide into a Sagnac loop interferometer, such nonreciprocity induces a deterioration of pairs visibility. In order to counteract this effect, we propose, based on first encouraging results, a simple solution involving a symmetrization of fibers profile during their manufacture. This study paves the way for taking into account inherent nonuniformity of real waveguides, which strongly impacts their photon pair emission.; Les sources de paires de photons constituent un bloc de base pour les technologies de traitement et transmission de l'information quantique. Une source consistant en une fibre microstructurée à coeur liquide permet à la fois une réduction du bruit de diffusion Raman, une adaptation simple et efficace aux réseaux de télécommunication quantique, et l'ajustement de ses propriétés d'émission par ingénierie de la microstructure et choix du liquide non linéaire. Ces recherches se concentrent sur l'étude de l'émission de paires de photons d'une telle source, et du mélange à quatre ondes à leur origine. Nous soulignons le manque d'une description quantitative correcte des phénomènes non linéaires à l'origine des paires dans les modèles existants, et en proposons un se basant sur le champ D pour y parvenir. Nous mettons expérimentalement en évidence l'inconsistance avec la forme de spectre usuellement attendue les sources de paires de photons. Pour l'expliquer, nous développons un modèle rendant compte de la non-uniformité du guide, soit la variation de ses propriétés de propagation sur sa longueur. Par une approche analytique initiale simple de cette caractéristique, nous exposons l'étalement du spectre et la diminution du taux maximum d'émission de paires. Une description numérique par morceaux apporte une description plus proche de la réalité et met en lumière la très forte sensibilité du spectre à la non-uniformité. Un autre effet de cette dernière se traduit par la différenciation du spectre selon le sens de propagation de la lumière dans le guide. Lors de l'intrication en polarisation des paires dans un dispositif de type boucle Sagnac, cette non-réciprocité dégrade la visibilité des paires. Pour compenser cet effet, nous proposons une solution simple de symétrisation du profil des fibres à leur fabrication, appuyée par de premiers résultats encourageants. Cette étude ouvre la voie à la prise en compte des non-uniformités inhérentes aux guides réels, impactant fortement leur émission de paires de photons.

Photon-pair sources are a basic block for implementation of quantum information and telecommunication. A microstructured fibered source with liquid core induce a Raman scattering noise reduction, and at the same time allows a simple and lossless coupling to telecom network, with an engineering of its emission properties through the structure and liquid choices. This work focus on four-wave mixing leading to photon pairs emission in such a source. As existing models lack a correct emph{quantitative} description of nonlinear phenomena for pairs emission, we propose here one based on the D field to do so. We show a mismatch between the spectrum form usually expected and the experimental one. To explain this, we develop a model describing the effects of guide nonuniformity, meaning variation of its propagation properties along itself. Through an initial and simple analytical approach, we demonstrate the spectrum spreading and the diminution of the maximum of emission pairs rate. With a piece-wise numerical description for real guides, we highlight the very strong sensitivity of the emission spectrum towards nonuniformity. Another effect arising from this feature is the spectrum differentiation depending on the propagation direction within the guide. Upon pairs polarization entanglement by inserting the guide into a Sagnac loop interferometer, such nonreciprocity induces a deterioration of pairs visibility. In order to counteract this effect, we propose, based on first encouraging results, a simple solution involving a symmetrization of fibers profile during their manufacture. This study paves the way for taking into account inherent nonuniformity of real waveguides, which strongly impacts their photon pair emission.; Les sources de paires de photons constituent un bloc de base pour les technologies de traitement et transmission de l'information quantique. Une source consistant en une fibre microstructurée à coeur liquide permet à la fois une réduction du bruit de diffusion Raman, une adaptation simple et efficace aux réseaux de télécommunication quantique, et l'ajustement de ses propriétés d'émission par ingénierie de la microstructure et choix du liquide non linéaire. Ces recherches se concentrent sur l'étude de l'émission de paires de photons d'une telle source, et du mélange à quatre ondes à leur origine. Nous soulignons le manque d'une description quantitative correcte des phénomènes non linéaires à l'origine des paires dans les modèles existants, et en proposons un se basant sur le champ D pour y parvenir. Nous mettons expérimentalement en évidence l'inconsistance avec la forme de spectre usuellement attendue les sources de paires de photons. Pour l'expliquer, nous développons un modèle rendant compte de la non-uniformité du guide, soit la variation de ses propriétés de propagation sur sa longueur. Par une approche analytique initiale simple de cette caractéristique, nous exposons l'étalement du spectre et la diminution du taux maximum d'émission de paires. Une description numérique par morceaux apporte une description plus proche de la réalité et met en lumière la très forte sensibilité du spectre à la non-uniformité. Un autre effet de cette dernière se traduit par la différenciation du spectre selon le sens de propagation de la lumière dans le guide. Lors de l'intrication en polarisation des paires dans un dispositif de type boucle Sagnac, cette non-réciprocité dégrade la visibilité des paires. Pour compenser cet effet, nous proposons une solution simple de symétrisation du profil des fibres à leur fabrication, appuyée par de premiers résultats encourageants. Cette étude ouvre la voie à la prise en compte des non-uniformités inhérentes aux guides réels, impactant fortement leur émission de paires de photons.

