La photonique silicium connait un essor très important, porté notamment par la réalisation de câbles optiques actifs permettant de transférer optiquement des données à haut débit dans des environnements de type “High performance computing” ou “data center”. L'intégration de cette source laser est un enjeu très important pour la photonique silicium. Actuellement, ces sources sont obtenues avec des semi-conducteurs de type III-V sur substrats GaAs ou InP. Leur intégration dans une filière silicium est délicate et surtout ne permet pas de tirer pleinement parti de l'environnement de fabrication CMOS de la microélectronique.L'intégration d'une source optique monolithique représente donc un enjeu considérable. Les éléments de la colonne IV (Si, Ge) sont des semi-conducteurs à bande interdite indirecte, avec une faible efficacité de recombinaison radiative, et ne sont donc pas a priori de bons candidats. Un changement de paradigme est cependant en cours avec la récente démonstration qu'il était possible de manipuler la structure de bande des semi-conducteurs à base de germanium pour les rendre à bande interdite directe, i.e. les transformer en émetteurs efficaces. Cette ingénierie peut être réalisée soit en utilisant des tenseurs externes comme le nitrure de silicium soit en réalisant des alliages avec de l'étain (GeSn), ou en combinant les deux. Cette thèse porte donc sur l'étude de ces semi-conducteurs à bande interdite directe, avec pour objectif de faire la démonstration d'un laser avec ce nouveau type de matériaux. / Silicon photonics is experiencing a very important development. The laser source integration is a very important issue in silicon photonics. Currently, these sources are obtained with type III-V semiconductors on GaAs or InP substrates. Their integration in a silicon industry is delicate and above all does not allow to take full advantage of a CMOS environment.The integration of a monolithically optical source represents an important challenge. The elements of column IV (Si, Ge) are indirect bandgap semiconductors, with low radiative recombination efficiency, and therefore are not good candidates. However, a paradigm shift is underway with the recent demonstration that it was possible to manipulate the band structure of germanium-based semiconductors to direct bandgap, i.e. transform them into efficient transmitters. This engineering can be achieved either by using external tensors such as silicon nitride or by making alloys with tin (GeSn), or by combining both. This thesis deals with the study of these direct bandgap semiconductors. The goal will be to demonstrate a laser with this new type of materials.

Le germanium dopé n et contraint en tension est un candidat potentiel pour démontrer un laser sur silicium compatible avec un environnement CMOS. Dans ce travail de thèse, j’ai d’abord développé un formalisme qui permet de calculer le gain optique en fonction de la déformation en tension, du dopage n et de l’injection des porteurs. Une technique de transfert de déformation via le dépôt de couche contrainte de SiN a été optimisée. J’ai réalisé plusieurs types de cavités germanium contraintes sous forme de guides d’onde et de microdisques. Le transfert de déformation a été optimisé par sous-gravure et par une méthode de bi-encapsulation qui a permis d’aboutir à une déformation biaxiale homogène et élevée de l’ordre de 1.5%. L’évaluation des déformations a été confrontée à des simulations par éléments finis, photoluminescence et spectroscopie Raman. L’étude expérimentale et théorique des guides d’onde a montré l’avantage de la direction <100> par rapport à la direction <110> permettant une injection plus efficace de porteurs en centre de zone. L’étude expérimentale des microdisques a permis d’observer des modes de galerie avec un facteur de qualité Q = 1540 à λ = 1940 nm. D’autre part, j’ai mis en évidence par photoluminescence la présence d’un fort dopage de 4×10¹⁹ cm⁻³ dans des couches germanium sur silicium épitaxiées par épitaxie par jets moléculaires utilisant une technique de co-dopage. Une modélisation du gain modal a permis de mettre en exergue l’effet du gradient de déformation dans le volume de la cavité. L’élargissement homogène a été introduit dans la modélisation du gain optique afin de prendre en compte l’impact d’un dopage élevé. / Tensile strained and n-doped germanium is a potential candidate to demonstrate a laser on silicon in a CMOS-compatible environment. In this thesis, I developed a formalism to calculate the optical gain as a function of tensile strain, n-doping and carrier injection. A tensile strain transfer technique via strained SiN layer deposition has been optimized. I realized several types of strained germanium cavities. Tensile strain transfer was optimized by under-etching and a bi-encapsulation technique which allowed to achieve a high and uniform biaxial strain up to 1.5%. The evaluation of strain level was faced with finite elements modeling, photoluminescence and Raman spectroscopy. The experimental and theoretical study of the waveguides showed the advantage of the <100> direction as compared with the <110> direction for more efficient carrier injection at zone center. The experimental study of microdisks allowed us to observe gallery modes with quality factor up to Q = 1540 at λ= 1940 nm. On the other hand, photoluminescence enhancement has shown the presence of a heavy doping of 4×10¹⁹ cm⁻³ in germanium on silicon layers grown by molecular beam epitaxy and using a co-doping technique. Modeling the modal gain helped to emphasize the effect of the strain gradient in the cavity volume. The homogeneous broadening was introduced in the optical gain modeling to take into account the impact of a high doping.

