Ce travail de thèse est consacré à l'étude d'architectures de fonctions optiques à base d'amplificateurs optiques à semi-conducteurs pour la conversion de longueur d'onde et la régénération tout-optique à très haut débit.<br />Après une présentation générale des systèmes de transmission optique, et notamment des dégradations subies par le signal lors de son transport, les principes de la conversion de longueur d'onde et de la régénération tout-optique sont abordés. Les notions de portes optiques, de fonction caractéristique, de régénération 1R, 2R et 3R sont introduites et expliquées, puis la problématique de caractérisation des fonctions optiques pour la conversion de longueur d'onde et surtout la régénération est traitée. Enfin, un état de l'art des différentes techniques est présenté.<br />L'amplificateur à semi-conducteurs (SOA) présentant de nombreux attraits pour les applications de conversion de longueur d'onde et de régénération, celui-ci a constitué le coeur des fonctions optiques étudiées.<br />Ainsi, l'association de deux convertisseurs en longueur d'onde, un miroir à boucle optique non-linéaire (NOLM-SOA) et un double étage de SOA (DSSOA), a permis de réaliser un régénérateur 3R original. L'introduction de celui-ci dans une boucle à recirculation de 100 km a montré sa capacité régénérative puisqu'une transmission sans erreur à 10 Gbit/s et sur 100 000 km a ainsi pu être réalisée. De plus, ce dispositif a montré une très grande stabilité, notamment aux variations de polarisation du signal de données. Une étude approfondie a mis en évidence qu'un même SOA peut être plus ou moins sensible à la polarisation selon sa configuration d'utilisation (auto-saturation, saturation croisée, selon les longueurs d'onde des signaux, leurs polarisations ...). Nous avons ainsi établi que le phénomène à l'origine de cette modification de sensibilité est un mélange d'ondes entre la pompe et la sonde conduisant à une dissymétrie du spectre de gain dépendante des états de polarisation respectifs des deux ondes.<br />Enfin, la montée en débit a constitué la dernière étape de ces travaux. Les SOA étant limités par le temps de récupération du gain, la problématique du raccourcissement et de mesure de ce temps a été traitée. Puis de nouvelles architectures, à base de SOA, compatibles avec les très hauts débits ont été recherchées. Une technique à base de modulation de phase croisée dans un SOA convertie en modulation d'amplitude par un filtre décalé a été étudiée à différents débits et pour différentes conditions de filtrage. Une conversion de longueur d'onde sans erreur à 80 Gbit/s a été obtenue grâce à un filtrage décalé vers les courtes longueurs d'onde.

Nous présentons, dans ce manuscrit, une étude expérimentale et théorique de synchronisation entre lasers à semi-conducteurs émettant à 1, 55 µm. Cette synchronisation est réalisée sans l'aide de contre-réaction optique grâce à l'utilisation d'injection optique, c'est-à-dire au couplage unidirectionnel entre deux lasers : le maître et l'esclave. Les différents lasers utilisés sont caractérisés de manière classique (P (I), lambda (I), ...) puis par injection optique afin de déterminer les différentes valeurs des paramètres physiques intrinsèques de ces lasers (dimensions géométriques, indice optique, gain interne, ...). Nous reportons également l'observation expérimentale de multi-excitabilité pour le laser à semiconducteurs injecté. L'impact de la cohérence optique est montré dans le processus de l'injection optique. Des simulations numériques, à partir d'un modèle standard dénommé de Lang et Kobayashi, sont détaillées dans leur différent régime dynamique. Elles montrent un bon accord avec les observations expérimentales, en particulier par l'intermédiaire de cartographies dans l'espace «désaccord-puissance injectée». Ainsi nous mettons numériquement en évidence la présence de larges zones de bistabilité, observées auparavant par Stéphane Blin. Nous présentons, pour la première fois, des études de synchronisation de chaos. Le signal chaotique est ici généré de manière originale, par une première injection optique. La synchronisation est, quant a elle, obtenue grâce à une seconde injection optique. Nous démontrons qu'il est possible d'atteindre expérimentalement des indices de corrélation de 96 %. Nous dressons ensuite numériquement des cartographies de synchronisation de chaos où nous mettons en évidence la présence de zones étendues ou l'indice de corrélation peut-être supérieur à 90 %. Enfin nous terminons par mettre numériquement en évidence et cartographier le phénomène d'anticipation de chaos pour un laser injecté, phénomène obtenu pour des indices de corrélation supérieur à 90 %.

