Th. doct.-ing.--Électronique, électrotech., autom.--Toulouse--I.N.P., 1980. N°: 108.

Th.--Sci. phys.--Paris 13--Bobigny, 1981. / Rés.

Th.--Sci. phys.--Lille 1, 1978. N°: 439. / Rés. de la th.

Th. doct.-ing.--Grenoble, I.N.P.G., 1979. N°: DI 88.

L'objectif de ce travail est de réaliser des substrats pour l’effet SEIRA (surface enhanced IR absorption) pour mesurer de faibles volumes de gaz ambiants possédant une signature moléculaire de 3,3 μm à 5,1 μm en exploitant la forte amplification de champ électrique due à la résonance plasmon de surface localisés. A cette fin, nous avons démontré la modulation des résonances de plasmon de surface localisées MIR (LSPR) dans les nanocristaux de ZnO dopés (NCs) dopés à Ga ou Al ainsi que dans des nanofils (NWs) de ZnO dopés Ga (GZO) et dans des nanofils coeur/coquille de ZnO/GZO. En ce qui concerne l’accordabilité de MIR LSPR dans les NC, nous avons modulé la résonance plasmon de surface dans des NC de ZnO dopés Ga et Al, de 3 à 5 μm en faisant varier la teneur en Al et en Ga de 3 à 9 at.%. L’incorporation des dopants s’est révélée homogène jusqu’à 6%. Au-delà (9%), l’incorporation était fortement hétérogène, révélant que la limite de solubilité était atteinte. Les NC présentent une faible activation des impuretés. L'activation était aussi faible que 8%. Les LSPR présentaient également un fort élargissement (largeur-à-mi-hauteur FWHM). Pour accroitre l'activation des dopants, nous avons synthétisés les NC dans des conditions pauvres en O et en passivant les NC synthétisés dans des conditions riches en O (en les isolant dans des matrices telles que Al2O3 et SiO2). Nous avons ainsi augmenté l'activation de 8% à 20% pour les deux stratégies. De plus, l'incorporation des NC dans les matrices a réduit l'élargissement spectral de moitié (de 2200 cm-1 pour les NC déposés à 1100 cm-1 pour les NC noyés en matrice). En correspondance, les effets d’auto-assemblage des nanocristaux sur leur LSPR ont été modélisés par simulation FDTD. Cela a fourni des indications quant aux mécanismes responsable de l’élargissement inhomogènes des LSPR de nanocristaux de GZO. Outre les nanoparticules, nous avons étudié des nanofils ZnO dopés Ga (GZO) et coeur/coquille (ZnO/GZO) synthétisés par CVD d’organométalliques . La première conclusion importante est que le gallium produit un fort effet surfacatnt lors de la croissance MOCVD de GZO. Au lieu de former des nanofils de section hexagonale, l’introduction de Ga modifie nettement l’énergie de surface des faces latérales et conduit à al formation de structures de type « sapins de Noël ». Ce constat est aussi valable pour les coquilles de GZO déposées sur coeur de ZnO. Dans ce cas, les coquilles démouillent et forment des structures hiérarchiques en branches. Concernant les propriétés optiques de ces objets, les mesures de FTIR-photo acoustiques ont démontré une signature d’absorption reliée à la présence de Ga et pouvant être accordée selon la teneur en Ga. Cette absorption reproduit le comportement d’une résonance plasmon de surface. Cette résonance a pu être accordée de 1600 à 1900 cm-1. / The scope of this thesis is about developing SEIRA (surface enhanced IR absorption) platform to probe low volumes of environmental gases that possess molecular signature from 3.3 μm to 5.1 μm leveraging the high field amplification of localised surface plasmon resonance (LSPR). To realise SEIRA, we demonstrated tuning MIR LSPR in Al or Ga doped ZnO nanocrystals (NCs) as well as in GZO or core-shell (ZnO/GZO) nanowires (NWs). Regarding tuning MIR LSPR in NCs, we demonstrated tunable MIR LSPR in Ga and Al doped ZnO NCs from 3 to 5 μm varying the Al or Ga content from 3 to 9 at.