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National audience; Le résonateur optique est un composant essentiel des applications optiques-hyperfréquences, du moins lorsqu’il présente un coefficient de qualité suffisant par rapport à ceux disponibles dans le domaine électronique. Il permet par exemple la stabilisation d’oscillateurs opto-électroniques ou le filtrage micro-onde sur porteuse optique. Lorsqu’il est de dimensions suffisamment faibles et présente un intervalle spectral libre (ISL) dans le domaine micro-onde, il peut également être utilisé comme un peigne de fréquence passif : en verrouillant deux lasers sur des résonances, on réalise une source accordable pour des applications de type spectroscopie millimétrique ou THz [1]. Enfin, dans le domaine optique cette fois, un laser compact à très faible bruit de fréquence (ou de phase) est un composant particulièrement recherché pour des applications de métrologie ou des lidars.

Stimulated Brillouin Scattering (SBS) is a coherent interaction process in which light is scattered from optically generated acoustic waves. It is a powerful tool for microwave and optical signal processing, distributed sensing and spectroscopy. Brillouin lasers are attracting a lot of interest for their ability to produce ultra coherent linewidths.This thesis is devoted to the understanding of noise properties of Brillouin fiber ring lasers, operating with multiple Stokes orders. First, we present a technique based on the cavity ringdown method, which allows to characterize the Brillouin gain coefficient directly from probing the laser cavity. Its advantages are to obtain parameters from a single experiment with low optical powers (some 10 milliwatts) for short cavities (a few meters long, or integrated cavities).Secondly, it is shown that an intrinsic linewidth of a few tens of mHz can be easily obtained by cascading two non-resonant Brillouin lasers (for which the pump performs a single pass inside the cavity). In order to obtain these results, the long-term stability has been improved by using a Pound-Drever-Hall servo loop, which allows us to compare our analytical and experimental results. Unfortunately, we were unable to explore the fundamental limits of noise reduction due to the noise floor of our bench.Thirdly, one of the major works of this thesis is the theoretical and experimental study of the noise properties, including frequency noise and relative intensity noise, of a resonant Brillouin laser (for which pump and Stokes waves are resonant inside the cavity). In particular, the impacts of the fiber-ring-cavity quality factor, Brillouin gain detuning, are evaluated very precisely on the laser RIN features such as amplitude noise reduction and relaxation frequency.We emphasize the fact that many characteristics of the frequency noise are related to the RIN properties by a coupling between intensity and phase. We show that the cascade process modifies the dynamics of the Brillouin laser when compared to those of a single-mode Brillouin laser with a single first-order Stokes component. Our experimental results are in excellent agreement with our numerical simulations, obtained thanks to our non-linear system describing the operation of a multi-Stokes Brillouin laser. This good match is mainly due to our ability:* to obtain very precise values of the cavity parameters and the Brillouin gain coefficient using the CRDM technique;* to achieve long-term stability (hours);* to finely control the detuning between the laser Stokes resonance and the frequency of the Brillouin gain maximum.We demonstrate experimentally for the first time that frequency noise is degraded in the presence of anti-Stokes Brillouin scattering. We also show that a gain detuning of the order of a few hundred kHz can degrade the intensity noise reduction or also increase the linewidth by amplitude-phase coupling. All these very fine observations thus allow us to set the fundamental limits of such laser systems such as: the increase in noise due to anti-Stokes orders; the role of pump noise and its possible interrelation with cavity finesse; the effect of the detuning inherent to higher Stokes orders.All these conclusions are key to the design and engineering of these Brillouin fiber lasers, which are currently attracting a great deal of interest as evidenced by the work in progress in the scientific community. This PhD thesis contributes to a better under-standing of multi-Stokes Brillouin lasers., La diffusion Brillouin stimulée (SBS) est un