Ce mémoire est consacré à l'étude et à la réalisation de sources impulsionnelles, constituées de lasers à semi-conducteurs soumis à une rétroaction optique non linéaire ou filtrée, pour des applications dans les domaines liés aux télécommunications optiques. Après un bref rappel des principales méthodes utilisées pour réaliser des sources impulsionnelles, nous présentons les notions théoriques nécessaires à la compréhension du phénomène de rétroaction optique ainsi que les principales réalisations de sources impulsionnelles, utilisant une contre-réaction, disponibles dans la littérature. Puis nous nous intéressons à l'analyse, principalement numérique, de la dynamique d'un laser contre-réactionné par un miroir non linéaire. Cette étude a permis de mettre en évidence l'existence d'un régime de blocage de modes passif conduisant à la génération d'impulsions caractérisées par un taux de répétition pouvant atteindre 20 GHz. D'autre part, nous montrons que l'utilisation d'un réseau de Bragg à pas variable comme réflecteur externe d'un laser fonctionnant en régime de blocage de modes permet la génération d'impulsions en limite de Fourier. La méthode de fabrication d'une telle cavité composée d'un réseau de Bragg et d'une microlentille est décrite. Et nous présentons un modèle permettant d'analyser numériquement le comportement de lasers soumis à une contre-réaction filtrée ainsi qu'une analyse statique de ce dernier. Nous terminons cette étude par l'analyse de l'influence d'une injection optique sur les caractéristiques de ces impulsions.

Nous présentons dans ce rapport de thèse plusieurs études relatives à l'amélioration des signaux optiques d'information numérique dans les systèmes de télécommunications à très haut débit. L'amélioration du taux d'extinction des sources impulsionnelles permet une meilleure stabilité des signaux multiplexés temporellement (OTDM), en réduisant l'interférence entre les symboles. L'utilisation de portes optiques non-linéaires permet de régénérer le signal dans les liaisons dites “ point à point ” ainsi qu'aux nœuds de commutation des futurs réseaux tout-optiques. Les principales réalisations de cette thèse portent sur : <br />- La remise en forme d'impulsions optiques améliorant le taux d'extinction, par mélange à quatre ondes dans les amplificateurs à semi-conducteurs (SOA) <br />- La réalisation et la caractérisation de deux fonctions optiques non-linéaires à base de semi-conducteurs pour la régénération des signaux supérieurs à 10 Gbit/s : le Double-Etage de SOA et le miroir optique non-linéaire à base de SOA (NOLM-SOA). Les résultats présentés dans la thèse sont obtenus à partir des simulations et de mesures expérimentales en environnement système.

