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, dans une approche classique ou quantique. Le domaine d'étude de la photonique couvre l'ensemble du spectre lumineux du Térahertz aux rayons X.

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, les lentilles, les prismes, et les réseaux.

Le secteur d'activité de la photonique possède de nombreuses applications industrielles et de recherche et fait l'objet d'un soutien spécifique au niveau européen. En France, le secteur emploie directement 80 000 personnes, principalement dans des petites et moyennes entreprises, quelques entreprises de tailles intermédiaires et des grands groupes et est bien représenté par des organisations nationales et régionales.

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 technologies génériques d'avenir présentant a priori un fort potentiel technique et économique (ou KETs pour Key Enabling Technologies) [3]. Depuis 2009, La commission européenne considère que la photonique est l'une des six KETs.

Le terme photonique prend un nouvel essor avec une diffusion plus large à l'occasion de l'année de la lumière (2015). Aujourd'hui, le terme photonique regroupe tous les domaines des sciences et technologies de la lumière comme l'optique, l'éclairage, la vision, le laser, la fibre optique, l'optronique...

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 et industrielle.

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 Nobel 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, éclairage, communication
  • 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
  • Environnement : mesure, détection et traitement de l'eau, traitement des déchets
  • agriculture et agro-alimentaire : mesure, détection, aide à la décision, emballage

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

Perspectives économiques[modifier | modifier le code]

Dans le monde le chiffre d'affaires global de la photonique représente 400 milliards d'euros. En Europe, la photonique représente le pôle majeur d’investissement parmi les KETS (Key Enabling Technologies) avec 355 millions d’euros d’investissement en 2015.

En Europe la photonique est représentée par 5 000 entreprises, 377 000 emplois directs et une croissance prévue à 10 % par an ce qui justifie les espoirs économiques placés dans la photonique.

En France, la photonique représente 1 000 entreprises - dont 90 % de PME - qui emploient environ 80 000 personnes[5] dont le chiffre d'affaires total estimé en 2017 est de 15 milliards d'euros. 90 % des entreprises exportent pour une moyenne de 50 % de leur CA. La création de start-ups a fait un bond depuis 2015 avec environ 50 nouvelles entreprises chaque année. la baromètre économique du syndicat professionnel de la filière photonique montre que la croissance est supérieure à 10 % par an[6].

La synthèse de l'étude sur le secteur de la photonique réalisée en 2015 par le ministère de l'Economie, de l'Industrie et du Numérique[7] donne un aperçu des secteurs d'activités et de leur chiffre d'affaires :

Secteur d'activité Chiffre d'affaires
Eclairage 2 660 M€
Défense et sécurité 2 068 M€
Télécoms 1 505 M€
Composants, Couches minces 1 439 M€
Biophotonique, diagnostique 1 265 M€
Vision et instrumentation 740 M€
Energie photovoltaique 479 M€
Traitement du matériau biologique 94 M€
Affichage 90 M€
Production industrielle 78 M€
Stockage 33 M€

Impact des technologies photoniques dans l'échange et la transmission de données[modifier | modifier le code]

La transmission d'information et leur traitement (Cloud computing et centre de données) a largement bénéficié du domaine de l'optoélectronique et des lasers. Les systèmes de transmission optiques ont un avantage comparativement aux systèmes de transmission électriques traditionnels : la consommation électrique est inférieure malgré une plus grande bande passante. Le traitement optique des informations, par un « ordinateur photonique », constituant un objectif de la recherche en photonique[8],[9].

Diffusion de la Photonique dans l'industrie[modifier | modifier le code]

Les lasers sont aujourd’hui largement employés dans de nombreux secteurs de l'industrie[10] permettant par exemple de réaliser des découpes extrêmement précises.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]