Photonique

la branche de la physique concernant l’étude et la fabrication de composants permettant la génération, la transmission, le traitement ou la conversion de signaux optiques

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.

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).

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 étymologieModifier

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 télécommunications (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 photoniqueModifier

Optique classiqueModifier

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 OndulatoireModifier

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 moderneModifier

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...

PhotoniqueModifier

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 photoniqueModifier

Année Domaine de Recherche Sujet Auteurs
1901 Physique Découverte des Rayons X Wilhelm Röntgen
1902 Spectroscopie Effet Zeeman Hendrik Lorentz, Pieter Zeeman
1907 Métrologie Instruments optiques de précision Albert A. Michelson
1908 Photographie Reproduction des couleurs en photographie, utilisant les interférences Gabriel Lippmann
1911 Rayonnement du corps noir Loi de Wien Wilhelm Wien
1918 Rayonnement du corps noir Découverte des quanta d'énergie, loi de Planck Max Planck
1919 Spectroscopie Effet Stark Johannes Stark
1921 Opto-électronique Explication de l'effet photoélectrique Albert Einstein
1927 Physique Diffusion Compton Arthur Holly Compton
1930 Physique Découverte de la diffusion Raman Chandrashekhara Venkata Râman
1953 Microscopie Méthode du contraste de phase Frederik Zernike
1955 Spectroscopie Structure fine du spectre de l'hydrogène Willis Eugene Lamb
1958 Physique Effet Tcherenkov Pavel Tcherenkov, Ilia Frank, Igor Tamm
1964 Laser Électronique quantique, conduisant à la construction d'oscillateurs et d'amplificateurs basés sur le principe du maser-laser Charles Townes, Nikolaï Bassov, Alexandre Mikhaïlovitch Prokhorov
1966 Physique Pompage optique Alfred Kastler
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
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 obtenu grâce au refroidissement d'atomes par laser 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
2009 Opto-électronique Capteur CCD Willard Boyle, George E. Smith,
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
2018 Laser Production d'impulsions lumineuses ultra-brèves de forte intensité Donna Strickland, Gérard Mourou
2018 Laser Création des pinces optiques Arthur Ashkin

L'étendue et les limites de la photoniqueModifier

La photonique, conformément à l'étymologie de ce terme, regroupe toutes les technologies concernant la lumière (visible). Or ces technologies (composants, sources, détecteurs, etc.) sont aussi adaptées à d'autres rayonnements (infrarouge et ultraviolet proches). C'est pourquoi la photonique couvre en fait l'infrarouge, le visible et l'ultraviolet, mais pas le reste du spectre électromagnétique car là, les technologies ne sont pas du tout les mêmes. En particulier, la photonique ne couvre pas les rayons X ni les rayons gamma, même si le caractère "photonique", corpusculaire, de ces rayonnements plus énergétiques est plus affirmé que dans le cas du spectre visible.

Aspect économique de la photoniqueModifier

Perspectives économiquesModifier

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 chiffre d'affaires. La création de start-ups a fait un bond depuis 2015 avec environ 50 nouvelles entreprises chaque année. Le 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'activité Chiffre d'affaires
Éclairage 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€
Énergie photovoltaïque 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 donnéesModifier

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'industrieModifier

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 aussiModifier

BibliographieModifier

Notes et référencesModifier