processus d’interaction cohérent, pour lequel la lumière est diffusée à partir des ondes acoustiques générées optiquement. C’est un outil puissant pour le traitement des micro-ondes et des signaux optiques, la détection distribuée et la spectroscopie. Les lasers Brillouin suscitent un très grand intérêt pour leur capacité à produire des largeurs de raie ultra cohérentes.Cette thèse est consacrée à la compréhension des propriétés de bruit des lasers à fibre Brillouin en anneau, fonctionnant avec de multiples ordres de Stokes. Tout d’abord, nous présentons une technique basée sur la méthode de ringdown de la cavité, qui permet de caractériser le coefficient de gain Brillouin directement à partir du sondage de la cavité laser. Ses avantages sont d’obtenir des paramètres à partir d’une seule expérience avec de faibles puissances optiques (quelques 10 milliwatts) pour des cavités courtes (quelques mètres de long, ou cavités intégrées).Deuxièmement, il est démontré qu’une largeur de raie intrinsèque de quelques dizaines de mHz peut être facilement obtenue en cascadant deux lasers Brillouin non résonants (pour lesquels la pompe effectue un seul passage à l’intérieur de la cavité). Afin d’obtenir ces résultats, la stabilité à long terme a été améliorée en utilisant une boucle d’asservissement de type Pound Drever Hall, ce qui nous permet de comparer nos résultats analytiques et expérimentaux. Malheureusement, nous n’avons pas exploré les limites fondamentales de la réduction du bruit en raison du plancher de bruit de notre banc de mesure.Troisièmement, un des travaux majeurs de cette thèse est l’étude analytique et expérimentale des propriétés du bruit, y compris le bruit de fréquence et le bruit relatif d’intensité, d’un laser Brillouin résonant (pour lequel, les ondes de pompe et de Stokes sont résonantes à l’intérieur de la cavité). En particulier, les impacts du facteur de qualité de la cavité fibrée en anneau, le désaccord de gain Brillouin ont été évalués très précisément sur les caractéristiques du RIN du laser telles que la réduction de l’amplitude du bruit et la fréquence de relaxation.Nous soulignons le fait que de nombreuses caractéristiques du bruit de fréquence sont liées aux propriétés du RIN par un couplage entre l’intensité et la phase. Nous montrons que le processus en cascade modifie la dynamique du laser Brillouin par rapport à celle d’un laser Brillouin monomode avec une seule composante de Stokes de premier ordre. Nos résultats expérimentaux sont en excellent accord avec nos simulations, obtenues grâce à notre système non linéaire décrivant le fonctionnement d’un laser Brillouin multi-Stokes. Cette bonne concordance est principalement due à notre capacité :* à obtenir des valeurs très précises des paramètres de la cavité et du coefficient de gain Brillouin en utilisant la technique CRDM ;* à atteindre une stabilité à long terme (plusieurs dizaines d’heures) ;* à contrôler finement le désaccord entre la résonance de Stokes du laser et la fréquence du maximum de gain Brillouin.Nous démontrons expérimentalement pour la première fois que le bruit de fréquence est dégradé en présence d’une diffusion Brillouin anti-Stokes. Nous montrons également qu’un désaccord de gain de l’ordre de quelques centaines de kHz peut dégrader la réduction du bruit d’intensité ou également augmenter la largeur de raie par un couplage amplitude-phase. Toutes ces observations très fines nous permettent donc de fixer les limites fondamentales de tels systèmes laser comme : l’augmentation du bruit due aux ordres anti-Stokes ; le rôle du bruit de pompe et son interrelation possible avec la finesse de la cavité ; l’effet du désaccord inhérent aux ordres de Stokes plus élevés.Toutes ces conclusions sont les clés de la conception et de l’ingénierie de ces lasers à fibre Brillouin, qui suscitent actuellement beaucoup d’intérêt comme en témoignent les travaux en cours dans la communauté scientifique. Cette thèse de doctorat contribue à une meilleure compréhension des lasers Brillouin multi-Stokes.

National audience; Un système de stabilisation de laser sur un résonateur à fort Q est présenté. Ce système présente la particularité de travailler sur le port d’absorption du résonateur et comporte également une boucle de réduction du bruit AM. Des résultats sont présentés sur le bruit de phase d’un laser à semiconducteur et d’un oscillateur optoélectronique tous deux stabilisés sur un résonateur fibré avec ce système. Le bruit de phase de la source optique ainsi obtenue est extrêmement faible.

