Laphotonique 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 lesphotons indifféremment commeonde ou comme corpuscule, dans une approche classique ou quantique. Le domaine d'étude de la photonique couvre l'ensemble du spectre lumineux dutérahertz aux rayons X.
Les composants étudiés dans le cadre de la photonique sont notamment leslasers, lesdiodes électroluminescentes, lesfibres optiques, lesmodulateurs optiques, lesamplificateurs optiques ou encore lescristaux 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 despetites et moyennes entreprises, quelques entreprises de tailles intermédiaires et des grands groupes et est bien représenté par des organisations nationales et régionales.
Le termephotonique est relativement récent. Il est dérivé du grecφῶς /phȭs, augénitifφωτός /phōtós, « lumière »[1], et apparaît dans la littérature scientifique et technique tout d'abord comme adjectif[2] pour évoquer un lien avec lesphotons ou un rayonnement lumineux, puis comme substantif à la fin desannées 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 françaisPierre Aigrain dans lesannées 1970.
Dans les années 1980 les opérateurs deréseaux 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 revuePhotonics Technology Letters lancée par la société savanteIEEE Lasers and Electro-Optics Society à la fin desannées 1980, ainsi que par extension à des découvertes telles que lelaser, les diodes laser etfibres optiques qui sont utilisées dans le monde des communications.
Au début desannées 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 présentanta priori un fort potentiel technique et économique (ou KETs pourKey Enabling Technologies)[4]. Depuis 2009, Lacommission 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…
L'Optique dite « classique » est principalement liée aux problématiques d'optique géométrique. Notamment, le développement et l'utilisation d'outils comme leslentilles, lesmiroirs, ainsi que laconception optique liée à leur utilisation. Ses applications incluent lesmicroscopes optiques, lestélescopes, leslunettes…
L'Optique ondulatoire couvre l'ensemble des problématiques d'électromagnétisme et d'optique physique qui découlent de la preuve parAugustin Fresnel de la nature ondulatoire de lalumière puis deslois de Maxwell[5]. Ses applications incluent le développement d'interféromètres ou d'outils utilisant ladiffraction tels que lesréseaux de diffraction,réseau de Bragg ougrismes…
L'Optique moderne est liée aux propriétés duphoton 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 duXIXe siècle avec Heinrich Herz (effet photo-électrique 1887) et au début duXXe siècle,Einstein (quantification de la lumière 1905 et découverte de l'émission stimulée 1917) etBohr (quantification desniveaux d'énergie 1913) qui conduit à la découverte dulaser 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…
La photonique correspond à une diffusion de l'optique moderne dans la sphère industrielle et dans les autres domaines scientifiques. L'opto-électronique, lestélécommunications optiques ou labiophotonique sont des exemples de cette diffusion scientifique et industrielle.
Le grand nombre d'applications de la photonique dans les domaines de lasanté, duspatial, descommunications, desinfrastructures (bâtiments, transports), de l'automobile, desnouvelles technologies lui vaut le qualificatif de « science capacitante ».
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, levisible et l'ultraviolet, mais pas le reste duspectre électromagnétique car là, les technologies ne sont pas du tout les mêmes. En particulier, la photonique ne couvre pas lesrayons X ni lesrayons gamma, même si le caractère "photonique", corpusculaire, de ces rayonnements plus énergétiques est plus affirmé que dans le cas du spectre visible.
| Rayonnements | |
| Sources | |
| Actions sur le rayonnement | |
| Actions du rayonnement | |
| interférences | |
| Composants | |
| Matériaux | |
| Détecteurs | |
| Instruments | |
| Domaines scientifiques ou techniques |
| Applications | Exemples |
|---|---|
| Scientifiques | |
| Médicales | |
| Militaires | |
| Industrielles |
|
| Télécommunications | |
| Bâtiment |
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| Aéronautique | |
| Énergie | |
| Au quotidien |
Dans le monde lechiffre 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 en2015 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€ |
La transmission d'information et leur traitement (Cloud computing etcentre de données) a largement bénéficié du domaine de l'optoélectronique et deslasers. Les systèmes de transmission optiques ont un avantage comparativement aux systèmes de transmission électriques traditionnels : la consommation électrique est inférieure malgré une plus grandebande passante. Le traitement optique des informations, par un « ordinateur photonique », constituant un objectif de la recherche en photonique[9],[10].
Leslasers sont aujourd’hui largement employés dans de nombreux secteurs de l'industrie[11] permettant par exemple de réaliser des découpes extrêmement précises.
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