Literatura académica sobre el tema "Nanofibres optiques"

Cette thèse de doctorat porte sur l'étude d'effets optiques non linéaires d’ordres 2 et 3 dans des nanofibres optiques de silice qui sont des fibres optiques étirées jusqu'à atteindre des diamètres de l'ordre de la longueur d'onde.La première application étudiée est la réalisation de convertisseurs de longueur d’onde dans le visible en régime sub-nanoseconde, domaine peu couvert par les sources impulsionnelles actuelles. Le principe de ces convertisseurs repose sur la diffusion Raman stimulée dans le champ évanescent d’une nanofibre optique de silice baignée dans un liquide. En définissant et optimisant leur domaine de fonctionnement, nous avons atteint des efficacités de conversion externes de l'onde de pompe à 532 nm vers le premier ordre Stokes de l'éthanol à 630 nm proches de 60%. Les performances de nos convertisseurs sont très répétables et ouvrent la voie à une nouvelle famille de convertisseurs de longueur d'onde très compacts, efficaces, fiables et entièrement fibrés.La seconde application visée concerne l'étude d'une source de paires de photons corrélés émettant autour de 1,5 μm pour les télécommunications quantiques. Notre source est basée sur le mécanisme de fluorescence paramétrique à la surface d’une nanofibre optique de silice. Dans l'accord de phase modal étudié, l'onde de pompe est émise sur le mode TM01 à 775 nm et les paires de photons corrélés sont générées autour de 1,5 microm sur le mode fondamental HE11, avec l'avantage de pouvoir se recoupler avec un minimum de pertes dans un réseau fibré. Nos études ont principalement porté sur le choix de la fibre standard permettant d'optimiser l'efficacité du mécanisme, la conception de la nanofibre et de ses tapers ainsi que la mise en place d'expériences préliminaires pour l'excitation de modes d'ordre supérieur
In this PhD thesis we study 2nd and 3rd order optical non-linearities in optical nanofibers, which are obtained by stretching standard fibers until their diameter becomes of the order of magnitude of the wavelength. The first application is the realization of wavelength converters in the visible range in the sub-ns regime, range which is only minimally covered by pulsed sources. The principle of these converters is to use stimulated Raman scattering in the evanescent field immersed in a liquid. By defining and optimizing their operating range, we have reach external conversion efficiencies from the pump at 532 nm to the first Stokes order of ethanol at 630 nm near to 60%. The performances of our converters are very repeatable and open the way to a new family of very compact, reliable and all-fibered components.The second application is the study of a source of correlated photon pairs for quantum telecommunications. Our source is based of parametric fluorescence on the surface of a silica nanofiber. In the phase-matching we propose, the pump wave is emitted on the mode TM01 at 775 nm and the photon pairs are emitted around1.5 μm in the fundamental mode, enabling a recoupling with only a few losses in the optical network. Our study mainly concern the choice of the standard fiber enabling to optimize the efficiency of the mechanism, the conception of the nanofiber and its tapers as well as the implementation of preliminary experiments for the excitation of high ordrer modes

Les sources de paires de photons corrélés sont des composants clés nécessaires aux réseaux de télécommunications quantiques. Réaliser directement ces sources à partir de fibres optiques permet de minimiser les pertes d'insertion. Nous proposons de concevoir une telle source à partir d'une fibre optique étirée. La fibre étirée possède un diamètre pouvant descendre à moins de 500 nm sur une longueur de quelques centimètres. Le faible diamètre de la section étirée favorise les effets non linéaires, tandis que les sections non étirées permettent de connecter avec de très faibles pertes cette fibre étirée avec les fibres des réseaux de télécommunication.Dans cette thèse, nous présentons donc une conception d’une nouvelle source de photons corrélés totalement fibrée à base de fibres standard de télécommunications (SMF28) étirées. Pour produire ces paires de photons nous utiliserons la fluorescence paramétrique due à la brisure de symétrie à la surface de la nanofibre en silice.Nous avons développé une technique de mesure par microscopie optique, qui permet de mesurer tout le profil de la fibre étirée avec une résolution nanométrique bien au-delà de la limite de diffraction.En parallèle, nous avons modélisé la susceptibilité non linéaire de surface de second ordre en prenant en compte l’aspect vectoriel de la propagation du champ optique dans une microfibre à deux ou trois couches. Dans un second temps, nous définissons les accords de phase modaux qui sont nécessaires pour l’obtention d’une forte fluorescence paramétrique. Nous dimensionnons cette nanofibre pour une bonne optimisation de l’efficacité de génération des paires. L'ensemble du processus de création de photons sera modélisé
