Nous présentons un traitement théorique de la modification des fluctuations quantiques d'un faisceau lumineux par l'interaction non-linéaire avec une microcavité semiconductrice à puits quantiques. Nous étudions plus précisément le spectre de bruit et la fonction d'autocorrélation des champs émis. Notre étude du spectre de bruit prévoit des effets de compression de bruit importants dans le cas de fort couplage entre excitons et photons de la cavité et à basse température où les excitons du semiconducteur sont découplés de l'effet perturbateur du réseau. Nous montrons aussi que ces effets de réduction de bruit disparaissent avec l'augmentation de la température du réservoir thermique. L'étude de la fonction d'autocorrélation qui est un indicateur de la statistique du champ émis a permis de mettre en évidence des effets de dégroupement (non-classique) et de groupement de photons suivant le désaccord entre la fréquence du laser et la fréquence de la cavité.

L'objet de ce travail est l'étude de l'interaction lumière-matière dans les microcavités semi-conductrices à puits quantiques. Nous avons étudié la réponse cohérente d'une microcavité semi-conductrice soumise à une excitation optique au moyen d'un laser continu quasi-monochromatique. Nous avons pu mettre en évidence l'existence d'un régime de couplage fort entre le mode résonant de la microcavité et les excitons du puits quantique placé à l'intérieur de la cavité. Nous avons ensuite montré qu'en plus du champ cohérent réfléchi, la microcavité émet de la photoluminescence quasi-résonante. À basse température (4K), nous avons montré que cette luminescence est due aux collisions des excitons avec les phonons acoustiques du cristal. Enfin, nous avons étudié le bruit sur l'intensité du champ sortant au moyen d'une détection homodyne équilibrée. Nous avons mis en évidence que le bruit mesuré résulte de l'émission incohérente de la microcavité, c'est-à-dire de la photoluminescence. Nous avons observé que ce bruit a un comportement non linéaire dont l'origine se trouve dans l'interaction entre excitons.

Ce travail est consacré à l'étude des phénomènes physiques dans les composants à base d'alliage SiGe en présence de fort champ électrique donc mettant en jeu des porteurs très énergétiques susceptibles d'induire de l'ionisation par choc. A l'aide d'une méthode k.p à 30 bandes, nous avons modélisé les structures électroniques complètes du Si, du Ge et des alliages Si1-xGex massifs et contraints sur une large gamme d'énergie (11 eV autour de la bande interdite) avec une très grande précision sur les paramètres de Luttinger ou les masses effectives. Associée au formalisme de la fonction enveloppe, cette méthode nous a fourni les relations de dispersion des sous-bandes en bande de valence et de conduction de puits quantiques à base d'alliages SiGe. Pour intégrer les structures électroniques dans la simulation du transport, nous avons calculé les densités d'états pour des structures électroniques 3D et 2D. Nous avons aussi obtenu les masses de densité d'états en fonction de la température dans les alliages SiGe massifs et contraints sur Si. Le chapitre 4 est consacré à l'étude du transport dans les alliages SiGe à partir d'une résolution déterministe de l'équation de Boltzmann. A l'aide des masses de densité d'états, nous avons calculé les mobilités moyennes des trous dans le SiGe. A partir de la simulation du transport à fort champ électrique des électrons dans le Si contraint sur SiGe et des trous dans le Ge contraint sur SiGe, nous avons obtenu les coefficients d'ionisation par choc dans ces matériaux. Des mesures d'électroluminescence réalisées sur des HFET à base d'alliages SiGe ont permis de remonter à quelques propriétés de l'ionisation par choc dans ces composants.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique de l'électronique de spin à base de semiconducteurs. L'intégration de matériaux magnétiques dans des structures semiconductrices représentent actuellement un axe de recherche en plein essor qui amènera probablement une nouvelle génération de composants électroniques où seront associés deux degrés de liberté : la charge et le spin des porteurs. La finalité de ce travail est la détection électrique d'une injection de spins dans un puits de GaAs. Pour cela nous avons préalablement étudié des couches minces du semiconducteur ferromagnétique GaAs substitué Mn et des jonctions tunnel magnétiques GaMnAs/AlAs/GaMnAs. L'étude des couches minces de GaMnAs a permis de mettre en évidence la corrélation entre les propriétés magnétiques et électroniques et les jonctions tunnel ont permis de quantifier la polarisation en spin des porteurs du GaMnAs. Nous avons ensuite élaboré des structures où deux électrodes de GaMnAs sont séparées par un puits quantique AlAs/GaAs/AlAs. La première électrode permet de polariser les porteurs et la seconde d'analyser le courant polarisé en spin injecté dans le puits. La magnétorésistance (MR) dans ces structures est attribuée à un transport tunnel séquentiel avec accumulation de spins dans le puits de GaAs. La forte MR obtenue (40%) est la signature de la conservation du spin dans le puits et traduit ainsi que le temps de vie du spin des trous est supérieur au temps de séjour des trous dans ce puits. Les études de la MR en fonction de ces deux temps caractéristiques ont permis d'établir les conditions nécessaires afin de détecter une injection de spins dans un puits quantique semiconducteur. Ces expériences entièrement électriques nous ont aussi permis d'estimer le temps de vie du spin des trous dans ces puits de GaAs à la centaine de picosecondes à 4.2K.