%. The incorporation of dopant was homogeneous up to 6%. At 9% dopant concentration, the incorporation was inhomogeneous, revealing the solubility limit has been reached. However, the NCs exhibited low activation of impurities. The activation was as low as 8%. The LSPR were characterised by large broadening as well. In order to enhance the dopant activation, we synthesized the NCs in O-poor conditions as well as passivated the NCs fabricated in O-rich condictions (by isolating and embedding them in matrices such as Al2O3 and SiO2 matrices). Both strategies improved the dopant activation from 8% up to 20%. Moreover, for assemblies of NCs dispersed in matrices, the broadening (FWHM) of the LSPR was reduced by half (from 2200 cm-1 in as-deposited NCs to 1100 cm-1 in embedded NCs). Correspondingly, the effect of the self-assembly of the nanocrystals on their LSPR was modeled by FDTD simulation and provided hindsight into the mechanisms responsible for the heterogeneous broadening of the LSPR. Finally, we have studied Ga-doped ZnO (GZO) and core-shell (ZnO/GZO) NW synthesized by MOCVD. The first important conclusion is that Ga plays a major surfactant role during the MOCVD growth of GZO. Instead of leading to hexagonal NWs, the introduction of Ga during the synthesis led to faceted “Christmas-tree” like architectures. The same observation held for core-shell ZnO-GZO nanowires; in the latter case, the GZO shell resulted in a dewetting branched architecture. Regarding their optical properties, photo-acoustic FTIR measurements revealed an absorption feature related to the Ga content, likely to be assigned to a plasmonic effect. This resonance could be tuned from 1600 to 1900 cm.

Dans ce travail de thèse tant théorique que numérique, on étudie les différentes instabilités pouvant se développer dans un milieu poreux saturé par un fluide viscoélastique et chauffé par le bas. La formulation mathématique des équations de ce problème repose sur la loi phénoménologique de Darcy généralisée à un fluide viscoélastique vérifiant l’approximation de Boussinesq. Ce problème admet une solution de conduction, et on trouve que deux types de structures sont susceptibles d’apparaître lorsque l’état de conduction perd sa stabilité : des structures stationnaires et des structures oscillatoires. Les seuils d’apparition de ces structures sont étudiés en fonction des paramètres adimensionnés du problème, à savoir le nombre de Rayleigh, les temps de relaxation et de retardation associés à l’élasticité du fluide. Une étude linéaire et non linéaire est donc menée. Il est intéressant de noter qu’une compétition entre les structures stationnaires et oscillatoires peut exister au voisinage d’un point appelé point de codimension 2. Une analyse non linéaire est donc menée au voisinage de ce point et est confrontée aux résultats issus des simulations numériques. Enfin, s’appuyant sur les propriétés de mélanges binaires des fluides viscoélastiques, une étude théorique est réalisée et nous montrons qu’il y a une compétition entre deux régimes : un régime où la viscoélasticité est dominante et un autre où l’aspect mélange binaire l’emporte. Ce résultat permet d’expliquer certaines observations expérimentales. / In this theoretical and numerical work, we study differents instabilities which can develop in a porous media saturated by viscoelastic fluid and heated from below. The mathematical formulation of the equations of this problem is based on phenomenological Darcy law generalized to a viscoelastic fluid verifying Boussinesq estimate. This problem admits a solution of conduction, and we find that two types of structures may appear when the conduction state loses his stability : stationary and oscillatory structures.The apparition thresholds of these thermo-convectives structures are studied and depend on the non-dimensionnalized parameters of the problem, Rayleigh number, relaxation and retardation time associated to the fluid elasticity. A linear and non linear stability is also realized. It is interesting to note that it can have a competition between stationary and oscillatory structures near a point named codimension 2 point. A linear analysis is also realized near this point and is compared to the numerical simulation results.Finally, by taking into account binary mixtures properties of the viscoelastic fluids, a theoretical study is realized and we show that there is a competition between two states : a state in which viscoelasticity is dominant and another state in which binaries properties are also dominants. This result can explain experimental observations.