Sources of correlated photon pairs are key components required for quantum telecommunications networks. Implementing these sources directly with optical fibers minimizes the insertion losses. We propose to design such a source from a tapered optical fiber.The tapered fiber has a diameter lower than 500 nm over a length of a few centimeters. The small diameter of the tapered section favors the non-linear effects, while the unstretched sections make it possible to connect this tapered fiber with the fibers of the telecommunication networks with very low losses.In this thesis, we present a design of a new source, fully fibered of correlated photons based on standard telecommunications tapered fibers (SMF28). To produce these pairs of photons we will use the parametric fluorescence due to symmetry breaking at the surface of a silica nanofiber.We have developed an optical microscopy measurement technique to measure all the profile of tapered fibers with nanometer resolution far beyond the diffraction limit.In parallel, we modeled the second-order nonlinear surface susceptibility by taking into account the vector aspect of the propagation of the optical field in a two or three-layered microfiber. In a second step, we define modal phase matchings that are necessary to obtain a strong parametric fluorescence. We size this nanofiber for a good optimization of pairs generation efficiency. The entire process of photon creation will be modeled

Les interactions opto-acoustiques sont des phénomènes physiques à l’interface entre les domaines de l'optique et de l'acoustique. Cette thèse porte sur une investigation théorique et expérimentale d’effets opto-acoustiques basés sur la diffusion Brillouin dans des nanofibres optiques de silice. Grâce à leurs dimensions transverses inférieures aux longueurs d’onde optiques infrarouges, ces guides possèdent des propriétés uniques, ouvrant la voie à des applications pour la réalisation de capteurs, le traitement du signal et l'information quantique. Nous présentons dans ce manuscrit un nouveau procédé de fabrication de nanofibres optiques à haute transmission, basé sur une approche qui améliore la flexibilité dans la conception des guides. Cette avancée permet notamment de concevoir des guides sur mesure pour favoriser certains effets opto-acoustiques, tels que la diffusion Brillouin intermodale ou stimulée. La caractérisation du spectre Brillouin des nanofibres est réalisée pour la première fois dans le régime de diffusion stimulée, mettant en avant un forte efficacité de l’interaction sur les différentes résonances acoustiques. Le gain Brillouin intrinsèque dans une nanofibre a été mesuré et est jusqu'à 40 fois supérieur au gain d'une fibre standard SMF-28. À notre connaissance, cela représente la première démonstration d'un effet laser Brillouin dans une nanofibre. Une investigation théorique et expérimentale d’une interaction spin-orbite opto-acoustique par diffusion Brillouin dans une nanofibre optique est réalisée. Le phénomène est une conséquence directe de la conservation du moment angulaire. Ce principe fondamental impose ici un échange entre le degré de spin de la lumière incidente, incarné par sa polarisation, le moment angulaire orbital de l'onde-vortex acoustique TR21, et le spin de l'onde Brillouin diffusée. Enfin, nous implémentons une mémoire opto-acoustique Brillouin sensible à la polarisation dans une nanofibre, qui permet d'envisager le stockage de l’état de polarisation de la lumière au sein d'une onde acoustique et un traitement opto-acoustique de l'information
Opto-acoustic interactions are physical phenomena at the interface between the fields of optics and acoustics. This thesis focuses on a theoretical and experimental investigation of Brillouin scattering opto-acoustic effects in silica optical nanofibers. Due to their transverse dimensions being smaller than optical wavelengths, these waveguides exhibit unique properties, paving the way for applications in sensing, signal processing, and quantum information. In this manuscript, we present a new high-transmission optical nanofiber fabrication model based on an approach that enhances design flexibility for waveguides. This advancement allows for the custom design of waveguides to favor specific opto-acoustic effects, such as intermodal or