Time Domain Quantum Light Source Based On Bright Spontaneous Parametric Down Conversion

Cette thèse fait progresser l’optique quantique dans le domaine temporel en réunissant théorie, ingénierie de source et expérimentation au sein d’une plateforme partiellement fibrée pour la génération de paires de photons brillantes et spectralement pures. Elle développe d’abord la fonction de Wigner chronocyclique et, par décomposition en valeurs singulières de sa version discrétisée, définit le nombre de Schmidt chronocyclique KC comme indicateur rigoureux de la pureté conjointe temps–fréquence indépendant du choix de base. Des simulations sur des peignes de fréquences modulés par de la dispersion et l’automodulation de phase, ainsi que des reconstructions complètes obtenues grâce à un montage SHG-FROG, confirment que cette approche reconstruit fidèlement les statistiques du champ et relie KC au nombre de Schmidt conventionnel qui quantifie l’intrication spectrale des états biphotoniques issus du processus SPDC. À l’aide de ce métrique, un source femtoseconde clé en main est réalisée. Un laser à fibre dopée à l’erbium auto-synchronisé, géré en dispersion, livre des impulsions de 1560 nm avec 228 mW de puissance moyenne à 121.6 MHz et une compression en espace libre les réduit à 110 fs. Puis un cristal périodiquement polarisé MgO:PPLN double la fréquence avec 45% de rendement pour fournir une pompe de 780 nm avec une puissance moyenne de 91 mW. L’analyse chrono-cyclique montre que l’impulsion fondamentale (KC = 1.64) et son harmonique (KC = 1.18) s’approche la limite monomode, satisfaisant ainsi les exigences de pureté des interactions non linéaires quantiques. Enfin, le processus SPDC de type II femtoseconde est démontrée dans un cristal de niobate de lithium périodiquement polarisé. Une cartographie par seconde harmonique inverse classique fixe l’accord de phase optimal à une périodicité de 10 µm et 135 ◦C, prédisant 5 × 105 paires s−1 en régime de faible gain. Sous illumination de la source ci-haut décrite, ces conditions génèrent des faisceaux actifs et oisifs collinéaires avec une polarisation orthogonal et une brillance mesurée d’environ 6.9×106 paires s−1. Ensemble, le cadre théorique, le pompe haute pureté et la source SPDC de démonstration posent les bases d’un système fibrés capable de fournir des paires de photons dégénérées à large bande pour la métrologie quantique et la tomographie optique cohérente à faible dose et haute résolution.

Abstract

This thesis advances time-domain quantum optics by uniting new theory, source engineer-ing, and experiment into a single fiber-based platform for bright, spectrally pure photon-pair generation. The chronocyclic Wigner-function formalism is first developed and, through a singular-value decomposition of the discretized distribution, yields the chronocyclic Schmidt number KC as a rigorous, mode-agnostic gauge of joint time–frequency purity. Numeri-cal studies on dispersion- and self-phase-modulation-shaped frequency combs, together with full reconstructions acquired on an in-house SHG-FROG apparatus, confirm that the SVD faithfully reproduces field statistics and links KC to the conventional Schmidt number that quantifies spectral entanglement in biphoton SPDC states. Building on this metric, a turn-key femtosecond pump is realized: a dispersion-managed, mode-locked Er-fiber laser delivers 228 mW, 1560 nm pulses at 121.6 MHz; free-space com-pression shortens them to 110 fs, and a MgO-doped PPLN crystal doubles the frequency with 45% efficiency, providing a 91 mW, 780 nm pump. Chronocyclic analysis shows that both the fundamental (KC = 1.64) and frequency-doubled (KC = 1.18) pulses approach the single-mode limit, satisfying the stringent purity requirements of quantum nonlinear optics. Finally, femtosecond type-II SPDC is demonstrated in a periodically poled lithium-niobate bulk crystal. Classical backward-SHG mapping identifies optimal phase matching at a 10 µm grating and 135◦C, predicting 5 × 105 pairs s−1 in the low-gain regime. Under the engineered pump these conditions yield collinear, cross-polarised signal and idler beams with a measured brightness of ∼ 6.9 × 106 pairs s−1. Together, the theoretical framework, high-purity pump, and proof-of-concept SPDC source lay the groundwork for a turnkey, fiber-based system capable of delivering broadband, degenerate photon pairs for quantum-enhanced metrology and low-dose, high-resolution optical coherence tomography.