Le présent travail concerne la synthèse, la caractérisation et l’étude des propriétés physico-chimiques d’une série de quatre bases de Schiff pentadentées et de leurs complexes de nickel(II) et de cuivre(II), dans différents milieux isotropes et anisotropes. Une étude bibliographique a d’abord été réalisée à propos de la synthèse des bases de Schiff, de leurs modes de coordination en solution et à l’état solide, des propriétés physico-chimiques des cristaux liquides purs et dopés, ainsi que de leurs vertus multiples et de leurs différentes applications. Après élaboration et caractérisation structurale des différents ligands organiques, leurs modes de coordination à l’état solide et leurs comportements en solution vis-à-vis du nickel(II) et du cuivre(II) ont été explorés. Différentes stœchiométries (ML, M2L, ML2ou M2L2) ont été établies en solution et à l’état solide, selon la structure du ligand organique impliqué, la nature du milieu et celle de l’ion métallique. Des configurations plan carré, octaédrique et parfois tétragonale ont été mises en exergue dans les différents complexes solides. L’ensemble des ligands organiques ainsi que certains de leurs complexes métalliques ont enfin été utilisés comme agents dopants vis-à-vis de trois cristaux liquides thermotropes, de type cyanobiphényle. L’étude des propriétés physico-chimiques des différents cristaux liquides purs et dopés a ainsi été entreprise par utilisation de trois techniques d’analyse, dont deux habituellement utilisées (ATD et MOP) et une troisième, à savoir la spectroscopie UV-visible, inédite dans ce domaine. Différentes interactions de type liaison hydrogène, interaction dipôle-dipôle, empilage π−π, ou agrégation ont été mises en évidence, dans différents milieux isotropes et anisotropes. L’étude de la mésophase des différents cristaux liquides purs et dopés a été réalisée et a permis de mettre en évidence la modification de certaines de leurs propriétés (TN, TI, TNI, TSN,…), sans détruire leurs mésophases. L’ensemble des résultats obtenus par ATD et MOP se sont révélés conformes à ceux de la spectroscopie UV-visible nouvellement utilisée, ce qui a confirmé la validité de cette dernière ainsi que la précision de ses résultats, justifiant son utilisation dans le domaine des cristaux liquides. / The present work concerns the synthesis, characterization and study of physical-chemical properties of a series of four pentadentate Schiff bases and their nickel(II) and copper(II) complexes, in different isotropic and anisotropic environments. A literature survey was first conducted on the synthesis of Schiff bases,on their modes of coordination in solution and solid state, on the physical-chemical properties of pure and doped liquid crystals, their multiple virtues and their different applications. After preparation and structural characterization of various organic ligands, their coordination mode in solid state and their behavior in solution against the nickel(II) and copper(II) were investigated. Different stœchiometries (ML, M2L, ML2or M2L2) were established in solution and solid state, depending on the structure of the organic ligand involved, the nature of the environment and that of the metal ion. Configurations of a square, octahedral and sometimes tetragonal have been established in a various solid complexes. All of the organic ligands and some of their metal complexes were finally used as doping agents against three thermotropic liquid crystals, of cyanobiphenyl type. The study of the physical-chemical properties of different pure and doped liquid crystals has been undertaken by use of three analytical techniques, including two commonly used (DSC and MOP) and a third, namely the UV-visible spectroscopy, unpublished in this area. Different interactions, like hydrogen bonding, dipole-dipole interaction, π-πstacking or aggregation have been identified in various isotropic and anisotropic media. The study of the mesophase of different pure and doped liquid crystals was performed and allowed to highlight the change in some of their properties (TN, TI, TNI, TSN, ...), without destroying their mesophases. All the results obtained by DSC and MOP were found consistent to those of the UV-visible spectroscopy newly used, which confirmed the validity of the latter and the accuracy of its results, justifying its use in the field of liquid crystals.

