Photonique

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image illustrant l’optique
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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.

Historique[modifier | modifier le code]

Historique du terme photonique C'est un mot relativement récent qui apparaît progressivement dans la littérature scientifique et technique à partir de la fin des années 1960. Il apparaît pour décrire un champ de recherche qui utilise la lumière en vue d'applications qui étaient liées à l'électronique (télécommunications, traitement du signal). Les revues à large diffusion scientifique et techniques s'accordent pour dire que la première définition du terme de photonique vient d'un scientifique français Pierre Aigrain [1] dans les années 1970. La photonique est liée à des découvertes clefs comme le laser en 1960, les diodes laser et les fibres optiques dans les années 1970. Ces inventions sont à la base des télécommunications optiques qui ont révolutionné le monde des communications. Dans les années 1980, le terme "photonique" est adopté par les opérateurs de réseaux de télécommunication, avec l'apparition des réseaux à fibres optiques et des amplificateurs optiques à fibre dopé erbium. L'utilisation de ce terme dans le domaine des télécommunication est attesté par le lancement de la revue Photonics Technology Letters, lancée par la société savant IEEE Lasers and Electro-Optics Society à la fin des années 1980.

Au début des années 2000, l'Europe joue un rôle important dans la diffusion de ce terme, avec la plateforme Photonics 21 créée en 2005 et son travail sur les technologies du futur : les Key Enabling Technologies [2]. En 2009, La commission européenne considère que la photonique est l'une des six KETS. Ce que l'on appelle KETS(Key Enabling Technologies) sont des technologies choisies par la commission européenne et qui présente un fort potentiel économique . Le terme de photonique prend un nouvel essor avec une diffusion plus large à l'occasion de l'année de la lumière en 2015. C'est un terme maintenant courant qui permet d'identifier tout un champ de technologies et son potentiel d'activités économique.

De l'optique à la photonique : histoire des sciences de la lumière[modifier | modifier le code]

Dans l'histoire des sciences de la lumière, on peut distinguer 3 phases :

La première phase est ce qu'on peut appeler l'optique classique. Elle plonge ses racines profondément dans l'histoire avec Alhazen (11° siècle). Les outils de l 'optique classique incluent les lentilles, les miroirs et de nombreux autres objets et instruments mis au point entre le 15eme et le 19eme siècle. Les piliers de l'optique classique tels que le principe de Huygens-Fresnel développé au 17eme siècle ou les équations de Maxwell développé au 19eme ne dépendent pas des propriétés quantiques de la lumière.

La deuxième phase correspond à l'optique moderne. Elle est lièe 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 et/ou le champ électromagnétique est quantifié, l'optique non linéaire, les effets électro-optique, accousto-optique, Raman, Brillouin... Cette phase démarre à la fin du 19° siècle avec Heinrich Herz (Effet photo-électrique 1887) et au début du 20° siécle, Einstein (quantification de la lumière 1905 et découverte de l'émission stimulée 1917) et Bohr (quantification des niveaux d'énergie 1913) . Elle s'incarne avec la découverte du laser en 1960. Cette découverte est à la base des déclinaisons de l'optique moderne dans les domaines suivants : optique atomique, optique quantique, optique non linéaire, lasers...

La troisième phase est liée à la photonique.

Elle correspond à une évolution de l'optique moderne vers des composants utilisables pour les applications , grâce à la maturité des technologies. Elle correspond aussi à un mariage avec d'autres sciences et technologies. C'est particulièrement le cas avec l'opto-électronique qui fait référence aux systèmes qui mêlent à la fois des fonctions électroniques et optiques. Ce terme a été utilisé au départ en optique et en électronique non linéaire avec les modulateurs à cristaux tels que la cellule de Pockels ou encore des capteurs d'images avancés ou des sources de lumière telles que les diodes lasers.

Elle correspond aussi à une évolution vers les systèmes et les applications à partir des fondements de l'optique : les systèmes atomiques pour des applications telles que l'horlogerie de haute précision, la navigation et la métrologie.

En mariant composants, systèmes et applications, la photonique est une science dit « capacitante » (Enabling en anglais). C'est à dire qu'elle permet de réaliser des fonctions liées à des usages comme acquérir, transmettre ou délivre de l'information, éclairer, apporter de l'énergie et produire. C'est aussi une science dite « diffusante » qui lui permet de répondre à différentes problématiques dans les domaines de la santé, du spatial, des communications, des infrastructures (bâtiments, transports), de l'automobile, des smartphones....

Cette combinaison « science diffusante » et « science capacitante » est unique : elle permet une expansion rapide de la photonique dans tous les domaines.

Les composants clefs de la photonique[modifier | modifier le code]

Lasers : les lasers révolutionnent les méthodes de production des biens manufacturés et transforment le domaine des capteurs et de la mesure.


Fibres optiques : ce sont des fils en verre ou en plastique qui sont aujourd’hui largement répandus dans les communications. Leur débit d’informations est nettement supérieur à celui des câbles coaxiaux ( avec un record atteint par Orange de 38,4 Tbps sur 32 canaux le long de 732 km) ce qui a permis d’accélérer les échanges du monde numérique , mais elles servent également en médecine pour réaliser des fibroscopes.