stimulated Brillouin scattering. For the first time, the Brillouin spectrum characterization of nanofibers is conducted in the stimulated scattering regime, highlighting a strong interaction efficiency across different acoustic resonances. The intrinsic Brillouin gain in a nanofiber has been measured to be up to 40 times higher than that of a standard SMF-28 fiber, enabling the demonstration of a Brillouin laser effect in the nanofiber. A theoretical and experimental investigation of opto-acoustic spin-orbit interaction via Brillouin scattering in an optical nanofiber is also carried out. The phenomenon is a direct consequence of the fundamental principle of angular momentum conservation, which involves an exchange between the spin degree of the incident light, embodied by its polarization, the orbital angular momentum carried by the TR21 acoustic vortex, and the spin of the scattered light. Finally, we implement a polarization-sensitive Brillouin opto-acoustic memory in a nanofiber, opening the way to storing information on the polarization state of light within an acoustic wave

Cette thèse est consacrée à l'étude du couplage d'émetteurs de photons uniques avec des nanostructures photoniques en utilisant les propriétés du champ proche d'une structure photonique en vue de la réalisation d'une source à photons uniques intégrée et compacte pour des applications quantiques. La première partie de mon travail de thèse a été consacrée à l'optimisation des nanocristaux de pérovskites. Bien que les nanocristaux de pérovskites soient des sources de photons uniques très prometteuses, ils nécessitent encore des améliorations : dans ce travail, je passe en revue les principales propriétés de ces émetteurs et je présente une caractérisation complète des nanocristaux de pérovskites avec une photo-stabilité améliorée, un clignotement réduit et un fort dégroupement de photons. Dans la deuxième partie de la thèse, je me concentre sur le couplage des émetteurs quantiques avec diverses structures photoniques : à savoir les nanofibres optiques effilées et les guides d'ondes à échange d'ions. La méthode de fabrication et les propriétés optiques des nanofibres sont décrites en détail et le couplage d'un nanocristal de pérovskite unique avec une nanofibre est réalisé, ce qui constitue une preuve de principe d'une source hybride et intégrée de photons uniques. Enfin, je montre comment le champ proche autour des guides d'ondes d'échange d'ions peut être utilisé avec la polymérisation en champ proche pour piéger des émetteurs quantiques sur les guides d'ondes
This thesis is devoted to the study of the coupling of single-photon emitters with photonic nanostructures by using the properties of the near field of a photonic structure in view of the realization of a compact integrated single-photon source for quantum applications. The first part of my thesis work was consecrated to the optimization of perovskites nanocrystals. Although perovskites nanocrystals are very promising single-photon sources, they still need improvements: in this work, I review the main properties of these emitters and present a full characterization of perovskite nanocrystals with improved photo-stability, reduced blinking ad strong antibunching. In the second part of the thesis, I focus on the coupling of quantum emitters with various photonic structures: namely the tapered optical nanofibers and the ion-exchange waveguides. The fabrication method and the optical properties of the nanofibers are described in detail and the coupling of a single perovskite nanocrystal with a nanofiber is achieved, which constitutes a proof of principle of a hybrid integrated single-photon source. Finally, I show how the near field around ion Exchange waveguides can be employed together with near-field polymerizations to trap single-photon emitters onto the waveguides

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’étude expérimentale de systèmes hybrides dans lesquels des nanoémetteurs sont couplés à des nanofibres optiques. Un système hybride vise à combiner les atouts des éléments qui le constituent. Une nanofibre offre une interface lumière/matière unique: directement intégrable au réseau de fibres optiques, elle confine la lumière "à la limite de diffraction" sur toute sa longueur. De plus, le confinement transverse de la lumière dans une fibre sub-longueur d’onde implique un champ électrique « exotique », en particulier la présence d’une composante longitudinale du champ électrique. Dans cette thèse nous tirons parti de ces propriétés et nous présentons une expérience mettant en jeu un phenomène de bielle-manivelle optique afin de modifier la polarisation du rayonnement d’un émetteur à la surface de la nanofibre. Sur la base du système nanoparticule + nanofibre optique, nous présentons également une “règle optique” permettant de localiser la nanofibre à 5 nanomètres près. Ceci ouvre une voie dans l’étude optomécanique des nanofibres optiques