Ce travail porte sur la photoréactivité de dithiényléthènes A (solution et film mince), molécules photochromiques permettant l’obtention d’un film présentant un effet opto-mécanique sous irradiation UV ou Visible. Son obtention est basée sur l’assemblage supramoléculaire réversible par liaisons hydrogènes quadripolaires entre A et des élastomères B, tous deux fonctionnalisés par les mêmes groupements UPy. La première étape de ce travail s’est concentrée sur la cinétique des assemblages supramoléculaires par DLS, RMN, AFM, et calculs DFT. Concernant l’auto-assemblage AAAA, une forte sensibilité aux conditions initiales et des particularités cinétiques (temps de latence, "overshoot") ont été interprétées en termes de nucléation et croissance 3D de nano-objets. Après ajout de B, ces effets disparaissent au profit d’un mélange qui s’homogénéise sur plusieurs heures. La deuxième étape, conduite par spectroscopie d’absorption nanoseconde/femtoseconde et calculs TDDFT, s’est focalisée sur les mécanismes de photocommutation de A sous différents environnements (oligomères, grands assemblages). Si, concernant les états S1, des temps caractéristiques de photoréversion (≈5 ps) et photocyclisation (≈150 fs) proches de ceux de la littérature ont été observés, deux états triplets ont pu être identifiés (conformère antiparallèle et parallèle) dont l’un est photoactif (Tau≈10 µs). Contrairement au processus de photoréversion qui est insensible aux changements de l’environnement, le processus de photocyclisation y est lui très sensible. Donc, il est très probable que l’interface forme ouverte-forme fermée au sein des films (A,B) soit l'une des clefs pour comprendre l’effet optomécanique. / This work concerns the photoreactivity of photochromic dithienylethenes A (in solution and thin film) able to form a film exhibiting an opto-mechanical effect under UV or Visible irradiation. The production of this film is based on the reversible supramolecular assembly by quadrupolar hydrogen bonds between A and elastomers B, both being functionalized by UPy groups.The first step of this work focused on the kinetics of supramolecular assemblies by DLS, NMR, AFM, and DFT calculation. Concerning the self-assembly AAAA, a strong sensitivity to initial conditions and a typical kinetics (overshoot) have been interpreted in terms of nucleation and 3D growth of nano-objects. After addition of B, these effects disappear in favor of a mixture which homogenizes within several hours. The second step, conducted by nanosecond / femtosecond absorption spectroscopy and TDDFT calculations, focused on the photocommutation mechanisms of A in different environments (oligomer, large assembly). Considering the S1 states, the characteristic times of photoreversion (≈5 ps) and photocyclization (≈150 fs) processes appear to agree with literature data: Two triplet states have been identified (antiparallel and parallel conformers), one of which is photoactive (Tau≈10 μs). Compared to the photoreversion process which is insensitive to changes in the environment, the photocyclisation process appears to be very sensitive. These, the interface between the open and closed forms within the films (A, B) is probably one of the keys to understand the optomechanical effect.

Les aciers à effet TWIP (TWinning Induced Plasticity) suscitent un regain d'intérêt au niveau de la sidérurgie mondiale car ils combinent simultanément très haute résistance mécanique et très grande ductilité. Ces excellentes propriétés mécaniques sont liées à la présence de maclage mécanique, mécanisme connu sous le nom d'effet TWIP. L'objectif majeur de cette thèse est d'étudier l'effet TWIP sur plusieurs nuances d'aciers Fe-Mn (entièrement austénitiques, austéno-ferritiques duplex) afin de développer une loi de comportement prédictive des aciers à effet TWIP. La première partie de cette thèse fut donc consacrée à la détermination du comportement des aciers austénitiques Fe-Mn-C à effet TWIP. Pour ce faire, un modèle micromécanique par transition d'échelle en élastoviscoplasticité a été développé en se basant sur une description physique des mécanismes de déformation considérés dans cette étude: glissement cristallographique et maclage mécanique. Les interactions macle-glissement et macle-macle en relation avec le comportement de l'écrouissage à l'échelle du polycristal et à l'échelle du grain ont été finement analysé. La seconde partie de ce travail a été consacrée à la caractérisation du comportement d'aciers duplex Fe-Mn-Al-C par la Diffraction des Rayons X afin d'évaluer les contraintes internes initiales dans les deux phases ainsi que leur évolution