Nous avons étudié les propriétés optiques et le couplage spin-orbite dans différentes structures semi-conductrices de basse dimension. Tout d'abord, la dynamique de spin dans des gaz d'électrons bidimensionnels d'une hétérostructure GaAs/AlGaAs (001) a été étudiée par la technique de rotation Kerr résolue en temps. Les résultats montrent que la durée de vie du spin dans le plan du puits est anisotrope et que la densité des électrons affecte fortement le couplage spin-orbite de type Rashba. Nous avons observé ensuite une grande anisotropie du facteur g de l'électron dans des puits quantiques GaAs/AlGaAs (001) asymétriques, et la dépendance en température de son amplitude a été mesurée. Deuxièmement, nous avons fait l'étude expérimentale du dédoublement du spin électronique dans le plan des puits GaN/AlGaN C(0001) à température ambiante. La mesure du courant de l'effet photo-galvanique circulaire montre clairement un dédoublement isotrope dans le plan du puits. Troisièmement, les premières mesures du facteur g dans des films minces de GaAsN à température ambiante a été faite par la technique de rotation Kerr résolue en temps. Elles montrent que le facteur g peut être modifié drastiquement par l'introduction d'une petite quantité d'azote dans GaAs. Enfin, les caractéristiques optiques de transitions indirectes dans des séries de nano-bâtonnets linéaire CdTe/CdSe/CdTe de taille et de forme variables ont été étudiées par photoluminescence stationnaire et résolue en temps. Nos résultats montrent le transfert progressif d'une transition optique directe (type I) au sein de CdSe vers une transition indirecte (type II) entre CdSe/CdTe à mesure que la longueur des nano-bâtonnets augmente.

L'approche de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) est utilisée pour étudier les propriétés électroniques de nanograins de silicium incorporés dans une matrice de silice SiO2 dopée ou non avec de l'erbium. D'abord, nous nous sommes intéressés au matériau constitué de nanograins de silicium immergés dans différentes formes cristallines de SiO2. Nous avons construit plusieurs modèles (supercellules cubiques de taille différentes contenant un grain de silicium dont la taille est également variable). Nous avons ainsi étudié l'influence de plusieurs paramètres sur les propriétés électroniques: la taille des nanograins, les défauts à l'interface, la densité de nanograins par unité de volume de matériau et la phase cristalline de la matrice. Enfin, à partir des structures de nanograins obtenues précédemment, nous avons ajouté un atome erbium par supercellule. Nous avons exploré la stabilité de différentes positions de la terre rare ainsi que les propriétés électroniques du matériau afin d'envisager un mécanisme possible de transfert d'énergie entre un nanograin de silicium et un ion erbium.

La photonique du silicium a connu un développent massif pendant les dix derniers années. Presque toutes les briques technologiques de base ont été réalisées et ont démontrées des performances remarquables. Cependant, le manque d'une source laser intégrée en silicium a conduit les chercheurs à développer de composants basés sur l'intégration entre le silicium et les matériaux III-V.Dans cette thèse je décris la conception, la fabrication et la caractérisation des lasers hybrides III-V sur silicium basés sur cette intégration. Je propose un coupleur adiabatique qui permet de transférer intégralement le mode optique du guide silicium au guide III-V. Le guide actif III-V au centre du composant fourni le gain optique et les coupleurs, des deux cotés, assurent le transfert de la lumière dans les guides silicium.Les lasers mono longueur d'onde sont des éléments fondamentaux des communications optiques. Je décris les différentes solutions permettant d'obtenir un laser mono-longueur d'onde hybride III-V sur silicium. Des lasers mono longueur d'onde ont été fabriqués et caractérisés. Ils démontrent un seuil de 21 mA, une puissance de sortie qui dépasse 10 mW et une accordabilité de 45 nm. Ces composants représentent la première démonstration d'un laser accordable hybride III-V sur silicium.

