Photonique

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Sur fond noir une grande tache en forme d'étoile irisée à gauche et un petit point blanc à droite.
Image de la lumière d'un laser ultra large-bande émergeant d'une fibre monomode de cristal photonique dont on voit la sortie à droite (point blanc).

La photonique est la branche de la physique concernant l'étude et la fabrication de composants permettant la génération, la transmission, le traitement (modulation, amplification) ou la conversion de signaux optiques. Elle étudie les photons indifféremment comme onde ou comme corpuscule. Le domaine d'étude de la photonique va de l'ultraviolet proche à l'infrarouge lointain, bien que la majorité des applications de la photonique résident dans le domaine du spectre visible.

Le photodétecteur se trouve à la frontière entre la photonique et l'électronique et appartient au domaine de l'optoélectronique, comme les lasers à semiconducteur. La photonique est également largement associée à l'optique intégrée.

Le terme photonique est aussi utilisé dans des mots composés désignant de nouvelles sciences ou technologies utilisant la lumière : nanophotonique, biophotonique.

Les composants étudiés dans le cadre de la photonique sont notamment les lasers, les diodes électroluminescentes, les fibres optiques, les modulateurs optiques, les amplificateurs optiques ou encore les cristaux photoniques.

Usage du terme et étymologie[modifier | modifier le code]

Le terme photonique est relativement récent. Il est dérivé du grec φῶς, φωτὁς (la lumière[1]) et apparaît dans la littérature scientifique et technique à la fin des années 1960 pour décrire un champ de recherche utilisant la lumière en vue d'applications alors liées à l'électronique (télécommunications, traitement du signal).

Des revues à large diffusion scientifique et techniques s'accordent pour dire que la première définition formelle du terme de photonique viendrait du scientifique français Pierre Aigrain dans les années 1970.

Dans les années 1980 les opérateurs de réseaux de télécommunication adoptent le terme "photonique" avec l'apparition des réseaux à fibres optiques et des amplificateurs optiques à fibre dopée erbium. Ce mot est utilisé dans le domaine des télécommunication (notamment dans le titre de la revue Photonics Technology Letters lancée par la société savante IEEE Lasers and Electro-Optics Society à la fin des années 1980, ainsi que par extension à des découvertes telles que le laser, les diodes laser et fibres optiques qui sont utilisées dans le monde des communications.

Au début des années 2000, l'Union Européenne contribue à diffuser ce terme, avec la plateforme Photonics 21[2] (créée en 2005) et par son travail sur les des technologies génériques d'avenir présentant a priori un fort potentiel technique et économique (ou KETs pour Key Enabling Technologies) [3].
En 2009, La commission européenne considère que la photonique est l'une des six KETs. Le terme de photonique prend un nouvel essor avec une diffusion plus large à l'occasion de l'année de la lumière (2015).

Histoire de la Photonique[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Histoire de l'optique.

Optique Classique[modifier | modifier le code]

L'Optique dite "Classique" est principalement liée aux problématiques d'optique géométrique. Notamment, le développement et l'utilisation d'outils comme les lentilles, les miroirs, ainsi que la conception optique liée à leur utilisation. Ses applications incluent les microscopes optiques, les télescopes, les lunettes...

Optique Ondulatoire[modifier | modifier le code]

L'Optique ondulatoire couvre l'ensemble des problématiques d'électromagnétisme et d'optique physique qui découlent de la preuve par Augustin Fresnel de la nature ondulatoire de la lumière puis des lois de Maxwell[4]. Ses applications incluent le développement d'interféromètres ou d'outils utilisant la diffraction tels que les réseau de diffraction, réseau de Bragg ou grismes...