In this thesis, we are interested in studying the properties of the fluctuations of the light scattered by a cloud of cold atoms, namely temporal fluctuations of the intensity or spectral fluctuations of the electric field in the single or multiple scattering of light. Although our analysis is focused on a passive medium, gain can be added in the system leading to a random laser whose the study of the temporal correlations of the emitted intensity allows to better characterize its coherence properties.The first step towards this characterization is the study of the frequency noise power spectral density of conventional lasers. This measurement is made using a frequency discriminator, being a Fabry-Pérot cavity or an atomic transition, used to convert frequency noise into measurable intensity noise. A simple model is developed showing that, while results obtained with the Fabry-Perot cavity and the atomic transition are the same at low Fourier-frequency, new features appear at high Fourier-frequency showing the influence of the atoms in the noise conversion, allowing to perform spectroscopic measurements by analyzing the intensity fluctuations of the transmitted light.Coherence properties can also be studied with the correlation function g(2) of the intensity, giving access to the photon statistics of the emitted light. We measure this function in a passive medium ballistically expanding while controlling the regime of scattering of light. We analyze in detail the evolution of contrast, the loss of coherence and the change of shape in the multiple scattering regime. Those results are combined with numerical and analytical studies showing the role of multiple scattering in the changes of the g(2)-function. This measurement is the first experimental demonstration of diffusing wave spectroscopy on cold atoms in ballistic motion.The characterization of the temporal coherence of a random laser requires the study of the g(2)-function in an active medium below threshold. We implement a scheme based on hyperfine Raman gain, combining effectively gain and scattering. We present our first results to quantify the amount of gain in the cloud with pump-probe spectroscopy, showing the appearance of an electromagnetically induced transparency window. Finally, based on a heterodyne method, we are able to access the optical spectrum of the scattered light in presence of gain.; Dans cette thèse, nous nous intéressons aux propriétés des fluctuations de la lumière diffusée par un nuage d'atomes froids, que ce soit les variations temporelles de l'intensité ou les fluctuations spectrales du champ électrique dans le régime de diffusion simple ou multiple de la lumière. Bien que notre analyse soit réalisée sur un système passif, l'ajout de gain dans le système peut conduire à l'obtention d'un laser aléatoire dont l'étude des corrélations temporelles de l'intensité émise peut permettre une étude détaillée de ses propriétés de cohérence.La première étape de cette caractérisation est l'étude du bruit de fréquence de lasers conventionnels. La mesure est réalisée grâce à un discriminateur de fréquence, pouvant être une cavité Fabry-Pérot ou une transition atomique, utilisé pour convertir le bruit de fréquence en bruit d'intensité mesuré. Un modèle simple est présenté montrant que, alors que les résultats obtenus pour la cavité ou la transition atomique soient identiques à faibles fréquences de Fourier, de nouvelles structures apparaissent à hautes fréquences, permettant de réaliser de la spectroscopie de bruit en analysant les fluctuations de la lumière transmise.Les propriétés de cohérence peuvent aussi être étudiées grâce à la fonction de corrélation g(2) de l'intensité, offrant un accès à la statistique des photons de la lumière émise. Nous mesurons cette fonction dans un milieu passif en expansion balistique en contrôlant finement le régime de diffusion de la lumière. Nous analysons en détails l'évolution du contraste, la perte de cohérence ainsi que le changement de forme de g(2) dans le régime de diffusion multiple. Ces résultats sont combinés à des études numériques et analytiques pour mettre en évidence le rôle de la diffusion multiple dans les changements de la fonction g(2). Cette mesure est la première réalisation expérimentale de spectroscopie des ondes diffuses sur un nuage d'atomes froids en mouvement balistique.La caractérisation de la cohérence temporelle d'un laser aléatoire passe par l'étude de la fonction g(2) sur un milieu actif sous le seuil d'émission. Nous implémentons alors un schéma de gain Raman hyperfin, combinant efficacement gain et diffusion. Nous présentons les premiers tests de la quantification du gain dans le nuage par spectroscopie pompe-sonde, montrant l'apparition d'une fenêtre de transparence électromagnétiquement induite. Enfin, par une méthode hérérodyne, nous sommes en mesure d'accéder au spectre optique de la lumière diffusée en présence de gain.