LED : les diodes électroluminescentes sont des systèmes opto-électroniques qui émettent de la lumière sur la base d’un système de semiconducteurs .Cette technologie présente un fort potentiel environnemental car ce type d’éclairage consomme beaucoup moins que les lampes classiques et possède une durée de vie très importante (de l’ordre de 20 000 à 50 000h ) .


Capteurs : composants indispensables pour passer des informations lumineuses aux informations numériques (via l'électronique). Les capteurs ont connus des évolutions extraordinaires au niveau de la résolution (en méga pixels), des bandes de longueurs d'onde (on peut voir la chaleur du corps humain avec un capteur optique) et des coûts .Le prix Nobel de 2009 récompense par exemple la création du capteur CCD qui utilise l’effet photoélectrique ce qui le rend 100% plus efficace qu’une pellicule classique.


Imageurs : les imageurs sont les composants de la photonique qui ont la plus longue histoire. C'est grâce à eux qu'on voit très loin et très près. Les contributions majeures dans ce domaine concernent les zooms, la microscopie, les télescopes, les verres progressifs mais aussi des dispositifs ne faisant pas intervenir de lentille tel que des imageurs couplant diodes et capteurs CMOS .La miniaturisation des circuits électroniques (et donc la puissance de nos ordinateurs et smartphones) doit tout aux imageurs utilisés en photolithographie.


Dans le domaine de l'aéronautique et de l'espace, les meilleurs imageurs du monde contribuent à la position de leaders de grands groupes comme Thales ou Airbus. Les imageurs connaissent aujourd'hui des révolutions profondes :

- avec ce qu'on appelle l'Optique de l'extrême : voir à des longueurs d'onde de plus en plus courte (X et UV) sur des phénomènes de plus en plus bref(attoseconde 10-18 secondes!).

- avec les optique "free-form" (forme libre c'est à dire sans symétrie de révolution comme c'est le cas pour une lentille ou un miroir concave), tous les concepts d'imagerie sont doivent être revisités : la recherche dans ce domaine en est au tout début.


L'importance de la photonique aujourd'hui[modifier | modifier le code]

A l'image de l'expansion spectaculaire de l'électronique à partir de la découverte du transistor en 1948, la photonique connaît une croissance remarquable basée sur ses composants clefs. Cette croissance est d'autant plus rapide que les composants sont fabriqués massivement (c'est le cas pour les diodes laser, les photodiodes, les fibres optiques), donc avec un faible coût et qu'ils ont des champs d'applications immenses pour inventer des systèmes "intelligents" simplement limités par notre imagination.

Les applications de la photonique sont innombrables sans qu'on en est vraiment conscience.Elle à éclairer, à acquérir, transmettre et restituer des signaux . Elle intervient dans la production d'énergie via les capteurs photovoltaïques. Enfin, elle est très présente dans les processus industriels, grâce au laser.

Voici une liste non exhaustive d'applications :

- Biens de consommation : lecteurs de codes barre, 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 de nuit, détection de mines, armes guidées par laser

- Spectacle : show laser, éclairage à LED

- Traitement d'images

- Métrologie : mesure des temps et fréquences, mesure à distance

Recherche et photonique[modifier | modifier le code]

L'essor de la photonique se mesure à l'ampleur des découvertes qui ont été effectuées dans le domaine. Sur ces 20 dernières années on peut citer :

1997 refroidissement d’atomes froids : la thermodynamique nous indique que la température est intimement liée à la vitesse des atomes de l’assemblée. Le principe du refroidissement laser est de créer une force qui s’oppose à ce mouvement à l’aide de lasers qui couplent la pression de radiation à l’effet Doppler-Fizeau .Cette technique mise au point par Claude Cohen-Tannoudji,Steven Chu et William D.Phillips les a vu être récompensé par le prix Nobel de physique .

1999 laser femto secondes pour la chimie : les lasers femto secondes sont fait d’impulsions ultra courtes (de l’ordre de quelques femto secondes) qui permettent de réaliser de la spectroscopie par résonnance de cavité qui permet notamment l’analyse chimique de polluants atmosphériques. Cette découverte a vu Ahmed H.Zewail être récompensé du prix Nobel de chimie.

2000 semi conducteurs pour l’opto-électronique : les plus utilisés en photonique sont composés majoritairement d’arséniure de gallium, d’indium et présentent une haute mobilité électronique et une bande interdite directe qui les rendent intéressants pour l’électronique rapide. Cette découverte a récompensé ses créateurs : Jores Ivanovitch Alferov ,Herbert Kroemer et Jack S. Kilby du prix nobel de physique .

2001 condensat de Bose Einstein : c’est un état de la matière formé de bosons identiques dont l’intérêt premier serait de permettre la création de laser à atomes qui rendrait de grand service à la photonique et notamment à l’interférométrie. La réalisation de ce condensat a permis à Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle et Carl E. Wieman d’obtenir le prix Nobel de physique.