Cette thèse s'intéresse à la signature sismique du rôle des fluides dans les mécanismes de déformation des roches fracturées de la croûte supérieure, et plus précisément les failles et les glissements de terrain. S'il est admis que les fluides sont un facteur déclenchant de la rupture dans le cas d'épisodes de forçages climatiques importants ou de glissements très superficiels, leur rôle dans la déstabilisation des grands volumes associée à des forçages faibles est beaucoup moins bien compris. Ainsi, il apparaît nécessaire d'acquérir de nouvelles données synchrones des pressions/débits de fluides, de la déformation et de la sismicité sur le terrain dans des conditions de chargement hydraulique contrôlées pour progresser dans la compréhension des liens entre processus hydromécaniques et sismiques participant à la nucléation de la rupture des roches en partie associée à la réactivation de fractures existantes. Motivé par ce besoin de nouvelles observations, ce travail de thèse concerne l'interprétation de la sismicité produite lors d'expériences originales de stimulation hydraulique (0.3 à 3.5 MPa et 10 à 3000 secondes) de petites zones de faille ou de fractures de taille décamétrique, situées en zones non saturées profonde de versants rocheux. Ces expériences consistaient à produire des déformations menant à l'activation du glissement le long des fractures préexistantes. Le protocole expérimental combine des mesures de déformations/pressions distribuées dans les structures géologiques à des capteurs sismologiques proches (échelle métrique à décamétrique) des zones sources.

Cette thèse s’intéresse à la signature sismique du rôle des fluides dans les mécanismes de déformation des roches fracturées de la croûte supérieure, et plus précisément les failles et les glissements de terrain. S’il est admis que les fluides sont un facteur déclenchant de la rupture dans le cas d’épisodes de forçages climatiques importants ou de glissements très superficiels, leur rôle dans la déstabilisation des grands volumes associée à des forçages faibles est beaucoup moins bien compris. Ainsi, il apparaît nécessaire d’acquérir de nouvelles données synchrones des pressions/débits de fluides, de la déformation et de la sismicité sur le terrain dans des conditions de chargement hydraulique contrôlées pour progresser dans la compréhension des liens entre processus hydromécaniques et sismiques participant à la nucléation de la rupture des roches en partie associée à la réactivation de fractures existantes. Motivé par ce besoin de nouvelles observations, ce travail de thèse concerne l’interprétation de la sismicité produite lors d’expériences originales de stimulation hydraulique (0.3 à 3.5 MPa et 10 à 3000 secondes) de petites zones de faille ou de fractures de taille décamétrique, situées en zones non saturées profonde de versants rocheux. Ces expériences consistaient à produire des déformations menant à l’activation du glissement le long des fractures préexistantes. Le protocole expérimental combine des mesures de déformations/pressions distribuées dans les structures géologiques à des capteurs sismologiques proches (échelle métrique à décamétrique) des zones sources. / This PhD dissertation focuses on the seismic signatures of the role of fluids in the deformation mechanisms of fractured rocks in the upper crust, mainly faults and landslides. While it is generally admitted that fluids are a triggering mechanism for rupture in the cases of episodic and major climate forcing events on shallow landslides, their role in the destabilization of large volumes of rocks, associated to weak forcing, is less understood. Thus, it is primordial to acquire new synchronous data of fluid pressure/flow, deformation and induced seismicity in the field, under controlled conditions of the hydraulic loading, in order to better understand the relationship between seismic and hydromechanical processes involved in the nucleation of rock ruptures, in part associated to the reactivation of existing fractures. Motivated by the need for new observations, this PhD thesis concerns the interpretation of the induced seismicity within unsaturated zones of deep rocky slopes, during original and controlled hydraulic stimulation experiments (0.3 to 3.5 MPa and from 10 to 3000 seconds) of small areas of decameter size. These experiments consisted in triggering rock deformations which lead to the activation of rock sliding along pre-existing fractures where deformation/pressure measurements and seismic sensors were distributed. These experiments were carried out in the Low Noise Underground Laboratory (France), which allows the access to fault zones within a rocky slope (at 250 m depth) and enables accurate geophysical measurements in conditions of very low environmental noise.