Les détecteurs à cascade quantique (QCD) sont des composants semi-conducteurs, dans lesquels l'absorption de la lumière dans des puits quantiques de quelques nanomètres de large, à des temps caractéristiques de la picoseconde, permet de réaliser des caméras infrarouges de haute performance. L'enjeu de l'étude du transport électronique dans ces structures consiste à organiser le continuum d'échelles spatiales et temporelles qui relient le phénomène microscopique au dispositif macroscopique. Dans ces travaux de thèse, nous avons montré en particulier que pour modéliser le signal (courant et réponse) dans ces détecteurs, il est nécessaire d'articuler correctement les temps de cohérence quantique et les temps de diffusion semi-classique. Pour comprendre l'origine du bruit, il s'agit de voir que les contributions thermique et de grenaille, usuellement considérées comme indépendantes, ne sont que les deux limites aux temps courts et aux temps longs de la diffusion aléatoire de charges quantifiées. Cette description complète de la physique de ces détecteurs a permis dans un dernier temps de dégager les potentialités principales de cette filière technologique.

La plasmonique est un domaine de la nano-photonique qui étudie le comportement de la lumière à des échelles sub-longueurs d'ondes en présence de métaux. Les plasmons polaritons de surface (SPPs) sont des modes électromagnétiques qui se propagent à l'interface entre un diélectrique et un métal. Les SPPs trouvent des applications dans plusieurs domaines comme la communication et le traitement tout-optique du signal, la spectroscopie, la détection en biologie et en chimie. De nombreux composants plasmoniques (modulateurs, coupleurs, détecteurs ...) ont été démontrés ces dernières années. Cependant, leur l'intégration reste conditionnée par l'absence d'un générateur compact (pompage électrique, dimensions réduites) et par les grandes pertes ohmiques. Les techniques standards de génération de SPs nécessitent l'alignement d'un laser externe sur un prisme ou un réseau de diffraction afin d'adapter le vecteur d'onde incident avec celui du plasmon. L'approche que nous avons choisie est basée sur l'utilisation de lasers à semiconducteur ayant une polarisation transverse magnétique (TM) comme source d'excitation et de gain. Notre approche, permet d'obtenir des dispositifs compacts et facilement intégrables sur puce. Pendant ma thèse j'ai étudié expérimentalement et numériquement les performances d'un laser en fonction rapprochement du contact métallique à sa région active. La proximité du gain optique au métal est nécessaire pour la réalisation de dispositifs plasmoniques actifs. J'ai démontré la génération et l'amplification des plasmons de surface dans la bande télécom (λ=1.3µm), avec des dispositifs compacts, à base de semiconducteurs, fonctionnant par injection électrique et à température ambiante. Notamment, j'ai réalisé une architecture élégante, avec coupleur intégré, pour la génération de SPPs accessibles sur le sommet du dispositif. Un dispositif avec gaine superficielle ultrafine a permis de démontrer un mode hybride plasmonique avec une fraction consistante de champ électrique à l'interface métal/semiconducteur. Finalement, j'ai montrée que la structuration nanométrique du contact métallique réduit les pertes du mode laser. Les résultats sont renforcés par une nouvelle technique de imagerie de champ proche (SNOM) qui a permis de mesurer les SPPs à l'interface métal/or et à l'interface métal/ semiconducteur. Grâce aux mesures SNOM, il a aussi été possible de démontrer sans aucune ambiguïté l'effet de la structuration du métal sur le mode optique.

Ce manuscrit est consacré à la réalisation et à l'étude d'un composant à base d'absorbants saturables (AS) sur InP pour la remise en forme de signaux optiques à très hauts-débits. Le fonctionnement de ce composant tout-optique et passif est basé sur la non-linéarité d'absorption de puits quantiques (PQ) insérés dans une microcavité Fabry-Perot. Outre son insensibilité à la polarisation et son temps de réponse compatible avec les futurs signaux à hauts-débits, le composant AS présente aussi une large bande passante (BP) lui permettant de traiter plusieurs longueurs d'onde simultanément, faisant de lui un bon candidat pour les futurs dispositifs de régénération tout-optique à faible coût pour les liaisons à hauts-débits multiplexés en longueur d'onde (WDM).<br />Grâce à une structure optimisée, nous avons pu obtenir un composant avec un temps de réponse aussi court que la picoseconde et une fluence de saturation de seulement quelques µJ/cm2. Les résultats expérimentaux ont permis de valider le modèle de l'autosaturation des PQ en microcavité développé lors de cette thèse, ainsi que celui décrivant le fonctionnement du composant AS à hauts-débits et tenant compte des effets-thermique.<br />Grâce à son optimisation et à une meilleure gestion des effets thermo-optiques, nous avons pu démontrer pour la 1iére fois l'amélioration du taux d'extinction de signaux à 160 GHz (+6 dB sur une BP de 8 nm) et la remise en forme à 160 Gbits/s par un composant AS. Enfin, des résultats de régénération 2R en boucle de recirculation à 10 Gbits/s et à 43 Gbits/s sont aussi présentés et montrent une amélioration de la distance de propagation de 9,5 (sur 13 nm) et de 6 respectivement.