La fabrication d'hétérostructures de semi-conducteurs III-V de qualité repose sur la connaissance des surfaces, l'optimisation de la formation des interfaces et la maîtrise de la relaxation des couches contraintes. Nous montrons d'abord par une étude en diffraction et spectroscopie d'électrons que la reconstruction de surface des semi-conducteurs III-V phosphorés est différente des reconstructions couramment observées sur les arséniés. Nous abordons ensuite le problème des interfaces à anion commun pour lequel nous proposons un modèle cinétique prenant en compte l'effet de la température de croissance sur les mécanismes d'échange et de ségrégation en surface. Pour les interfaces différant par leurs anions, la corrélation des résultats de diverses techniques nous conduit à une description précise de la composition chimique de ces interfaces en fonction des conditions de croissance et de son influence sur les propriétés électroniques de l'hétérostructure. L'obtention d'interfaces les plus abruptes possible nous amène à étudier la réactivité de surface des arséniures sous flux de phosphore pour laquelle nous déterminons les facteurs essentiels : dimères d'anions en surface et énergie de liaison des binaires impliqués. L'effet de la contrainte sur la morphologie des couches de semi-conducteurs phosphorés présente des similitudes et des différences avec le cas des arséniés. Nous proposons une interprétation de ces différences soulignant le rôle des reconstructions de surface spécifiques aux phosphorés. <br />Nous envisageons ensuite l'utilisation de ces hétérostructures dans des transistors à effet de champ à modulation de dopage. Nous optimisons la croissance de structures à double plan de dopage, à canaux composites et étudions les limites des approches pseudomorphique et métamorphique pour les canaux en InGaAs à fort taux d'indium. Nous discutons enfin de l'intérêt des semi-conducteurs antimoniés pour améliorer les résultats obtenus avec les arséniés et phosphorés.

Nous étudions en détail le bruit quantique dans les microlasers semi-conducteurs à cavité verticale : les VCSELs, dont l'acronyme anglais est Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers. Ces lasers ont la particularité d'émettre des faisceaux avec plusieurs modes transverses au-dessus du seuil. Lorsqu'un seul mode transverse, polarisé linéairement oscille, nous démontrons théoriquement aussi bien qu'expérimentalement l'importance du bruit de l'émission dans la direction de polarisation orthogonale pour la caractérisation du bruit d'intensité. Lorsque deux modes transverses polarisés linéairement et orthogonalement oscillent, nous étudions la structure spatiale transverse du bruit d'intensité. Nous développons un modèle quantique qui donne correctement l'allure du bruit d'intensité.<br /><br />Nous rapportons également dans cette thèse l'étude du bruit quantique dans les diodes laser. Par rapport au modèle standard des lasers à deux niveaux, ces lasers présentent un excès de bruit à fort courants. Nous démontrons expérimentalement et théoriquement que cet excès de bruit provient des fluctuations du courant à l'intérieur de la diode laser.

Les cristaux photoniques sont des structures artificielles dont la modulation périodique de l'indice de réfraction permet d'exalter les phénomènes non linéaires. Ce travail concerne l'étude expérimentale et théorique de l'exaltation de la génération du<br />second harmonique dans les cristaux photoniques planaires à base de nitrures. Cet accroissement est la combinaison de deux processus liés à la périodicité de la constante diélectrique : i) la localisation spatiale des champs électromagnétiques ; ii) la réalisation d'une condition d'accord de phase entre les modes à ω et à 2ω. Nous verrons que la caractérisation des propriétés optiques des cristaux photoniques planaires est une étape<br />essentielle permettant de déterminer les conditions angulaires et fréquentielles qui satisfont aux conditions de quasi-accord de phase. Une fois ces conditions déterminées, nous décrirons la nouvelle méthode de modélisation basée sur le formalisme de la<br />matrice de diffusion qui a permis de mettre en évidence une exaltation du second harmonique par 106. Ces résultats théoriques seront ensuite comparés aux résultats issus de notre dispositif expérimental où un accroissement géant par 104 de l'intensité du champ du second harmonique a pu être mesuré lorsque les conditions de quasi-accord de phase sont réalisées. Cette étude met en évidence la potentialité des cristaux photoniques pour les applications dans le domaine du bleu – proche UV.