Optical frequency combs obtained from mode-locked laser diodes are potential candidates for WDM networks. However, their lines exhibit usually a broad optical linewidth ( 1-100 MHz). Thus their use is incompatible for high order modulation formats WDM based systems. This thesis investigates one solution to overcome this limitation. It consists of using a feed-forward heterodyne technique to reduce the frequency noise of each comb-line and consequently their optical linewidths. In a first approach, the technique is applied to a single-mode laser. This allowed us to validate its proper working and to identify the intrinsic limits of the experimental device set up. The latter analysis enabled us to reveal that the minimum achievable frequency noise level by our system, corresponds to a 50 Hz intrinsic optical linewidth spectrum and a 1,6 kHz optical linewidth based on 10 ms observation time. This technique is then applied to an actively mode-locked laser diode demonstrating, at our system output, a 21-line optical frequency comb with intrinsic optical linewidths reduced to below 7 kHz. It is worth noting that 9 among them, exhibit sub-kHz linewidths. For an observation time of 10 ms, all lines share the same optical linewidth, almost equal to 37 kHz. We thus show that the timing jitter impacts the technique performances. We also highlight the relevance of such coherence level for coherent optical communication. Lastly, we study a laser frequency pre-stabilization technique based on a locking to an unbalanced fiber interferometer. When applied to a single-mode laser, the technique showed a reduction of its technical frequency noise, thus leading to a clear improvement of its integrated optical linewidth from 224 kHz to 37 kHz for 3 ms observation time. This first result provides a good support towards the exploration of mode-locked laser diodes potential for metrological applications.; Les peignes de fréquences optiques, issus de diodes à blocage de modes, font partie des candidats potentiels pour les réseaux de transmission à multiplexage en longueurs d’onde (WDM). Cependant, les modes composant leur peigne, exhibent généralement des largeurs de raie optiques relativement élevées ( 1-100 MHz), rendant ainsi incompatible leur utilisation sur un réseau WDM employant des formats de modulation avancés d’ordre supérieur. Cette thèse étudie, une solution pour palier à cette limitation. La technique utilisée, dite d’asservissement à correction aval hétérodyne, effectue un traitement du flux lumineux en sortie du laser sans agir sur ce dernier, permettant de réduire le bruit de fréquence présent sur chacune des raies et par conséquent leur largeur de raie optique. Dans une première approche, la technique est appliquée à un laser mono-fréquence. Cela a permis d’une part de valider son fonctionnement et d’autre part d’identifier les limites intrinsèques du dispositif expérimental mis en place. Ainsi, nous démontrons que le niveau de bruit de fréquence minimum permis par notre système, correspond à un spectre optique de largeur de raie optique instantanée de 50 Hz et une largeur de raie de 1,6 kHz pour un temps d’observation de 10 ms. La technique est par la suite appliquée à une diode à blocage de modes actif. Le peigne de fréquences optiques ainsi généré, est composé de 21 modes, ayant tous une largeur de raie optique intrinsèque inférieure à 7 kHz, dont 9 modes sont sub-kHz. Pour un temps d’observation du spectre optique de 10 ms, ces modes exhibent tous une largeur de raie d’environ 37 kHz. Nous démontrons ainsi l’impact de la gigue d’impulsions sur les performances de la technique et nous soulignons l’intérêt d’une telle cohérence, pour le domaine des télécommunications optiques cohérentes (transmissions WDM cohérentes de type m-QAM avec des constellations d’ordre élevé, compatibles avec des débits multi-Tbit/s par raie). En dernier lieu, nous abordons une seconde technique consistant à pré-stabiliser la fréquence d’un laser par asservissement en boucle fermée. Elle repose sur l’utilisation d’un interféromètre à fibre déséquilibré comme référence pour réduire le bruit de fréquence d’un laser, situé particulièrement en basses fréquences. Appliquée à un laser mono-fréquence, elle a permis de réduire son bruit de fréquence technique conduisant ainsi à une nette amélioration de sa largeur de raie intégrée sur 3 ms, de 224 kHz à 37 kHz. Ce premier résultat représente un bon support vers l’exploration du potentiel des diodes à blocage de modes pour des applications métrologiques.

