Génération et manipulation de peignes de fréquences quantiques multimodes

This thesis studies theoretically and experimentally the quantum properties of Synchronously Pumped Optical Parametric Oscillators (SPOPO). A symplectic formalism allows us to derive the SPOPO's input-output relations for the quantum field, both in time and frequency domain. We predict that the generated field is highly multimode, and its squeezed modes are frequency combs with different spectral/temporal profiles. This is experimentally demonstrated using a SPOPO composed of a ring cavity and a nonlinear cristal pumped by a train of femtosecond pulses at 400 nm. The obtained states are mesured by a homodyne detection with a pulse-shaped local oscillator. This technique allows the reconstruction of a covariance matrix in a basis of frequency pixels and highlights the existence of quantum correlations between different regions of the optical spectrum. By diagonalizing the covariance matrix, one gets the noise-decorrelated modes and their compression level. We have observed the generation of states described by at least 4 squeezed and decorrelated modes propagating in the same beam. Recent results show states containing up to 8 squeezed co-propagating modes, which paves the way for scalable generation of highly multimode states of light.Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale et théorique des propriétés quantiques d'un Oscillateur Paramétrique Optique pompé en mode synchrone (SPOPO) en dessous du seuil. Les relations d'entrée-sortie du champ quantique sont établies pour un tel dispositif en utilisant un formalisme symplectique à la fois en temps et en fréquence. On prédit que le champ produit est dans un état fortement multimode où les modes comprimés sont des peignes de fréquences de différents profils spectraux/temporels. On le démontre expérimentalement à l'aide d'un SPOPO composé d'une cavité en anneau et un cristal non-linéaire pompé par un train d'impulsions femtoscondes à 400 nm. Les états générés sont mesurés par une détection homodyne avec mise en forme de l'oscillateur local. Cela permet la construction d'une matrice de covariance dans une base de pixels de fréquences et la mise en évidence des corrélations quantiques entre les différentes régions du spectre optique. La diagonalisation de cette matrice donne les modes décorrélés en bruit et les niveaux de compression de bruit respectifs. La génération d'états décrits par au moins 4 modes décorrélés dans des états comprimés se propageant dans le même faisceau a été démontrée. Les résultats plus récents montrent des états à 8 modes, ouvrant la voie à la génération extensible d'états fortement multimodes de la lumière