avec la déformation au cours d'un essai mécaniques in situ. Une modélisation du comportement d'aciers duplex a été établie dans le but de développer un outil d'optimisation de la microstructure (proportion de la phase ferritique/austénitique) dans une approche "Alloy design". Puis, des essais de traitement thermique ont été faits afin de favoriser le maclage dans les aciers duplex / Steels having TWIP effect (TWinning Induced Plasticity) are very interesting for the worldwide siderurgy, because they simultaneously combine very high mechanical strength and ductility. These excellent mechanical properties are related to the presence of mechanical twinning, the so-called TWIP effect. The major objective of this thesis is to study the TWIP effect on several grades of Fe-Mn steels (entirely austenitic, austeno-ferritic duplex) in order to develop a predictive behavior law of steels with TWIP effect. The first part of this work consisted of the modelling of the behavior of Fe-Mn-C austenitic steels having TWIP effect. A micromechanical model using the scale transition method in elastoviscoplasticity has been developed. It is based on a physical description of the deformation mechanisms considered in this study: crystallographic slip and mechanical twinning. The twin-slip and twin-twin interactions in relation with the hardening behaviour at the polycrystal scale and the grain scale have been finely analyzed.The second part of this work is concentrated on the characterization of the behavior of Fe-Mn-Al-C duplex steels by X-rays diffraction in order to evaluate the initial internal stresses in the two phases as well as their evolution with the deformation during an in situ tensile test. A modeling of the duplex steel behavior was established in order to develop an optimization tool of the microstructure (proportion of the ferritic/austenitic phase) in an approach "Alloy design". Then, tests of heat treatment were made in order to generate the TWIP effect in the duplex steels

Le silicium est le fondement de la microélectronique, pour laquelle des milliards de dollars et des décennies de recherche ont été consacrés au développement de l'industrie de la fabrication. Après avoir surmonté un certain nombre d'obstacles techniques difficiles, cette technologie a atteint une maturité, une rentabilité et un processus robuste. La photonique à base de silicium a récemment fait l'objet d'une grande attention en raison de la demande mondiale croissante de données issues des télécommunications. Le silicium, matériau transparent dans les spectres du proche et du moyen infrarouge, permet de concevoir des circuits optiques basés sur cette plate-forme. Tirant parti de l'infrastructure et de l'expertise de la fabrication microélectronique moderne, la photonique de silicium offre de nombreux avantages attrayants en réduisant la taille, la consommation d'énergie et le coût de fabrication, ainsi qu'un grand potentiel de production de masse. Les progrès récents de la photonique de silicium ont permis aux concepteurs d'avoir accès à des librairies de blocs de construction passifs et actifs tels que des multiplexeurs, des résonateurs en anneau, des modulateurs, des photodétecteurs, etc. Ces avancées ont incité les chercheurs à exploiter cette plateforme dans divers domaines allant de la détection à la médecine. L'un des défis de la recherche sur la photonique du silicium est de développer une source de lumière et un amplificateur compatible avec le silicium en raison des bandes interdites indirectes du silicium et du germanium. Plusieurs solutions sont actuellement à l'étude pour fournir des sources de lumière sur puce, qui sont réalisées comme suit : lasers à commande électrique par manipulation de la bande interdite et méthodes de co-intégration ou lasers à commande optique par co-intégration de matériaux de gain, dopage d'un matériau de revêtement avec des ions de terres rares, ou utilisation d'effets non linéaires pour convertir la fréquence. La manipulation de la bande interdite implique l'ingénierie de la bande interdite des matériaux du groupe IV avec des souches ou des alliages pour améliorer l'émission directe de la bande interdite. Les techniques de co-intégration comprennent la croissance épitaxiale hétérogène ou le collage de matériaux du groupe III-V sur le guide d'ondes en silicium pour concevoir un laser ou tirer parti de caractéristiques à gain élevé. Le dopage d'une gaine de verre avec des éléments de terres rares comme le thulium, l'holmium, l'erbium avec des guides d'ondes spécialement conçus pour former une cavité laser a également été proposé comme solution. La conversion