Optical frequency combs obtained from mode-locked laser diodes are potential candidates for WDM networks. However, their lines exhibit usually a broad optical linewidth ( 1-100 MHz). Thus their use is incompatible for high order modulation formats WDM based systems. This thesis investigates one solution to overcome this limitation. It consists of using a feed-forward heterodyne technique to reduce the frequency noise of each comb-line and consequently their optical linewidths. In a first approach, the technique is applied to a single-mode laser. This allowed us to validate its proper working and to identify the intrinsic limits of the experimental device set up. The latter analysis enabled us to reveal that the minimum achievable frequency noise level by our system, corresponds to a 50 Hz intrinsic optical linewidth spectrum and a 1,6 kHz optical linewidth based on 10 ms observation time. This technique is then applied to an actively mode-locked laser diode demonstrating, at our system output, a 21-line optical frequency comb with intrinsic optical linewidths reduced to below 7 kHz. It is worth noting that 9 among them, exhibit sub-kHz linewidths. For an observation time of 10 ms, all lines share the same optical linewidth, almost equal to 37 kHz. We thus show that the timing jitter impacts the technique performances. We also highlight the relevance of such coherence level for coherent optical communication. Lastly, we study a laser frequency pre-stabilization technique based on a locking to an unbalanced fiber interferometer. When applied to a single-mode laser, the technique showed a reduction of its technical frequency noise, thus leading to a clear improvement of its integrated optical linewidth from 224 kHz to 37 kHz for 3 ms observation time. This first result provides a good support towards the exploration of mode-locked laser diodes potential for metrological applications.; Les peignes de fréquences optiques, issus de diodes à blocage de modes, font partie des candidats potentiels pour les réseaux de transmission à multiplexage en longueurs d’onde (WDM). Cependant, les modes composant leur peigne, exhibent généralement des largeurs de raie optiques relativement élevées ( 1-100 MHz), rendant ainsi incompatible leur utilisation sur un réseau WDM employant des formats de modulation avancés d’ordre supérieur. Cette thèse étudie, une solution pour palier à cette limitation. La technique utilisée, dite d’asservissement à correction aval hétérodyne, effectue un traitement du flux lumineux en sortie du laser sans agir sur ce dernier, permettant de réduire le bruit de fréquence présent sur chacune des raies et par conséquent leur largeur de raie optique. Dans une première approche, la technique est appliquée à un laser mono-fréquence. Cela a permis d’une part de valider son fonctionnement et d’autre part d’identifier les limites intrinsèques du dispositif expérimental mis en place. Ainsi, nous démontrons que le niveau de bruit de fréquence minimum permis par notre système, correspond à un spectre optique de largeur de raie optique instantanée de 50 Hz et une largeur de raie de 1,6 kHz pour un temps d’observation de 10 ms. La technique est par la suite appliquée à une diode à blocage de modes actif. Le peigne de fréquences optiques ainsi généré, est composé de 21 modes, ayant tous une largeur de raie optique intrinsèque inférieure à 7 kHz, dont 9 modes sont sub-kHz. Pour un temps d’observation du spectre optique de 10 ms, ces modes exhibent tous une largeur de raie d’environ 37 kHz. Nous démontrons ainsi l’impact de la gigue d’impulsions sur les performances de la technique et nous soulignons l’intérêt d’une telle cohérence, pour le domaine des télécommunications optiques cohérentes (transmissions WDM cohérentes de type m-QAM avec des constellations d’ordre élevé, compatibles avec des débits multi-Tbit/s par raie). En dernier lieu, nous abordons une seconde technique consistant à pré-stabiliser la fréquence d’un laser par asservissement en boucle fermée. Elle repose sur l’utilisation d’un interféromètre à fibre déséquilibré comme référence pour réduire le bruit de fréquence d’un laser, situé particulièrement en basses fréquences. Appliquée à un laser mono-fréquence, elle a permis de réduire son bruit de fréquence technique conduisant ainsi à une nette amélioration de sa largeur de raie intégrée sur 3 ms, de 224 kHz à 37 kHz. Ce premier résultat représente un bon support vers l’exploration du potentiel des diodes à blocage de modes pour des applications métrologiques.

Long distance quantum communications are limited to few tens of km due to the attenuation of light in telecom fibres. Quantum repeaters (quantum relays synchronized by photonic quantum memories) were introduced in order to increase distances. Or, currently, the most efficient memories do not operate at wavelengths in the telecom C band. In order to take advantage of these memories, the use of quantum interfaces (second order nonlinear medium) was proposed as an alternative. Thus, by adding by sum frequency generation a pump photon at an appropriate wavelength to the telecom photon carrying the information, one transfers the information to a wavelength compatible with these memories, and this with a preservation of the information initially carried by the telecom photon. Our aim is thus to build a continuous-wave singly resonant optical parametric oscillator (cw SRO) which will provide a wave at 1648 nm that will be frequency summed to telecom photons at 1536 nm to transfer the information to a photon storable into alkali atoms based memory. To efficiently transfer the information, the cw SRO has to fulfill some requirements: a high spectral purity (linewidth ~kHz), a high output power (~1 W) and a wavelength longer than that of the telecom photon to be converted. To this aim, we use the non-resonant wave of a cw SRO. The first work done during this thesis was to experimentally prove the possibility to have both high output power and high spectral purity from a cw SRO. By reusing a cw SRO already built during our previous works, we were able to stabilize at the kHz level the frequency of the non-resonant wave at 947 nm (signal wave) of this SRO, with an output power of more than one watt. Then, we built the cw SRO of which non-resonant wave at 1648 nm (idler wave) has been frequency stabilized below the kHz level along with an output power of the order of one watt. We next studied the long term stability of the idler wavelength at 1648 nm. We have measured frequency drifts of the order of 10 MHz/mn. These drifts originating mainly from the reference cavity to which the SRO is locked, can be reduced by, firstly, an active control of the cavity and by, secondly, the use of robust frequency stabilization techniques.; 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.