In this thesis, we present an experimental study of hybrid systems where nano-emitters are coupled to optical nanofibers. The strong transverse confinement of light in sub-wavelength fibres implies an “exotic” electric field (longitudinal electric field component, inhomogeneous polarisation etc.) that we use in order to alter the radiation properties of nano-emitter placed at the surface of the nanofiber. Based on the same system : nano-particle + nanofibre, we developped an “optical ruler” to localise the nanofiber with nanometer precision. This open the way to the study of nanofibre optomechanics

Le couplage de guides d'ondes nanoscopiques et d'atomes froids a récemment ouvert de nouvelles voies de recherche. Le guide d'onde dans notre cas est une nanofibre qui confine la lumière transversalement à une échelle inférieure à la longueur d'onde. La lumière guidée présente un fort champ évanescent permettant une interaction atome-photon exaltée au voisinage de la nanofibre. Dans notre expérience, un nuage atomique froid est d'abord superposé à une nanofibre optique. Puis, en utilisant un piège dipolaire via le champ évanescent de la nanofibre, les atomes froids sont piégés à proximité de sa surface. Avec cette plateforme, nous avons obtenu des épaisseurs optiques élevées OD ~ 100 et de longues durées de vie ~ 25 ms en utilisant un schéma de piégeage qui préserve les propriétés internes des atomes. Une direction intéressante est alors d'explorer les effets collectifs résultant de l'ordre spatial des atomes. Lorsque la période du réseau est proche de la longueur d'onde de résonance, une réflexion de Bragg aussi élevée que 75% est observée. Cette réflexion dépend de la polarisation de la sonde par rapport aux réseaux atomiques - une signature de la chiralité dans les systèmes à guide d'ondes nanoscopiques. La possibilité de contrôler le transport de photons dans les guides d'ondes couplés à des systèmes de spin permettrait de nouvelles fonctionnalités pour les réseaux quantiques et l'étude d'effets collectifs résultant d'interactions à longue distance
The coupling of cold atoms to 1D nanoscale waveguides have opened new avenues of research. The waveguide in our case is a nanofiber, which confines light transversally to a subwavelength scale. The guided light exhibits a strong evanescent field allowing enhanced atom-photon interaction in the vicinity of nanofiber. In our experiment, a cold atomic cloud is first interfaced with an optical nanofiber. By using an optical lattice in the evanescent field, the atoms are then trapped in 1D atomic arrays close to the nanofiber. In this platform, we reach high optical depth OD ~ 100 and long lifetimes ~ 25 ms by using a dual-color compensated trapping scheme that preserves the internal properties of atoms. In this thesis, we explore collective effects emerging from the spatial ordering of atoms. When the period of the lattice is made close to commensurate with the resonant wavelength, Bragg reflection, as high as 75%, is observed. The reflection shows dependency on orientation of the probe polarization relative to the atomic arrays - a chiral signature in nanoscale waveguide-QED systems. The ability to control photon transport in 1D waveguides coupled to spin systems would enable novel quantum networking capabilities and the study of many-body effects arising from long-range interactions

Cette thèse porte sur les mélanges d’onde non linéaires qui peuvent avoir lieu dans le champ évanescent de nanofibres de silice. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à la diffusion Raman stimulée qui est obtenue par l’interaction du champ évanescent très intense et un liquide non linéaire dans lequel baigne la nanofibre. Afin de mettre en évidence la diffusion Raman stimulée« évanescente », nous avons développé un modèle de simulation non linéaire dont le but est de déterminer les caractéristiques des nanofibres à réaliser. Le gain Raman modal est calculé afin de trouver le rayon optimal des nanofibres pour chaque liquide ou mélange de liquides possible. En considérant la puissance critique et le seuil de dommage de nos nanofibres, nous avons déduit la longueur minimale d’interaction. Les conditions d’adiabacité des parties évasées menant à la nanofibre sont également discutées. Ces spécifications nous ont amenés à développer une plateforme de tirage de nanofibres spécifiquement dédiée à ces expériences de non-linéarités évanescentes. Cette palteforme nous permet de tirer des nanofibres de diamètre allant jusqu’à 200 nm sur des longueurs de 10 cm, avec plus de 90% de transmission. Avec ces nanofibres, nous avons mis en évidence le premier ordre Stokes de l’éthanol dans le champ évanescent d’une nanofibre, ainsi que les premier et second ordres Stokes du toluène. Ces premières expériences sont en très bon accord avec nos simulations et ouvrent la voie à de nombreuses expériences en optique non linéaire