de fréquence par des effets non linéaires dans les guides d'ondes en silicium est une autre approche de la génération de lumière sur puce qui peut être réalisée sans aucun post-traitement des puces en silicium sur isolant (SOI). Par exemple, dans le silicium, la non-linéarité du troisième ordre permet la génération de peignes, la génération de supercontinuum, l'oscillation paramétrique optique et l'émission Raman. Parmi celles-ci, la diffusion Raman-Stokes stimulée (SRSS) peut être avantageusement utilisée pour la conversion et l'amplification des longueurs d'onde, car elle ne nécessite pas d'ingénierie de dispersion. Le gain Raman du silicium a donc été exploité dans la conception de divers lasers et amplificateurs sur puce. Les lasers et amplificateurs Raman sur puce utilisent des conceptions simples et ont jusqu'à présent été réalisés principalement avec des tranches de silicium relativement épaisses. Dans ce travail, nous profitons du gain Raman pour étudier, modéliser, concevoir et démontrer expérimentalement un laser et un amplificateur Raman. Nos recherches s'appuient sur une fonderie à accès libre offrant des plaquettes SOI standard avec une épaisseur de silicium de 220 nm. Dans notre première contribution, nous présentons un modèle complet pour un laser Raman CW dans une plateforme SOI. Nous concevons ensuite un laser Raman de 2,232 μm avec une cavité résonante en anneau sur puce. Les valeurs optimisées pour la longueur de la cavité et les rapports de couplage de puissance sont déterminés par la simulation numérique des performances du laser en tenant compte des variations de fabrication. Enfin, en concevant un coupleur directionnel (DC) accordable pour la cavité laser, une conception robuste du laser Raman est présentée. Nous montrons que la réduction des pertes de propagation et l'élimination des porteurs libres, par l'utilisation d'une jonction p-i-n, amélioreront de manière significative les performances du laser Raman en termes de réduction de la puissance de seuil et d'augmentation de l'efficacité de la pente. Dans notre deuxième contribution, nous démontrons un laser Raman accordable de haute performance qui convertit la gamme de longueur d'onde de pompe de 1530 nm - 1600 nm à la gamme de signal de 1662 nm- 1745 nm avec une puissance de sortie moyenne de 3 mW à ~50 mW de puissance de pompe avec un seul dispositif. La caractéristique principale de ce laser est l'utilisation d'un mécanisme de couplage accordable pour ajuster les coefficients de couplage de la pompe et du signal dans la cavité en anneau et compenser les erreurs de fabrication. Nos résultats sont très prometteurs pour l'augmentation substantielle des ressources spectrales optiques disponibles sur une puce de silicium. Nous démontrons également, pour la première fois, un laser Raman dans l'infrarouge moyen générant un signal à 2,231 μm avec une pompe à 2 μm et étudions les défis d'obtenir une émission cette bande. Notre dernière contribution est dédiée à l'amplificateur Raman, nous discutons et validons expérimentalement l'importance de considérer le gain Raman non-réciproque en utilisant une pompe et une sonde contre-propagatives ou co-propagatives, différentes longueurs d'amplificateur, puissances de pompe d'entrée et valeurs de perte non-linéaire. Nous démontrons un circuit optique sans perte assisté par Raman dans un guide d'ondes de 1,2 cm de longueur qui atteint un gain net nul avec seulement 60 mW de pompage en puissance continue. Nous examinons les pertes non linéaires des guides d'ondes en silicium pour estimer la durée de vie des porteurs libres (FCL), puis nous extrayons le coefficient de gain Raman du guide d'ondes photonique en silicium. Nous utilisons ensuite ces paramètres clés comme entrée d'un modèle d'amplificateur Raman photonique au silicium pour trouver la performance optimale en fonction de l'encombrement et de la puissance de pompage disponibles. / Silicon is the foundation of microelectronics in which billions of dollars and decades of research have been devoted in development of fabrication industry. After overcoming number of difficult technical obstacles, this technology has reached a mature, cost effective and a robust process. Silicon-based photonics have recently witnessed a great deal of attention sparked by a global-growing demand of data from telecommunication. Silicon as transparent material in near- and mid-infrared spectra enables designing optical circuits based on this platform. Leveraging the modern microelectronics manufacturing infrastructure and expertise, silicon photonics offers many appealing advantages in lowering the size, power