Brillouin scattering is the inelastic scattering of light by the acoustic waves of a medium. In an optical fiber, stimulated Brillouin scattering occurs, from a certain incident light intensity (pump), for generating a backscattered "Stokes" wave, whose frequency is shifted from that of the pump by a value directly proportional to the acoustic wave propagation velocity in the fiber. The Brillouin shift has a high sensitivity to all effects that can change the speed of the acoustic wave. This property makes it possible to study the composition of the fibers and gives to the SBS the potential for the production of optical fiber sensors. The SBS process is also accompanied by a gain for the backscattered Stokes wave since almost all the power of the Pump wave is transferred there. It can, therefore, be used for the production of optical fiber amplifiers and lasers. As part of this thesis work, we experimentally studied static and dynamic properties of the Brillouin fiber lasers (BFLs). Depending on the damping rate of the acoustic wave and the loss rate of the cavity, the BFL can be very coherent and less noisy, thus promoting its use in multiple fields such as defense, metrology, and telecommunications. When the Pump makes only one turn in the Brillouin cavity, the studied BFL has a frequency noise 10,000 times lower than that of the Pump laser while keeping a similar intensity noise. When the Pump is resonant, it is possible to obtain a BFL with multiple Stokes waves by cascading the Brillouin non-linear effect in the optical fiber. Restricted by our measurement benches, we measured a frequency noise 1000 times lower than that of the Pump and an intensity noise more than 100 times lower.; La diffusion Brillouin est la diffusion inélastique de la lumière par les ondes acoustiques d'un milieu. Dans une fibre optique, la diffusion Brillouin stimulée (DBS) se manifeste, à partir d'une certaine intensité lumineuse incidente (Pompe), par la génération d'une onde Stokes rétrodiffusée dont la fréquence est décalée de celle de la Pompe d'une valeur directement proportionnelle à la vitesse de propagation des ondes acoustiques. Le décalage Brillouin présente une grande sensibilité à tous les effets qui peuvent modifier la vitesse de l'onde acoustique. Cette propriété permet d'étudier la composition des fibres et confère à la DBS la potentialité pour la réalisation de capteurs à fibres optiques. Le processus de DBS s'accompagne aussi d'un gain pour l'onde Stokes rétrodiffusée, puisque presque toute la puissance de l'onde Pompe y est transférée. Il peut donc être utilisé pour la réalisation d'amplificateurs et de lasers à fibres optiques. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons étudié expérimentalement les propriétés statiques et dynamiques du laser à fibre Brillouin (LFB). Dépendamment du taux d'amortissement de l'onde acoustique et du taux de pertes de la cavité, le LFB peut être très cohérent et très peu bruité, favorisant ainsi son utilisation dans de multiples domaines comme la défense, la métrologie et les télécommunications. Lorsque la Pompe ne fait qu'un tour dans la cavité Brillouin, le LFB étudié présente un bruit de fréquence 10 000 fois plus faible que celui du laser de Pompe tout en gardant un bruit d'intensité similaire. Lorsque la Pompe est résonante, il est possible d'obtenir un LFB à multiples ondes Stokes en cascadant l'effet non-linéaire Brillouin dans la fibre optique. Limités par nos bancs de mesures, nous avons mesuré un bruit de fréquence 1 000 fois plus faible que celui de la Pompe et un bruit d'intensité plus de 100 fois plus faible.

International audience; Nous présentons l’asservissement simultané de deux lasers à 1542 nm sur un interféromètre à bobine de fibre de 300 m par la méthode Pound-Drever-Hall.