Optique Moderne[modifier | modifier le code]

L'Optique Moderne est liée aux propriétés du photon en interaction avec la matière. Parmi les effets clefs de l'optique moderne, on trouve l'émission stimulée, l'effet photo-électrique, les interactions matière-rayonnement pour lesquelles la matière ou le champ électromagnétique est quantifié, l'optique non linéaire, les effets électro-optique, acousto-optique, Raman, Brillouin... Cette phase démarre à la fin du XIXe siècle avec Heinrich Herz (effet photo-électrique 1887) et au début du XXe siècle, Einstein (quantification de la lumière 1905 et découverte de l'émission stimulée 1917) et Bohr (quantification des niveaux d'énergie 1913) qui conduit à la découverte du laser en 1960. Cette découverte est à la base des déclinaisons de l'optique moderne dans les domaines de l'optique atomique, optique quantique, optique non linéaire, lasers...

Photonique[modifier | modifier le code]

La Photonique correspond à une diffusion de l'optique moderne dans la sphère industrielle et dans les autres domaines scientifiques. L'opto-électronique, les télécommunications optiques ou la biophotonique sont des exemples de cette diffusion scientifique.

Le grand nombre d'applications de la photonique dans les domaines de la santé, du spatial, des communications, des infrastructures (bâtiments, transports), de l'automobile, des nouvelles technologies lui vaut le qualificatif de « science capacitante ».

Prix Nobels liés à la Photonique[modifier | modifier le code]

Année Domaine de Recherche Sujet Auteurs
1901 Physique Découverte des Rayons X Wilhelm Röntgen
1907 Métrologie Instruments optiques de précision Albert A. Michelson
1908 Photographie Reproduction des couleurs en photographie, utilisant les interférences Gabriel Lippmann
1918 Physique quantique Découverte des quanta d'énergie Max Planck
1921 Opto-électronique Explication de l'effet photoélectrique Albert Einstein
1930 Physique Découverte de la diffusion Raman Chandrashekhara Venkata Râman
1932 Physique quantique Création de la mécanique quantique Werner Heisenberg
1953 Microscopie Méthode du contraste de phase Frederik Zernike
1954 Physique quantique Théorie des quanta et compréhension de la fonction d'onde Max Born
1964 Laser Electronique quantique, conduisant à la construction d'oscillateurs et d'amplificateurs basés sur le principe du maser-laser Charles Townes, Nikolaï Bassov, Alexandre Mikhaïlovitch Prokhorov
1971 Physique Invention et développement de la méthode holographique Dennis Gabor
1981 Spectroscopie Contribution au développement de la spectroscopie laser Nicolaas Bloembergen, Arthur Leonard Schawlow
1981 Spectroscopie Contribution au développement de la Spectrométrie photoélectronique X Kai Siegbahn
1986 Microscopie Travaux en optique des particules chargées et conception du microscopie électronique en transmission Ernst Ruska
1986 Microscopie Conception du microscope à effet tunnel à balayage Gerd Binnig, Heinrich Rohrer
1997 Physique quantique Refroidissement d'atomes par laser Claude Cohen-Tannoudji,Steven Chu, William D. Phillips
1999 Chimie Spectroscopie à la femtoseconde Ahmed Zewail
2000 Semi-conducteur Matériau semi-conducteur avec application en opto-électronique Jores Ivanovitch Alferov, Herbert Kroemer, Jack S. Kilby
2001 Physique quantique condensat de Bose-Einstein Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle, Carl E. Wieman
2005 Laser Spectroscopie laser et Peigne de fréquence optique John L. Hall,Theodor W. Hansch
2005 Optique quantique Théorie quantique de la cohérence optique Roy J. Glauber
2009 Télécommunications Travaux sur l'absorption des verres de fibre optique Charles Kao
2012 Physique quantique Manipulation de photons isolés Serge Haroche, David Wineland
2014 Chimie Microscopie de fluorescence Stefan W. Hell, William E. Moerner, Eric Betzig
2014 Opto-électronique Production de Diodes électroluminescentes bleues Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shuji Nakamura

Domaines de la photonique[modifier | modifier le code]

Liste des domaines scientifiques liés à la Photonique[modifier | modifier le code]

Applications de la Photonique[modifier | modifier le code]

La photonique est présente dans les processus industriels, par exemple dans les secteurs économiques suivants :