Les travaux de recherche de cette thèse portent sur deux parties: l'évaluation de l'auto-absorption des rayonnements gamma et l'étude de la fonction de réponse des capteurs à pixels actifs pour la dosimétrie en temps réel. Dans le processus d'analyse quantitative de la radioactivité par spectrométrie gamma, l'étalonnage en rendement de détection de la chaîne est une étape essentielle. Outre le problème des interférences, l'atténuation des photons dans l'échantillon et l'effet de sommation en cas de cascade de transitions gamma sont les deux principaux facteurs déterminants dans ce type d'analyse. Dans ce contexte des mesures expérimentales et des calculs de simulation Monte Carlo, ont été réalisés pour étudier le phénomène de la self-absorption et évaluer les effets de matrice dans le cas des échantillons volumineux. Cette étude a permis de corriger les analyses par spectrométrie gamma des phosphates marocains. La deuxième partie de la thèse consiste à appliquer des capteurs CMOS de type MIMOSA, dérivés de ceux développés par l'IReS et le LEPSI pour la physique des particules, à la détection de rayonnements de neutrons et alpha, pour en faire des dosimètres léectroniques impulsionnels personnels. Ces appareils doivent permettre de suivre en temps réel les concentations du radon dans des environnements variés. Des codes ont été élaborés pour l'acquisition et l'analyse des données enregistrées par un système conçu pour cette application. Des tests ont été effectués pour la détection du radon et descendants émanant d'une source de Radium. Les résultats de ces tests ont été comparés aux mesures obtenues par d'autres techniques passives et actives. Des calculs de simulation Monte Carlo de la fonction de réponse du système aux neutrons rapides à l'aide du code MCNP ont été effectués.

Le spin électronique dans les semi-conducteurs fait actuellement l'objet de nombreuses investigations. Il pourrait en effet constituer, en tant que système quantique à 2 niveaux, l'élément de base d'un futur ordinateur quantique: un quantum-bit. Une des limites physiques d'un tel ordinateur provient en premier lieu de la décohérence de la superposition des états up et down de ce quantum-bit. La problématique est donc d'obtenir un système dans lequel ce temps de cohérence soit suffisamment long pour permettre de futures manipulations quantiques. Dans ce contexte, les boîtes quantiques semi-conductrices chargées avec un seul électron se présentent comme des candidats prometteurs. Ces systèmes, de part leur dimensions nanométriques, ont en effet la propriété de posséder une structure électronique discrétisée, ce qui supprime les principaux mécanismes responsables de la relaxation du spin. Ce travail de thèse tend donc à déterminer le temps de relaxation du spin dans une boîte.

Cette thèse a pour but d'étudier le transport de charges photogénérées dans des matériaux hybrides composés de polymères π-conjugués et de nanocristaux de semi-conducteurs, conçus pour des applications en opto-électronique. La synthèse chimique permet d'obtenir des nanocristaux de CdSe à l'échelle du gramme ayant une faible polydispersité et des formes contrôlées (sphériques, branchées). Les ligands de surface des nanocristaux de CdSe sont échangés par de petites molécules (pyridine, éthanedithiol, phénylènediamine, butylamine, benzènedithiol) afin d'augmenter leur conductivité. L'échange de ligands modifie les niveaux énergétiques des nanocristaux, comme le montrent des études optiques et électrochimiques. Le poly(3-hexylthiophène) déposé sous forme de couches minces présente différents degrés de couplage intermoléculaire et de désordre énergétique selon la méthode de dépôt et le solvant utilisé. Dans les films hybrides, des mesures de diffraction de rayons X en incidence rasante montrent que la structuration cristalline de la matrice organique est modifiée par la présence des nanocristaux. Les mesures de Temps-de-Vol dans les couches hybrides montrent que les mobilités des trous et des électrons varient avec le contenu en nanocristaux, ainsi qu'avec leur forme et leurs ligands. De faibles fractions de nanocristaux provoquent une amélioration de la mobilité des trous, tandis que de plus grandes fractions la détériorent. Les mobilités électroniques sont soumises à une fraction-seuil, assimilable à un seuil de percolation. La fraction optimale de nanocristaux, du point de vue des mobilités des trous et des électrons, est de 36% en volume pour les nanocristaux sphériques avec les ligands de synthèse. Enfin, les simulations Monte-Carlo des courants transitoires photogénérés, dans un échantillon de poly(3-hexylthiophène) et dans un hybride, montrent d'une part que la distribution énergétique du poly(3-hexylthiophène) domine l'allure des courants simulés et d'autre part que les nanocristaux peuvent être assimilés à des sites difficilement accessibles du réseau cubique.