Gravitational waves will offer a new window to the universe. Their detection by ground based detectors should arrive soon and the future space based interferometer eLISA will allow to do gravitational wave astronomy in order to get unique informations on their sources wether black holes, neutron stars, the Big Bang etc. The effect of a gravitational wave is an extremely weak variation of distance, it will require a very performant detector. That’s why eLISA should reach picometer precision with arm length of a million kilometer. Such a concept must be tested both numerically and experimentally in order to validate the planned noise reduction technics. The dominant noise will come from the laser itself. Although laser stabilization methods exists, the required level for the detection of gravitational waves is not achievable with the current level of technology. Consequently eLISA will use a post measurement process called time delay interferometry which allows to recombine numerically the measurement to form an equal arm interferometer in order to cancel laser noise like in a standard equal arm interferometer. This algorithm called TDI (Time Delay Interferometry) is one of the main point of study of this thesis. Indeed the LOT is an interferometer both optical and electronic which aims to simulate eLISA and especially to test TDI on a realistic configuration of eLISA. As it is impossible to delay the laser light of the time of a round trip on eLISA, about six seconds, the LOT injects the simulated noises with the appropriate delays to measure the interferences and apply TDI. However, this should be realized in consideration of the intrinsic noises of the LOT which must be understood and reduced as much as possible. Moreover the LOT will adress other problematics of eLISA such as the clock noise of each satellite. The work which was achieved has led to an installation of a part of the LOT and to the improvement of the interferometer’s noise level thus allowing to obtain the first results in a simplified but realistic configuration of eLISA while preparing it for additionnal features in order to get closer of the space detector’s configuration. Thereby the LOT fits in the efforts made by the eLISA community to fully simulate the future detector and to prepare an integration and test phase in which the LOT will be able to play a part as a test bench for some elements., Les ondes gravitationnelles ouvrent une nouvelle fenêtre d’observation sur l’univers. Leur détection par les détecteurs terrestres devrait arriver prochainement et le futur interféromètre spatial eLISA permettra de réaliser une astronomie des ondes gravitationnelles pour exploiter les informations qu’elles portent sur leurs sources que ce soient trous noirs, étoiles à neutrons, le Big Bang etc. L’effet d’une onde gravitationnelle étant une variation de distance extrêmement faible, il faudra un détecteur très performant pour la détecter. C’est pour cela que eLISA devra atteindre une précision de l’ordre du picomètre avec des bras longs d’un million de kilomètres. Un tel concept doit être testé à la fois numériquement mais aussi expérimentalement afin de valider les techniques de réductions de bruits envisagées. Le bruit dominant sera issu du laser lui même. Bien que des méthodes de stabilisations laser existent, le niveau requis pour la détection d’ondes gravitationnelles n’est pas atteignable avec le niveau technologique actuel. Par conséquent eLISA utilisera un processus post mesure appelé interférométrie à temps retardé permettant de reformer numériquement un interféromètre à bras égaux en combinant les différentes mesures réalisées pour que les bruits laser s’annulent comme dans un interféromètre classique à bras égaux. Cet algorithme nommé TDI (Time Delay Interferometry) est l’un des principaux points d’étude de cette thèse. En effet le LOT est un interféromètre à la fois optique et électronique qui a pour but de simuler eLISA et notamment tester TDI sur une configuration réaliste d’eLISA. Comme il est impossible de retarder la lumière laser du temps que met le faisceau pour un aller-retour sur eLISA soit environ six secondes, le LOT injecte les bruits simulés avec les retards correspondant pour ensuite mesurer les interférences et appliquer TDI. Cependant ceci doit être réalisé en considérant les bruits intrinsèque du LOT qu’il s’agit de comprendre et de diminuer le plus possible. De plus le LOT permettra d’aborder d’autres problématiques de eLISA comme le bruit des horloges de chaque satellite. Les travaux réalisés ont conduit à l’installation d’une partie du LOT ainsi qu’à une amélioration du niveau de bruit de l’interféromètre permettant l’obtention des premiers résultats dans une configuration simplifiée mais réaliste de eLISA tout en préparant le terrain pour des ajouts de fonctionnalités supplémentaires afin de se rapprocher de plus en plus de la configuration du détecteur spatial. Ainsi le LOT s’inscrit dans l’effort de la communauté eLISA de simuler de manière complète le futur détecteur et de préparer une future phase d’intégration et de tests au sein de laquelle le LOT pourra jouer un rôle comme banc de test pour certains éléments.