The present PhD thesis explored nonlinear wave mixing with the strong evanescent field of nanofibers. The focus has been on the effect of stimulated Raman scattering which is activated by the interaction between such a strong evanescent field and the nonlinear liquid surrounding the nanofiber. In order to observe the stimulated Raman scattering, we investigated the nonlinear modeling to determine the needed characteristics of the nanofibers. The modal Raman gain was calculated to determine the optimal radius of nanofibers for each possible liquid. Considering the critical power and the damage threshold of our nanofibers, we found the minimum required interaction length. The condition of adiabacity of the tapers was also described. These specifications of nanofibers guide us towards the design of a proper pulling system. Several pulling systems and techniques are investigated for the fabrication of our specific nanofibers. We now are able to fabricate low loss uniform nanofibers of up to 10 cm long, a diameter down to 200 nm, with two identical low loss tapers by using our own designed translation stage pulling platform and implemented with the “variable heat brush” technique. With the achieved nanofibers, the Raman effect induced in the evanescent field was observed in both pure (ethanol) and binary mixture (toluene in ethanol) liquids. These first measurements are in good agreement with our simulation even without any fitting parameters in the modeling

Cette thèse a consisté à mettre en place une nouvelle expérience utilisant des atomes froids en interaction avec la lumière guidée par une nanofibre optique. Nous avons tout d'abord développé un banc de fabrication de nanofibres. En chauffant et étirant une fibre optique commerciale, on obtient un cylindre de silice de 400 nm de diamètre. La lumière guidée dans ces nanofibres est fortement focalisée sur toute la longueur de la fibre et exhibe de forts champs évanescents, ce qui permet d'obtenir une grande profondeur optique avec un faible nombre d'atomes. Après avoir inséré une nanofibre au milieu d'un nuage d'atomes, nous avons observé le phénomène de lumière lente dans les conditions de transparence électromagnétiquement induite. Nous avons aussi stoppé la lumière guidée et mémorisé l'information qu'elle contenait. Nous avons montré que ce protocole de mémoire optique fonctionne pour des impulsions lumineuses contenant moins d'un photon en moyenne. Ce système pourra donc être utilisé comme une mémoire quantique, un outil essentiel pour les futurs réseaux de communication quantique. Enfin, nous avons piégé les atomes dans un réseau optique au voisinage de la nanofibre grâce à de la lumière guidée par celle-ci. Par rapport à notre première série d'expériences, le nuage ainsi obtenu a un temps de vie plus long (25 ms) et interagit plus fortement avec la lumière guidée (OD ~ 100). Ce nouveau système devrait permettre d'implémenter efficacement d'autres protocoles d'optique quantique, comme la génération de photons uniques et l'intrication de deux ensembles atomiques distants
We built a new experiment using cold atoms interacting with the light guided by an optical nanofiber. We first developed a nanofiber manufacturing bench. By heating and stretching a commercial optical fiber, a silica cylinder of 400 nm diameter is obtained. The light guided in these nanofibers is strongly focused over the whole length and exhibits strong evanescent fields. We then prepared a vacuum chamber and the laser system necessary for the manipulation of cold atoms. After inserting a nanofiber amid a cloud of cold atoms, we observed the phenomenon of slow light under the conditions of electromagnetically induced transparency: the light guided by the fiber is slowed down to a speed 3000 times smaller than its usual speed. We also stored the light guided by an optical fiber. After several microseconds, the information stored as a collective atomic excitation could be retrieved in the fiber. We have shown that this optical memory works for light pulses containing less than one photon on average. This system may therefore be used as a quantum memory, an essential tool for future quantum communication networks. Finally, we trapped atoms in an array in the vicinity of the nanofiber thanks to the light guided by the latter. Compared to our first set of experiments, the resulting cloud has a longer lifetime (25 ms) and interacts more strongly with the guided light (OD ~ 100). This new system should allow to efficiently implement other quantum optics protocols, such as the generation of single photons, or the entanglement of two remote atomic ensembles

