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.

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 tout d'abord comme adjectif^[2] pour évoquer un lien avec les photons ou un rayonnement lumineux, puis comme substantif 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^[3] (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) ^[4]. 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

Article détaillé : Histoire de l'optique.

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^[5]. 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 XIX^e siècle avec Heinrich Herz (effet photo-électrique 1887) et au début du XX^e 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

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
2017	Astrophysique	Contributions décisives à la conception du détecteur LIGO et à l’observation des ondes gravitationnelles	Rainer Weiss, Barry C. Barish, Kip Thorne
2018	Laser	Production d'impulsions lumineuses ultra-brèves de forte intensité	Donna Strickland, Gérard Mourou
2018	Laser	Création des pinces optiques	Arthur Ashkin
2022	Physique quantique	Expériences avec des photons intriqués, établissant la violation des inégalités de Bell	Alain Aspect, John Clauser, Anton Zeilinger
2023	Laser	Production d'impulsions lumineuses ultra-brèves pour l'étude de la dynamique des électrons dans la matière	Anne L'Huillier, Ferenc Krausz, Pierre Agostini

L'étendue et les limites de la photonique

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.

Quelques mots clés de la photonique

Rayonnements	infrarouge visible ultraviolet spectre Photométrie Radiométrie flux intensité luminance exitance éclairement exposition lumen candela lux spectrophotométrie colorimétrie pyrométrie température de couleur
Sources	incandescence luminescence fluorescence phosphorescence émission spontanée émission stimulée pompage optique corps noir lampe à incandescence lampe fluorescente lampe à décharge lampe à arc diode électroluminescente diode laser laser isotrope orthotrope lambertienne effet Zeeman effet Stark
Actions sur le rayonnement	absorption réflexion diffuse spéculaire réfraction dispersion diffraction diffusion Mie Rayleigh Raman Compton polarisation biréfringence pouvoir rotatoire amplification effet Pockels effet Kerr effet Faraday effet Doppler
Actions du rayonnement	effet photoélectrique effet photoréfractif photochromisme photosynthèse photoablation
interférences	cohérence temporelle spatiale interfrange interféromètres Michelson Mach-Zehnder Fizeau Sagnac Fabry-Perot fentes de Young miroirs de Fresnel
Composants	catadioptre miroir lentille diaphragme prisme réseau de diffraction filtre polariseur fibre optique oculaire objectif redresseur cellule de Pockels cellule de Kerr modulateur acousto-optique sphère intégrante
Matériaux	photopolymère verre photochromique cristal liquide indice de réfraction réfringence homogène isotrope anisotrope
Détecteurs	photorécepteur photorésistance bolomètre photodiode phototransistor photomultiplicateur cellule photovoltaïque capteur CCD capteur CMOS
Instruments	endoscope fibroscope microscope périscope télescope lunette viseur loupe goniomètre spectroscope spectrophotomètre réfractomètre polarimètre lidar télémètre à balayage vidéoprojecteur luxmètre posemètre thermomètre infrarouge caméra thermique
Domaines scientifiques ou techniques	conception optique optique non linéaire holographie ellipsométrie opto-électronique couches minces filtres interférentiels traitement antireflet

Quelques applications de la photonique

Applications	Exemples
Scientifiques	astronomie télescope optique active optique adaptative spectroscopie météorologie lidar sciences du vivant microscope
Médicales	endoscopie photothérapie thérapie photodynamique chirurgie au laser Lasik
Militaires	jumelles de vision nocturne affichage tête haute arme à énergie dirigée
Industrielles	travail des matériaux usinage laser découpe perçage gravage contrôle métrologie mesures interférométriques colorimétrie pyrométrie
Télécommunications	fibre optique multiplexage en longueur d'onde amplificateur optique réflectométrie faisceau libre
Bâtiment	niveau laser théodolite télémètre à balayage décapage par laser à impulsions
Aéronautique	gyrolaser
Énergie	centrale solaire thermique à concentration centrale solaire photovoltaïque
Au quotidien	lecteur de code-barres lecteur de DVD graveur de CD éclairage lampe à incandescence lampe fluorescente diode électroluminescente imagerie écran à cristaux liquides écran OLED vidéoprojecteur cinéma 3D holographie capteur solaire photovoltaïque

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 1 230 entreprises - dont 90 % de PME - qui emploient environ 80 000 personnes^[6] dont le chiffre d'affaires total estimé en 2022 à 20,7 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 30 nouvelles entreprises chaque année. Le baromètre économique de la fédération française de la photonique de la filière montre que la croissance est supérieure à 10 % par an^[7].

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^[8] 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 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^[9]^,^[10].

Diffusion de la photonique dans l'industrie

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Les lasers sont aujourd’hui largement employés dans de nombreux secteurs de l'industrie^[11] permettant par exemple de réaliser des découpes extrêmement précises.