Depuis leur découverte, les nanotubes de carbone ont suscité un grand interêt pour leurs propriétés électroniques et optiques. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse a été d'étudier les propriétés optiques des nanotubes de carbone semiconducteurs pour la réalisation de composants photoniques aux longueurs d'onde des télécommunications. La première partie de la thèse a concerné l'étude de la variation de l'absorption et la photoluminescence des s-SWNTs en fonction de l'environnement des nanotubes: surfactant, matrice solide, solution. A partir d'une méthode d'extraction des s-SWNTs, développée en collaboration avec l'AIST de Tsukuba au Japon, l'influence néfaste des nanotubes métalliques et des impuretés sur les propriétés optiques des s-SWNTs a également été mise en évidence. Les différentes caractérisations effectuées sur des couches minces hautement purifiées en s-SWNTs ont révélés une amélioration du signal de luminescence des nanotubes semiconducteurs d'un facteur 6. Ces résultats ont conduit dans une seconde partie à étudier l'émission des s-SWNTs en régime non linéaire. Un fort gain optique dans les nanotubes semiconducteurs a pu être ainsi démontré expérimentalement pour la première fois. La dernière partie des travaux de thèse a porté sur l'intégration de ces nanotubes de carbone dans des structures photoniques silicium. Une étude approfondie de l'absorption et de la photoluminscence des nanotubes déposés sur des guides d'onde silicium a été effectuée. Ces travaux expérimentaux ouvrent la voie vers la réalisation de sources de lumière intégrées sur silicium à base de nanotubes de carbone et à plus long terme vers une nouvelle photonique à base de nanotubes de carbone.

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.

Les guides d'onde plasmoniques induits par un ruban diélectrique (DLSPPWs pour "Dielectric Loaded Surface Plasmon Polariton Waveguides") permettent de transmettre à une échelle sub-longueur d'onde, des signaux électriques et plasmoniques (ondes optiques à l'interface entre un métal et un diélectrique) dans la même circuiterie. De plus, l'utilisation d'un ruban de polymère comme diélectrique permet de fonctionnaliser ces DLSPPWs. Cette configuration est par conséquent d'un grand intérêt pour des applications en photonique intégrée. Néanmoins, les DLSPPWs souffrent de pertes importantes en raison de la dissipation dans le métal. Nous abordons le problème en montrant qu'il est possible de compenser les pertes en utilisant une configuration analogue à celle d'un amplificateur optique. Nous mettons d'abord en place les outils théoriques (modèle de l'indice effectif), numériques (méthode différentielle et méthode de la fonction de Green) et expérimentaux (microscopie à fuites radiatives) adaptés à l'optimisation et la caractérisation des DLSPPWs. Une fois le confinement modal maximisé à la longueur d'onde telecom λ=1.55 µm, nous considérons un polymère dopé avec des boîtes quantiques. Le mode plasmon guidé dans le système polymère dopé-métal est excité pendant qu'un laser pompe les boîtes quantiques dans leur état excité. La relaxation des boîtes quantiques par émission stimulée de plasmon-polariton de surface apporte un gain optique. Ce phénomène est caractérisé par microscopie à fuites radiatives dans l'espace direct et dans l'espace réciproque. Cette démonstration représente un élément clé pour la photonique intégrée et l'interconnexion de circuits tout-optiques miniaturisés.