Carrier, spin, charge current, and spin current injection by one- and two-color optical schemes are investigated within 30-band k·p theory. Parameters of the band model are optimized to give full-Brillouin zone band structures for GaAs and Ge that give accurate Γ-point effective masses and gyromagnetic factors and give access to the L valley, and to the E₁ and E₁+Δ₁ critical points in the linear optical absorption. Calculations of one- and two-photon carrier and spin injection and two-color current injection are performed for excitation energies in the range of 0—4 eV in GaAs and 0—3.5 eV in Ge. Significant spin and spin current injection occurs with 30% spin polarization in GaAs and Ge at photon energy matching the E₁ critical point. Further, the anisotropy and disparity of the current injection between parallel and perpendicular linearly-polarized beam configurations are calculated. For light propagating along a <111> crystal axis, anisotropic contributions in coherent current control and two-photon spin injection give rise to normal current components and in-plane spin components. In Ge, contributions from the holes to spin, electrical current, and spin current injection are investigated. Optical orientation results in 83% spin-polarized holes at the band edge. The effects of carrier dynamics in Ge are treated within a rate-equation model. The detection of spin dynamics in a pump-probe setup is considered, and the Fermi-factor approach is justified for electrons but not for holes. Carrier and current injection are further investigated in single-layer and bilayer graphene within the tight-binding model. In single-layer graphene, the linear-circular dichroism in two-photon absorption yields an absorption coefficient that is twice as large for circularly polarized light compared to linearly polarized light. Coherent current injection is largest for co-circularly polarized beams and zero for cross-circularly polarized beams. For linearly polarized beams, the magnitude of the injected current is independent of beam polarizations. In contrast, the injected current in bilayer graphene shows disparity between parallel and perpendicular configurations of the beams. The resulting angular dependence of the current is a macroscopic, measurable consequence of interlayer coupling in the bilayer.

Carrier, spin, charge current, and spin current injection by one- and two-color optical schemes are investigated within 30-band k·p theory. Parameters of the band model are optimized to give full-Brillouin zone band structures for GaAs and Ge that give accurate Γ-point effective masses and gyromagnetic factors and give access to the L valley, and to the E₁ and E₁+Δ₁ critical points in the linear optical absorption. Calculations of one- and two-photon carrier and spin injection and two-color current injection are performed for excitation energies in the range of 0—4 eV in GaAs and 0—3.5 eV in Ge. Significant spin and spin current injection occurs with 30% spin polarization in GaAs and Ge at photon energy matching the E₁ critical point. Further, the anisotropy and disparity of the current injection between parallel and perpendicular linearly-polarized beam configurations are calculated. For light propagating along a <111> crystal axis, anisotropic contributions in coherent current control and two-photon spin injection give rise to normal current components and in-plane spin components. In Ge, contributions from the holes to spin, electrical current, and spin current injection are investigated. Optical orientation results in 83% spin-polarized holes at the band edge. The effects of carrier dynamics in Ge are treated within a rate-equation model. The detection of spin dynamics in a pump-probe setup is considered, and the Fermi-factor approach is justified for electrons but not for holes. Carrier and current injection are further investigated in single-layer and bilayer graphene within the tight-binding model. In single-layer graphene, the linear-circular dichroism in two-photon absorption yields an absorption coefficient that is twice as large for circularly polarized light compared to linearly polarized light. Coherent current injection is largest for co-circularly polarized beams and zero for cross-circularly polarized beams. For linearly polarized beams, the magnitude of the injected current is independent of beam polarizations. In contrast, the injected current in bilayer graphene shows disparity between parallel and perpendicular configurations of the beams. The resulting angular dependence of the current is a macroscopic, measurable consequence of interlayer coupling in the bilayer.