consumption and fabrication cost beside a great potential to be mass-produced. Recent advances in silicon photonics have enabled designers to have access to libraries of passive and active building blocks such as multiplexers, ring resonators, modulators, photodetectors and etc. Such breakthroughs have attracted researchers to exploit this platform in various fields spanning from sensing to medicine. A challenging aspect in silicon photonics research is to develop a silicon-compatible light source and amplifier due to the indirect band gaps of silicon and germanium. Several solutions are currently proposed to design the on-chip light sources: electrically-driven lasers by band gap manipulation and co-integration methods or optically-driven lasers by gain material co-integration, doping a cladding material with rare earth ions, or using nonlinear effects to convert frequency. Band-gap manipulation implies engineering the group IV materials band gap with strain or alloys to improve the direct band gap emission. Co-integration techniques include heterogeneous epitaxial growth or bonding the group III-V materials on the silicon waveguide to design a laser or take advantage of high-gain features. Doping of a glass cladding with rare earth elements like thulium, holmium, erbium with specially designed waveguides to form a laser cavity has also been proposed as a solution. Frequency conversion through nonlinear effects in silicon waveguides is another approach to on-chip light generation that is possible to achieve without any post processing of silicon on insulator (SOI) chips. For example, in silicon, the third-order nonlinearity enables comb generation, supercontinuum generation, optical parametric oscillation, and Raman emission. Among them, stimulated Raman-Stokes scattering (SRSS) can be advantageously used for wavelength conversion and amplification with ease since it does not require dispersion engineering. The silicon Raman gain has therefore been exploited in designing various on-chip lasers and amplifiers. On-chip Raman lasers and amplifiers use simple designs and have so far been achieved mostly with relatively thick silicon wafers. In this work, we take advantage of Raman gain to comprehensively study, model, design and experimentally demonstrate Raman laser and amplifier. Our investigations rely on open-access foundry offering the standard SOI wafers with silicon thickness of 220 nm. In our first contribution, we present a comprehensive model for a CW Raman laser in SOI platform. We then design a 2.232 µm Raman laser with an on-chip ring resonator cavity. The optimized values for the cavity length and power coupling ratios are determined by numerical simulation of laser performance taking into account fabrication variations. Finally, by designing a tunable directional coupler (DC) for the laser cavity, a robust design of Raman laser is presented. We show the reduction of propagation loss and free carriers removal, by the use of a p-i-n junction, will significantly improve the Raman laser performance in terms of threshold power reduction and increasing the slope efficiency. In our second contribution, we demonstrate a high-performance tunable Raman laser which converts the pump wavelength range of 1530 nm - 1600 nm to the signal range of 1662 nm- 1745 nm with an average output power of 3 mW at ~50 mW pump power with only a single device. The key feature to this laser is the use of a tunable coupling mechanism to adjust both pump and signal coupling coefficients in the ring cavity and compensate the fabrication errors. Our results indicate great promise for substantially increasing the optical spectral resources available on a silicon chip. We also, for the first time, demonstrate a MIR Raman laser generating signal at 2.231 µm with a pump at 2 µm and study the challenges of working in this band. Our last contribution is dedicated to Raman amplifier. We discuss and experimentally validate the importance of considering the non-reciprocal Raman-gain by using counter-propagating or co-propagating pumps and probes, different amplifier lengths, input pump powers and nonlinear loss values. We demonstrate a Raman-assisted loss-less optical circuit in a 1.2-cm-length waveguide that reaches zero net-gain with only 60 mW continuous-wave pumping. We examine the nonlinear loss of silicon waveguides to estimate free carrier lifetime (FCL) then extract the Raman gain coefficient of silicon photonic waveguide. Then, we use these key parameters as input to a silicon photonic Raman amplifier model to find the optimum performance based on the available footprint and pump power.