Photonique

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.

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).

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

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

Optique Classique

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

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 réseaux de diffraction, réseau de Bragg ou grismes...

Optique Moderne

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

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

AnnéeDomaine de RechercheSujetAuteurs
1901PhysiqueDécouverte des Rayons XWilhelm Röntgen
1907MétrologieInstruments optiques de précisionAlbert A. Michelson
1908PhotographieReproduction des couleurs en photographie, utilisant les interférencesGabriel Lippmann
1918Physique quantiqueDécouverte des quanta d'énergieMax Planck
1921Opto-électroniqueExplication de l'effet photoélectriqueAlbert Einstein
1930PhysiqueDécouverte de la diffusion RamanChandrashekhara Venkata Râman
1932Physique quantiqueCréation de la mécanique quantiqueWerner Heisenberg
1953MicroscopieMéthode du contraste de phaseFrederik Zernike
1954Physique quantiqueThéorie des quanta et compréhension de la fonction d'ondeMax Born
1964LaserÉlectronique quantique, conduisant à la construction d'oscillateurs et d'amplificateurs basés sur le principe du maser-laserCharles Townes, Nikolaï Bassov, Alexandre Mikhaïlovitch Prokhorov
1971PhysiqueInvention et développement de la méthode holographiqueDennis Gabor
1981SpectroscopieContribution au développement de la spectroscopie laserNicolaas Bloembergen, Arthur Leonard Schawlow
1981SpectroscopieContribution au développement de la Spectrométrie photoélectronique XKai Siegbahn
1986MicroscopieTravaux en optique des particules chargées et conception du microscopie électronique en transmissionErnst Ruska
1986MicroscopieConception du microscope à effet tunnel à balayageGerd Binnig, Heinrich Rohrer
1997Physique quantiqueRefroidissement d'atomes par laserClaude Cohen-Tannoudji,Steven Chu, William D. Phillips
1999ChimieSpectroscopie à la femtosecondeAhmed Zewail
2000Semi-conducteurMatériau semi-conducteur avec application en opto-électroniqueJores Ivanovitch Alferov, Herbert Kroemer, Jack S. Kilby
2001Physique quantiqueCondensat de Bose-EinsteinEric A. Cornell, Wolfgang Ketterle, Carl E. Wieman
2005LaserSpectroscopie laser et Peigne de fréquence optiqueJohn L. Hall,Theodor W. Hansch
2005Optique quantiqueThéorie quantique de la cohérence optiqueRoy J. Glauber
2009TélécommunicationsTravaux sur l'absorption des verres de fibre optiqueCharles Kao
2012Physique quantiqueManipulation de photons isolésSerge Haroche, David Wineland
2014ChimieMicroscopie de fluorescenceStefan W. Hell, William E. Moerner, Eric Betzig
2014Opto-électroniqueProduction de Diodes électroluminescentes bleuesIsamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shuji Nakamura
2018 Laser Production d'impulsions lumineuses ultra-brèves de forte intensité Donna Strickland, Gérard Mourou
2018 Laser Création des pinces optiques Arthur Ashkin

Domaines de la photonique

Liste des domaines scientifiques liés à la Photonique

Applications de la Photonique

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

Perspectives économiques

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'Économie, de l'Industrie et du Numérique[7] donne un aperçu des secteurs d'activités et de leur chiffre d'affaires :

Secteur d'activitéChiffre d'affaires
Eclairage2 660 M€
Défense et sécurité2 068 M€
Télécoms1 505 M€
Composants, Couches minces1 439 M€
Biophotonique, diagnostique1 265 M€
Vision et instrumentation740 M€
Energie photovoltaique479 M€
Traitement du matériau biologique94 M€
Affichage90 M€
Production industrielle78 M€
Stockage33 M€

Impact des technologies photoniques dans l'échange et la transmission de données

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

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

Bibliographie

Notes et références

  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)
  6. Association Optique Photonique, « Association Française de l'Optique Photonique », sur www.afoptique.org (consulté le 19 février 2018)
  7. Synthèse de l'étude sur le secteur de la photonique - Ministère de l'économie, de l'industrie et du numérique, 2015
  8. Des ordinateurs qui calculent à la vitesse de la lumière. C’est bientôt possible. - Up-magazine (04/10/2017)
  9. Des chercheurs ont "compressé" la lumière. Et votre ordi va adorer ça - HuffingtonPost (27/10/2015)
  10. Micronora Information n°127 : Le Laser s'invite dans tous les secteurs de l'industrie - Janvier 2002
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