L’évolution actuelle des systèmes de communications optiques est telle que la circulation d’information n’est plus exclusivement limitée par les liens longues distances transocéaniques ou par les réseaux cœurs. De nombreuses applications courtes distances comme les réseaux d’accès où les débits des systèmes amenant la fibre chez l’abonné doivent être maximisés et les connexions internes et externes des centres de données transportent un trafic de données important produit en partie par les applications de type « Big Data ». Les critères imposés par ces nouvelles architectures notamment en termes de coût et consommation énergétique doivent être pris en compte en particulier par le déploiement de nouveaux composants d’extrémités. Grâce au très fort confinement des porteurs, les lasers à boites quantiques constituent une classe d’oscillateurs présentant des caractéristiques remarquables notamment en termes de courant de seuil et de stabilité thermique. En particulier, l’application d’une perturbation optique externe permet d’exploiter les nonlinéarités optiques des boîtes quantiques pour la réalisation de convertisseurs en longueur d’onde performants ou de transmetteurs à haut-débit fonctionnant sans isolateur optique. Ce dernier point est particulièrement critique dans les réseaux courtes distances où l’utilisation de sources modulées directement reste une solution technologique importante.Ce travail de thèse réalisé sur des structures lasers à base d’Arséniure de Gallium (GaAs) et de Phosphure d’Indium (InP) montre la possibilité d’améliorer l’efficacité de conversion non-linéaire par injection optique et de générer de nombreuses dynamiques dans des oscillateurs rétroactionnés et émettant sur différents états quantiques. Par ailleurs, le déploiement massif des systèmes cohérents mais également la conception des futures horloges atomiques sur puces nécessite l’utilisation de sources optiques à faible largeur de raie et ce afin de limiter la sensibilité de la réception au bruit de phase du transmetteur et de l’oscillateur local et induire un taux d’erreur binaire important. La conception de laser à faible largeur spectrale constitue un autre objectif de ce travail thèse. Les avantages de la technologie boites quantiques ont été mis à profit pour d’atteindre une largeur spectrale de 160 kHz (100 kHz en présence de rétroaction optique) ce qui est de première importance pour les applications susmentionnées. / The recent evolution of optical communication systems is such that the transfer of massive amounts of information is no longer limited to long-distance transoceanic links or backbone networks. Numerous short-reach applications requiring high data throughputs are emerging, not only in access networks, where upgrades of the bit rate of fiber-to-the-home systems need to be anticipated, but also in data center networks where huge amounts of information may need to be exchanged between servers, in part triggered by the rise of big data applications. The new requirements in terms of cost and energy consumption set by novel short-reach applications therefore need to be considered in the design and operation of a new generation of semiconductor laser sources. Owing to the tight quantum confinement of carriers, quantum dot lasers constitute a class of oscillators exhibiting superior characteristics such as a lower operating threshold, a better thermal stability as well as larger optical nonlinearities. The investigation of quantum dot lasers operating under external perturbations allows probing such optical nonlinearities in the view of developing all-optical wavelength-converters with improved performance as well as optical feedback-resistant transmitters. This last point iseven more critical since it is expected that short-reach links making use of directly modulated sources will experience massive deployment in the near future, in contrast to conventional backbone links where the number of required optoelectronic interfaces remains relatively modest. In order to do so, the thesis reports on novel findings in GaAs- and InP-based quantum dot lasers such as improved bandwidth and conversion efficiency under optical injection and various complex dynamics with delayed quantum dot oscillators emitting on different lasing states. Last but not the least, the massive deployment of coherent systems as well as the realization of future chip-scale atomic clocks require the implementation of optical sources with narrow spectral linewidth otherwise the sensitivity to the phase noise of both transmitters and local oscillators can strongly affect the bit error rates at the receiver. This is another objective to be addressed in the thesis where the benefits of the quantum dot technology has allowed to reach a spectral linewidth as low as 160 kHz (100 kHz under optical feedback) which is of paramount importance not only regarding the aforementioned applications.