This thesis concerns the modulation instability (MI) process in optical fibers with a periodic dispersion landscape. MI is a well-known phenomenon but in the context of optical fibers most studies were performed in the presence of uniform dispersion. The aim of this work is to experimentally demonstrate the MI process in a special type of fiber: a photonic crystal fiber (PCF) presenting a sinusoidal dispersion profile. Part 1 focuses on the main characteristics of optical fibers, on the main physical processes occurring in fibers and on three numerical tools used. Part 2 starts with the context of the study. First, we introduce the quasi-phase matching (QPM) mechanism in longitudinal periodic systems. Then, we report an experimental demonstration of the MI process in this kind of fiber. The experimental MI spectrum is composed of ten MI lobes in a range of 10 THz. We propose a detailed description of MI lobes dynamics. We then study the impact of fourth-order dispersion on the MI process in DOFs. We demonstrate theoretically and experimentally the presence of a new MI windows due to a combination of oscillating second-order dispersion and fourth-order dispersion. Finally, this second part ends with the development of an analytical tool based on the truncated three-wave model. It allows simple interpretations of MI lobes dynamics during their propagation. We show that this tool is very accurate and allows controlling MI spectrum of a DOF.; Ce travail de thèse concerne l'étude du processus d'instabilité modulationnelle (MI) dans des fibres optiques présentant un profil de dispersion périodique. La MI est un phénomène bien connu mais la majorité des études réalisées dans le contexte des fibres optiques concerne le cas de dispersion uniforme axialement. L'objectif de ces travaux est de démontrer expérimentalement l'établissement de la MI dans une fibre optique micro-structurée (PCF) dont la dispersion varie de façon sinusoïdale. La première partie présente les principales caractéristiques des fibres optiques et les principaux processus physiques mis en jeu, ainsi que les outils de simulations numériques employés. La seconde partie débute par une présentation du contexte de l'étude et est ensuite consacrée aux résultats. Tout d'abord, nous introduisons le concept du mécanisme de quasi-accord de phase (QPM) dans les systèmes périodiques longitudinaux. Ensuite, nous présentons la démonstration expérimentale du processus de MI dans ce type de fibre. Le spectre obtenu est composé de dix lobes de MI sur 10 THz. De plus, nous proposons une description détaillée de la dynamique de formation des différents lobes de MI. Nous démontrons théoriquement et expérimentalement la génération d'une nouvelle famille de lobes de MI due à une combinaison entre la dispersion oscillante et la dispersion d'ordre quatre. Enfin, cette seconde partie est clôturée par l'élaboration d'un outil analytique, basé sur le modèle à trois ondes tronqué. Il permet d'interpréter simplement la dynamique de formation des lobes de MI et de contrôler le spectre de MI d'une fibre à dispersion oscillante.

This thesis concerns the modulation instability (MI) process in optical fibers with a periodic dispersion landscape. MI is a well-known phenomenon but in the context of optical fibers most studies were performed in the presence of uniform dispersion. The aim of this work is to experimentally demonstrate the MI process in a special type of fiber: a photonic crystal fiber (PCF) presenting a sinusoidal dispersion profile. Part 1 focuses on the main characteristics of optical fibers, on the main physical processes occurring in fibers and on three numerical tools used. Part 2 starts with the context of the study. First, we introduce the quasi-phase matching (QPM) mechanism in longitudinal periodic systems. Then, we report an experimental demonstration of the MI process in this kind of fiber. The experimental MI spectrum is composed of ten MI lobes in a range of 10 THz. We propose a detailed description of MI lobes dynamics. We then study the impact of fourth-order dispersion on the MI process in DOFs. We demonstrate theoretically and experimentally the presence of a new MI windows due to a combination of oscillating second-order dispersion and fourth-order dispersion. Finally, this second part ends with the development of an analytical tool based on the truncated three-wave model. It allows simple interpretations of MI lobes dynamics during their propagation. We show that this tool is very accurate and allows controlling MI spectrum of a DOF.; Ce travail de thèse concerne l'étude du processus d'instabilité modulationnelle (MI) dans des fibres optiques présentant un profil de dispersion périodique. La MI est un phénomène bien connu mais la majorité des études réalisées dans le contexte des fibres optiques concerne le cas de dispersion uniforme axialement. L'objectif de ces travaux est de démontrer expérimentalement l'établissement de la MI dans une fibre optique micro-structurée (PCF) dont la dispersion varie de façon sinusoïdale. La première partie présente les principales caractéristiques des fibres optiques et les principaux processus physiques mis en jeu, ainsi que les outils de simulations numériques employés. La seconde partie débute par une présentation du contexte de l'étude et est ensuite consacrée aux résultats. Tout d'abord, nous introduisons le concept du mécanisme de quasi-accord de phase (QPM) dans les systèmes périodiques longitudinaux. Ensuite, nous présentons la démonstration expérimentale du processus de MI dans ce type de fibre. Le spectre obtenu est composé de dix lobes de MI sur 10 THz. De plus, nous proposons une description détaillée de la dynamique de formation des différents lobes de MI. Nous démontrons théoriquement et expérimentalement la génération d'une nouvelle famille de lobes de MI due à une combinaison entre la dispersion oscillante et la dispersion d'ordre quatre. Enfin, cette seconde partie est clôturée par l'élaboration d'un outil analytique, basé sur le modèle à trois ondes tronqué. Il permet d'interpréter simplement la dynamique de formation des lobes de MI et de contrôler le spectre de MI d'une fibre à dispersion oscillante.