  • Biens de consommation : lecteurs de codes-barres, lecteur CD DVD, télécommandes
  • Télécommunications (à haut débit)
  • Médecine : correction de la myopie, chirurgie par endoscopie, effacement de tatouage, chirurgie esthétique
  • Production de biens manufacturés (via les opérations de découpe, soudure, perçage par laser)
  • Bâtiments : mesure par laser, niveau laser, test de contrainte
  • Aéronautique et espace : gyromètre, optique des satellites
  • Militaire : capteurs pour vision nocturne, détection de mines, armes guidées par laser
  • Spectacle : show laser, éclairage à LED
  • Traitement d'image
  • Métrologie : mesure des temps et fréquences, mesure à distance
  • La réalité augmentée

Aspect économique de la Photonique[modifier | modifier le code]

Perspectives économiques[modifier | modifier le code]

En Europe, la photonique représente le pôle majeur d’investissement parmi les KETS avec 355 milliards d’euros d’investissement en 2015 quand le deuxième pôle majeur n’en compte que 222 milliards. En France la photonique est représenté par pas moins de 5000 entreprises, 377 000 emplois directs et une croissance prévue à 10 % par an ce qui justifie les espoirs économique placés dans la photonique.

En France, la photonique représente environ 650 entreprises -dont 90% de PME- qui emploient environ 45000 personnes[5].

Économie du partage[modifier | modifier le code]

On entend par économie du partage l’économie basée sur l’échange de données ce qui est globalement représenté par internet et les télécommunications. La nécessité de transmettre toujours plus d’informations (70 % des informations mondiales ont été crées ces deux dernières années ) amène aujourd’hui à la construction de répéteurs optiques qui permettent de transporter 10 000 000 Mbit/s pour une consommation en énergie de 4 W quand les box classiques permettait le transport de 10 à 100 Mbit/s pour une consommation de 20 W .

Ces progrès en photonique permettent l’accélération des échanges mais on observe également qu’ils englobent un enjeu écologique avec une consommation en énergie que l’on veut toujours plus faible. En effet le numérique représente aujourd’hui le plus grand pôle de consommation énergétique mondial devant l’éclairage d’où le besoin de rendre les outils du numérique plus économiques. Une des solutions en cours de développement est de remplacer les connexions électriques par des connexions optiques ce qui permettra de diviser la consommation par un facteur estimé entre 10 et 100. Ce genre de technologie existe déjà aujourd’hui dans les datas center qui sont les sites majeurs de stockage de données et l’objectif est de réaliser des connexions optiques entre des puces sur une longueur de l’ordre du centimètre. L’avantage de cette technique est de limiter l’échauffement des systèmes aux interconnections et de dépasser la valeur limite de la bande passante accessible par connexion électrique (100 Gbit/s) .

Photonique et industrie[modifier | modifier le code]

L’industrie utilise de plus en plus les outils de la photonique pour augmenter à la fois la sécurité de ses travailleurs et la précision des tâches accomplies. Les lasers sont aujourd’hui largement employés afin de réaliser des découpes extrêmement précises, cette technologie ne cesse de progresser en augmentant le nombre de matériaux sur lesquels elle est applicable et l’épaisseur de découpe. C’est cette technique de découpe qui a permis de développement de l’impression 3D.

À l’opposé les lasers sont également utilisables pour réaliser des collages notamment en orthodontie pour éviter les techniques invasives de collage d’appareils dentaires notamment.

Les outils de la photoniques permettent également aujourd’hui l’émergence des cobots qui sont des robots collaboratifs. Ce sont des robots conçu pour une interaction directe avec l’homme, ils sont de plus en plus utilisés dans le monde industriel pour reproduire les gestes de celui qui les commande mais en les réalisant avec plus de force et en laissant le travailleur dans un espace protégé de tout risque.

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Lexique grec-français sur Google Livres - Joseph-Théophile de Mourcin De Meymi-Lanaugarie (1832)
  2. Site de la plateforme Photonics 21
  3. European Competitiveness in Key Enabling Technologies (en)
  4. La belle histoire de la physique sur Google Livres - Par Christelle Langrand et Jacques Cattelin
  5. L’optique photonique, un succès français - Le Monde (23/11/2014)