L'objectif de cette thèse vise à l'étude d'un laser à cavité étendue et/ou filtre optique, dont le miroir externe est un réseau de Bragg à pas variable linéairement. En ce qui concerne le milieu à gain dans le résonateur, l’amplificateur optique à semiconducteur (SOA, Semiconductor Optical Amplifier) peut offrir toutes les caractéristiques et avantages classiques et typiques tels que large bande passante spectrale de 50 nm, faible consommation, haute rapidité de commutation électro-optique etc.... Par conséquent, ce type de laser et/ou filtre optique offre de nombreuses applications intéressantes dans le domaine des télécommunications optiques.Dans cette recherche, les premiers travaux sont la conception de la cavité continuum passive à l'aide d’un réseau de Bragg à pas variable. A l’intérieur de cette cavité continuum, formée entre un miroir et un réseau de Bragg chirpé, toutes les longueurs d'onde de Bragg oscillent simultanément ; la phase après un aller-retour de chaque longueur d'onde doit rester constante. La largeur de bande passante du spectre de transmission peut être ajustée dans la bande C (entre 1525 nm et 1565 nm) pour répondre aux besoins des systèmes de multiplexage en longueur d'onde (WDM, Wavelength-Division Multiplexing). On appliquera dans un premier temps ce concept de cavité continuum à la conception et la réalisation d’un filtre optique à bande passante variable. Puis dans un deuxième temps on rajoute un amplificateur optique à semi-conducteur (SOA) dans cette cavité pour réaliser un laser dit continuum. On s’attend à une émission sur un large spectre défini par la bande de réflexion du réseau chirpé. Le contrôle et la compréhension des phénomènes liés à cette émission lumineuse feront l’objet de cette étude. La cavité laser dite continuum sera étudiée en régime d’injection optique. L’idée est d’utiliser cette source comme amplificateur résonant fonctionnant en régime d’injection locking. La contribution dans cette thèse couvre à la fois la modélisation numérique, et les manipulations expérimentales. La conception du filtre ainsi que des mesures expérimentales de validation ont été complètement réalisés sur une structure hybride constituée d’une cavité à fibre optique incluant les réseaux de Bragg. Un bon accord entre théorie et expérience a été obtenu. Par contre, les calculs ont montré qu’un filtre optique intégré sur semi-conducteur utilisant ce concept de cavité n’avait pas d’intérêt. Les propriétés spectrales du filtre réalisé montrent en effet qu’on ne pourra obtenir qu’un faible taux de réjection et une qualité médiocre de forme de filtre en version intégrée. La réalisation expérimentale d’une cavité laser continuum a pu être démontrée et les propriétés spectrales enregistrées. En particulier une émission laser avec une largeur de spectre de 10 nm a été observée. Même si il reste un grand travail de caractérisation et de modélisation pour comprendre totalement les mécanismes qui gouvernent le fonctionnement d’une telle structure, c’est un résultat totalement nouveau que l’on a obtenu ici. Cette structure a par ailleurs été testée en régime d’injection optique. Un fonctionnement d’injection locking est obtenu qui permet à cette structure de jouer le role d’amplificateur à faible bruit. / The aim of this thesis is focused on the study of an extended cavity laser or/and optical filter, whose external mirror is the linearly chirped Bragg grating. As for the gain medium in the resonant, SOA (Semiconductor Optical Amplifier) can act as optical gain device. It can offer all of the classic and typical characteristics and advantages like large spectral passband of 50 nm, low power consumption, high-speed electro-optical commutation and so on. Therefore, this type of laser or/and optical filter have many interesting applications in the field of optical telecommunications.In this research, the first works are the design of passive continuum resonant cavity using linearly chirped Bragg grating. Inside this so-called continuum cavity, formed between mirror and chirped grating, all of the Bragg wavelengths oscillate at the same time, so the round-trip phase of each oscillated wavelength should keep constant. Then there is a passband spectrum at the transmission side. The bandwidth of transmission could be varied in C band (from 1525 nm to 1565 nm) to satisfy the needs of wavelength-division multiplexing (WDM) systems. This project is separated by two cases, one is about the external cavity applying chirped fiber Bragg grating as an external mirror, and the other is about the integrated cavity on InP chip, where the Bragg grating is already lithographed. Anyway, the first works of the thesis consist of numerical modeling, computational simulations and experimental manipulations.During the second works, the first step we add SOA as gain medium between two chirped fiber Bragg gratings for the purpose of generating laser. There are reflectors and active part in the passive cavity, so there is lasing far and away. It emits the typical F-P multimode light at the intersection of SOA gain band and reflection band of chirped grating. Then the second step is that a seed laser, whose frequency is nearby one of the longitudinal modes, is injected into the cavity in order to lock this mode. So there is only one emitted laser mode because of injection locking. This lasing resonant cavity could also be formed between mirror and linearly chirped Bragg grating.