Les fluctuations d'intensité ou de fréquence observées en sortie de cavité émettrice représentent une caractéristique essentielle des lasers à semi-conducteur. Le bruit est d'une part une conséquence directe de la nature corpusculaire de la lumière et permet ainsi d'approcher les processus physiques mis en jeu dans la cavité laser. D'autre part, le bruit définit les limites fondamentales pour l'utilisation des composants concernés dans les expérimentations où la sensibilité est un facteur clé, ainsi que dans les systèmes de communication à haut débit. Ainsi, l'étude du bruit et la compréhension des mécanismes associés sont d'une importance primordiale, sur le plan de la physique fondamentale et également d'un point de vue technologique.

The laser source for the gravitational wave detector VIRGO is designed to deliver a stable, continuous, single frequency 20 W beam at 1.064 μm. I first review the main requirements for the design of the laser source. Then I give the architecture and techniques used to stabilize the laser beam, and the performances of the system: until July 2002 the laser system was able to deliver a power of 2.7 W, with a frequency stability of 500 Hz rms, with a duty cycle greater than 90%. In the following part, I study the different noise sources and the way how they couple to the system in order to explain the lack of stability of the laser. I show that the local control contributes to increase the frequency noise and the power noise up to 10 Hz. Some mechanical resonances between 10 Hz to 1 kHz are identified, which can be eliminated by simplifying the corresponding mechanical structures. The resulting improvements should allow the system to fulfil the requirements.; La source laser pour le détecteur d'ondes gravitationnelles VIRGO a été conçue pour délivrer un faisceau stable, continu, mono mode de 20 W à 1.064 μm. Je rappelle dans un premier temps les principales contraintes auxquelles doit répondre la source laser. Je décris ensuite l'architecture du système et les techniques utilisées pour stabiliser le faisceau. Enfin je donne les principales performances obtenues jusqu'en juillet 2002 : puissance de 2.7W avec un niveau de stabilité en fréquence de 500 Hz rms pour un cycle utile de plus de 90%. Dans un second temps, j'étudie les principales sources de bruits et les processus de couplages pouvant expliquer le manque de stabilité du système. Je montre ainsi que le contrôle local utilisé contribue à augmenter le bruit de fréquence et de puissance jusqu'à 10 Hz. Des résonances mécaniques sont identifiées entre 10 Hz et 1 kHz. Ainsi la simplification de l'un des bancs devrait permettre au système de respecter les contraintes.

The laser source for the gravitational wave detector VIRGO is designed to deliver a stable, continuous, single frequency 20 W beam at 1.064 μm. I first review the main requirements for the design of the laser source. Then I give the architecture and techniques used to stabilize the laser beam, and the performances of the system: until July 2002 the laser system was able to deliver a power of 2.7 W, with a frequency stability of 500 Hz rms, with a duty cycle greater than 90%. In the following part, I study the different noise sources and the way how they couple to the system in order to explain the lack of stability of the laser. I show that the local control contributes to increase the frequency noise and the power noise up to 10 Hz. Some mechanical resonances between 10 Hz to 1 kHz are identified, which can be eliminated by simplifying the corresponding mechanical structures. The resulting improvements should allow the system to fulfil the requirements.; La source laser pour le détecteur d'ondes gravitationnelles VIRGO a été conçue pour délivrer un faisceau stable, continu, mono mode de 20 W à 1.064 μm. Je rappelle dans un premier temps les principales contraintes auxquelles doit répondre la source laser. Je décris ensuite l'architecture du système et les techniques utilisées pour stabiliser le faisceau. Enfin je donne les principales performances obtenues jusqu'en juillet 2002 : puissance de 2.7W avec un niveau de stabilité en fréquence de 500 Hz rms pour un cycle utile de plus de 90%. Dans un second temps, j'étudie les principales sources de bruits et les processus de couplages pouvant expliquer le manque de stabilité du système. Je montre ainsi que le contrôle local utilisé contribue à augmenter le bruit de fréquence et de puissance jusqu'à 10 Hz. Des résonances mécaniques sont identifiées entre 10 Hz et 1 kHz. Ainsi la simplification de l'un des bancs devrait permettre au système de respecter les contraintes.