Cette thèse traite des interactions entre des photons guidés par une nanofibre optique et des réseaux d'atomes piégés. Notre montage expérimental consiste en un piège dipolaire bicolore compensé, généré dans le champ évanescent d'une nanofibre et permettent de piéger des atomes de césium de part et d'autre de la fibre. Une épaisseur optique de plus de 130 est obtenue avec quelques milliers d'atomes seulement. Nous démontrons la capacité de préparer les atomes piégés dans un sous-niveau Zeeman unique, bien qu'avec une efficacité limitée. Cette étape est importante pour la réalisation de mémoires quantiques avec de longs temps de vie avec notre plateforme fibrée. Le résultat principal que nous présentons est la réalisation d'une excitation collective unique dans l'ensemble d'atomes. L'excitation est annoncée par la détection d'un photon émis dans le mode guidé. Nous sommes alors capables de lire l'état atomique et récupérer un photon unique dans le mode guidé avec une efficacité jusqu'à 25%. Ce résultat consiste en une première démonstration d'un état atomique intriqué, couplé préférentiellement à un guide d'onde, une étape importante dans le contexte de l’électrodynamique quantique avec des guides d'ondes
This thesis focuses on the study of interactions between photons guided by an optical nanofiber and arrays of trapped atoms. Our experimental setup consists in a two-color compensated dipole trap located in the evanescent field of an optical nanofiber in a ultra-high vacuum chamber. Cold cesium atoms are trapped in two 1D arrays above and below the nanofiber. An optical depth of over 130 is achieved with only a few thousand atoms. We demonstrate the ability to prepare the trapped atoms in a single Zeeman sub-level, albeit with limited efficiency. This is an important step towards the realization of a long-lived quantum memory with our fibered platform. The main result of this thesis concerns the initialization of a single collective excitation coupled to the nano-waveguide. The excitation is heralded by the detection of a Raman scattered photon in the nanofiber. We are then able to readout the atomic state and retrieve a single photon in the guided mode with an efficiency of up to 25%. This result is the first demonstration of an atomic entangled state preferentially coupled to a waveguide. It is a milestone in the context of the emerging waveguide-QED approach, with applications to quantum networking, quantum non-linear optics and quantum many-body physics

Ce travail de thèse comporte un volet Matériaux qui s'insère dans une thématique Nanomatériaux/ Nanocomposites et un volet propriétés optiques relevant de la Nanophysique. Nous avons adressé les effets de nanostructuration d'un polymère conjugué semi-conducteur sur ses propriétés d'émission optique : le poly(p-phénylène vinylène) (PPV). Deux types de nanostructuration sont mis en oeuvre : l'élaboration de films minces nanocomposites polymère / nanotubes de carbone (NTC) ; l'élaboration de nanofibres. Les films minces nanocomposites PPV/NTC sont préparés par “drop-casting” pour diverses concentrations de NTC et dilutions du précurseur du PPV. Leurs propriétés optiques se trouvent fortement modifiées par ces différents paramètres. L'effet sur la photoluminescence de l'interaction entre chaînes de polymère et les NTC est discuté. Les nanofibres de PPV sont élaborées par une méthode d'imprégnation de membranes nanoporeuses. Selon les conditions de synthèse, deux types de morphologie sont obtenus : nanofils ou nanotubes. Des propriétés de photoluminescence très différentes selon la morphologie nanofil-nanotube sont mises en évidence. Ainsi, pour les nanotubes de PPV, le rendement quantique d'émission est fortement renforcé et une nouvelle bande d'émission proche de 450 nm apparaît, présentant un déclin très lent. L'ensemble des résultats de photoluminescence est interprété et discuté à l'aide d'un travail théorique visant à décrire la structure moléculaire et supramoléculaire de ces nanostructures en terme de distribution de segments conjugués (effets intrachaîne/interchaîne, taille des segments). Il s'appuie sur un modèle phénoménologique et sur des calculs de chimie quantique moléculaire.