De nombreuses études montrent que les transferts de contrainte co- et postsismiques jouent un rôle majeur dans l’occurrence des séquences de séismes. Cependant, la grande majorité de ces études implique des systèmes de failles à la configuration géométrique simple (e.g. failles parallèles ou colinéaires). Dans cette thèse, nous étudions une séquence de séismes s’étant produite au sein d’un système de failles à la configuration géométrique plus complexe (i.e. failles conjuguées), la séquence du NE Lut (1939-1997, NE Iran), afin d’évaluer (1) si les transferts de contrainte favorisent la succession de séismes de la séquence et (2) s’ils permettent sur le long-terme de synchroniser les ruptures des failles du système. Pour cela, nous mesurons d’abord les déformations de surface produites par la séquence afin de mieux contraindre par la suite la modélisation des transferts de contrainte. A partir de la technique de corrélation subpixel d'images optiques, nous mesurons les champs de déplacements de surface horizontaux produits par les séismes de Khuli-Boniabad (Mw 7.1, 1979) et de Zirkuh (Mw 7.2, 1997). Nous montrons que ces séismes sont caractérisés par la rupture de plusieurs segments dont les limites sont corrélées avec les complexités géométriques des failles. Nous interprétons les différences de leurs caractéristiques de rupture (longueur de rupture, glissement moyen, nombre de segments rompus) comme étant dues à des différences de maturité des failles de Dasht-e-Bayaz et d’Abiz. Nous détectons également les déplacements produits par un séisme historique modéré, le séisme de Korizan (Mw 6.6, 1979). C’est la première fois que les déplacements produits par un séisme historique de si petite taille sont mesurés par corrélation d’images optiques. Ensuite, en combinant le champ de déplacements InSAR déjà publié avec les données optiques proche-faille précédemment acquises, nous estimons un nouveau modèle de source pour le séisme de Zirkuh (Mw 7.2, 1997). Nous montrons que les données proche-faille sont essentielles pour mieux contraindre la géométrie de la rupture et la distribution du glissement en profondeur. Le modèle estimé montre que le séisme de Zirkuh a rompu trois aspérités séparées par des barrières géométriques où les répliques du séisme se localisent. Seul le segment central de la faille présente un déficit de glissement en surface que nous interprétons comme étant dû à de la déformation distribuée dans des dépôts quaternaires non consolidés. Enfin, à partir des informations précédemment acquises, nous modélisons les transferts de contrainte au cours de la séquence du NE Lut. Nous montrons que ceux-ci ont favorisé l’occurrence de 7 des 11 séismes de la séquence et que modéliser précisément la géométrie des ruptures est essentiel à une estimation robuste des transferts de contrainte. De plus, nous montrons que l’occurrence du séisme de Zirkuh (Mw 7.2, 1992) est principalement favorisée par les séismes modérés de la séquence. Pour finir, la simulation d’une multitude de cycles sismiques sur les failles du NE Lut montre que les transferts de contrainte, en particulier les transferts postsismiques liés à la relaxation viscoélastique de la lithosphère, sont le principal processus permettant la mise en place répétée de séquences de séismes sur les failles du NE Lut. Enfin, d'après les simulations réalisées, l'ordre dans lequel se sont produits les séismes majeurs durant la séquence du NE Lut est assez exceptionnel. / Many studies show that static and postseismic stress transfers play an important role in the occurrence of seismic sequences. However, a large majority of these studies involves seismic sequences that occurred within fault systems having simple geometric configurations (e.g. collinear or parallel fault system). In this thesis, we study a seismic sequence that occurred within a complex fault system (i.e. conjugate fault system), the NE Lut seismic sequence (1939-1997, NE Iran), in order to assess if (1) stress transfers can explain the succession of earthquakes in the sequence and (2) stress transfers can lead to the synchronization of the NE Lut faults over multiple seismic cycles. To this end, we first measure the surface displacement field produced by the sequence in order to precisely constrain the stress transfer modeling afterwards. We use optical correlation technique to measure the surface displacement fields of the Khuli-Boniabad (Mw 7.1, 1979) and Zirkuh earthquake (Mw 7.2, 1997). We find that these earthquakes broke several segments limited by geometrical complexities of the faults. We interpret the differences in failure style of these earthquakes (i.e. rupture length, mean slip and number of broken segments) as being due to different level of structural maturity of the Dasht-e-Bayaz and Abiz faults. Furthermore, we succeed to detect offsets produced by the 1979 Mw 6.6 Korizan earthquake. It is the first time that surface displacements for such a small historical earthquake have been measured using optical correlation. Then, combining previously published intermediate-field InSAR data and our near-field optical data, we estimate a new source model for the Zirkuh earthquake (Mw 7.2, 1997). We show that near-field data are crucial to better constrain the fault geometry and the slip distribution at depth. According to our source model, the Zirkuh earthquake broke three asperities separated by geometrical barriers where aftershocks are located. No shallow slip deficit is found for the overall rupture except on the central segment where it could be due to off-fault deformation in quaternary deposits. Finally, we use the information acquired in the first parts of this work to model the stress transfers within the NE Lut sequence. We find that 7 out of 11 earthquakes are triggered by the previous ones and that the precise modeling of the rupture geometry is crucial to robustly estimate the stress transfers. We also show that the Zirkuh earthquake is mainly triggered by the moderate earthquakes of the NE Lut sequence. Lastly, the simulation of multiple seismic cycles on the NE Lut fault system shows that stress transfers, in particular postseismic stress transfers due to viscoelastic relaxation, enhance the number of seismic sequences and synchronize the rupture of the faults. The simulations also show that the order in which the Mw>7 earthquakes occurred during the NE Lut sequence is quite exceptional.