2005 Spectroscopie laser et peigne de fréquence : il s’agit d’une méthode de spectroscopie mise au point par Roy J. Glauber, John L. Hall et Theodor W. Hansch qui permet de mesurer des fréquences avec une précision de l’ordre de 10^-15 en se basant sur la comparaison à des fréquences émises par des lasers et connues de façon presque absolue.

2009 Communication par fibre optique : ce prix Nobel récompense les travaux de Charles Kao sur un verre d’une très grande transparence qui permet à la lumière de parcourir de très grandes distances, cette avancée est à l’origine du réseau à base de fibre que nous connaissons aujourd’hui.

2012 Mesure et manipulation de systèmes quantiques : ce prix Nobel de physique récompense les travaux de Serge Haroche et David Wineland qui ont réussi à isoler, de manipuler des photons isolés. Ces travaux novateurs ont permis de mieux comprendre le photon, base de la photonique.

2014 Microscopie de fluorescence : ce prix Nobel de chimie récompense les travaux de Stefan W. Hell , William E. Moerner et Eric Betzig qui ont contourné la limite présumée à une demi longueur d’onde de résolution de la microscopie . Cette microscopie repose sur l’utilisation de la fluorescence des molécules et du traitement de l’image reçue.

2014 Diodes électroluminescentes bleues: il récompense les travaux de Isamu Hakasaki , Hiroshi Amano et Shuji Nakamura sur la production d’une LED bleue. Cette découverte ouvre la voie vers la production de lumière blanche via les LEDs ce qui représente une vraie révolution car il s’agit d’éclairages très puissants et économiques.


-Les recherches dans la photonique touchent de nombreux domaines, on peut notamment citer les applications de l'attoseconde dans le milieu de la chimie qui permet de visualiser les mécanismes lors des synthèses organiques.

L'avenir en photonique[modifier | modifier le code]

a) 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[3].

b) Réalité virtuelle et réalité augmentée[modifier | modifier le code]

La réalité augmentée désigne les technologies permettant de superposer des images fictives en 2 ou 3 dimensions sur des images réelles. Cette technologie en plein essor possède un large spectre d’applications : certaines marques de vêtements projettent des essais en ligne grâce à la réalité augmentée, de nombreux centres historiques ( Château de Vincennes) ont mis au point des systèmes d’immersions plus performants en reproduisant des images d’époques , des applications dans le milieu de l’éducation son également prévues pour rendre l’apprentissage plus interactif et plus illustré notamment en médecine.


La réalité virtuelle quant à elle désigne la projection d’un individu dans un environnement entièrement virtuel dans lequel il peut interagir. Ce type de technologie a vu le jour dans l’armée de l’air pour permettre des simulations de vols et de sauts en parachutes à moindre coût, moindre risques et utilisable quelques soient les conditions météorologiques. Aujourd’hui les applications sont bien plus vastes et plus ludiques puisque l’industrie du jeu vidéo tend vers des jeux de plus en plus immersifs par exemple. Le succès de cette technologie et son avenir prometteur peuvent être illustrés par le rachat de la compagnie Oculus VR par Facebook en 2014 pour 2 milliards de dollars. La Goldman Sachs estime que le marché pourrait valoir plus de 100 milliards de dollars d’ici 2020.

c) Economie 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 2 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 4W quand les box classiques permettait le transport de 10 à 100 Mbit/s pour une consommation de 20W .


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 connection électrique ( 100 Gbit/s) .

d) 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.


A 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.

e) Perspectives plus lointaines et photonique[modifier | modifier le code]

Si les connexions optiques sont amenées à révolutionner les vitesses d’échange d’informations , la perspective à plus long terme est de réaliser des communications quantiques en ce basant sur le phénomène d’intrication qui explique que les particules subatomiques ne sont pas indépendantes et qu’agir sur une de celles ci produit la contre réaction sur celle qui complète la paire de façon instantanée . Ce phénomène laisse donc entrevoir la possibilité d’une communication instantanée et ceci indépendamment des distances.


Dans le milieu de la médecine on observe l’émergence de l’opto-génétique qui est la création et l’implantation de gènes photosensibles permettant le contrôle d’actions sur des organismes par stimulation lumineuse.


On peut également parler de la création de matière à partir du vide via l’utilisation de laser ultra intense , ces derniers permettant le désappareillement des paires positrons – électrons . Ce phénomènes de création de matière avait été prédit par John Wheeler et Gregory Breit en 1934 sur la base de la célèbre équation d’Albert Einstein E=mc² donnant une équivalence entre énergie et matière. Pour que l’expérience soit réalisable on estime que le laser doit atteindre une puissance surfacique de 1025 W/cm² quand nous pouvons actuellement atteindre 1024 W/cm² ce qui justifie l’espoir de pouvoir réaliser cette expérience dans les prochaines décennies.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. [1]
  2. [sources/European Competitiveness in Key Enabling Technologies_ Summary Report (KETs Summary 2010 05 25).pdf]
  3. [2]

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]