La photonique s'annonce comme un secteur technologique majeur pour notre siècle. Cette science, qui exploite les potentialités du photon, pourrait révolutionner les secteurs des télécommunications et de l'informatique.
Cet article a été préparé par Gaëlle Degrez à partir du rapport "La Photonique : une technologie d'avenir pour le secteur de l'information et des communications" réalisé par Isabelle Cestier, du service pour la Science et la Technologie de l'ambassade de France en Israël, que nous remercions pour sa collaboration.
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Focus :
Un secteur industriel en plein essor
Les technologies d'information et de communication (TIC) ont définitivement surmonté la crise des années 2001-2003. Le marché mondial poursuit sa progression, atteignant 4,8% en 2006 par rapport à 4,3% en 2005. Cette croissance est nourrie par l'entrée dans le monde numérique et la convergence des marchés en technologies informatiques, télécommunications, électronique grand public et nouveaux médias.
Le marché des technologies informatiques est porté par le développement du matériel, des logiciels et des services, tels que l'externalisation totale ou partielle des infrastructures TIC d'une entreprise. Sur le marché des télécommunications, le moteur de croissance est la large bande qui accélère la croissance des services de données, les vidéos, les techniques numériques et la téléphonie fi xe. Le secteur des TIC est caractérisé par une haute teneur technologique, laquelle se traduit par un marché en continuel renouvellement en termes d'offres et d'acteurs. Le tissu industriel est très diversifié allant de la start-up de quelques personnes jusqu'à la multinationale.
La recherche et le développement, sources d'innovations, permettent d'entretenir la compétitivité. Les grands pays industrialisés (Etats-Unis, Europe, Japon, Corée) dominent actuellement le marché mais ils doivent faire face à l'arrivée de nouveaux pays dans la compétition, en particulier la Chine.
Glossaire :
[1] Bande passante : ensemble des fréquences pour lesquelles la réponse d'un appareil est maximum.
[2] Optique non linéaire : l'intensité de la lu- mière est susceptible de modifier les propriétés optiques des matériaux ; cette optique "non linéaire" autorise l'interaction entre faisceaux lumineux par l'intermédiaire des milieux qu'ils traversent. C'est la découverte de cette propriété qui a donné naissance aux lasers.
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Substitut ou complément de l'électronique, la photonique est appelée à devenir un domaine technologique majeur de ce début du XXIe siècle. Cette science dont le nom provient du mot photon la particule de lumière, étudie les potentialités technologiques de la lumière. La photonique possède des atouts majeurs : le photon voyage à la vitesse de la lumière, ce qui permet une rapidité de communication sans égal ; la lumière peut être divisée en diverses longueurs d'onde, elle interagit avec certains matériaux, et son débit est très précis.
La photonique constitue l'une des avancées technologiques qui a apporté une rupture majeure dans de nombreux secteurs tels que les télécommunications, l'informatique et le multimédia et suscite le développement d'un grand nombre d'applications dans des champs très variés : lasers, diodes et autres sources de lumière ; composants et dispositifs optoélectroniques ; écrans plats, CD/DVD, optique quantique et cryptographie ; stockage des données, fibres optiques.
La photonique permet de transformer et d'acheminer la lumière pour mesurer, calculer, classer et surtout communiquer plus efficacement, plus précisément et plus rapidement une quantité importante d'informations, au moyen du signal lumineux. Les technologies photoniques sont également utilisées pour acquérir, traiter, stocker et lire l'information. Si sa nature interdisciplinaire et multisectorielle la rend moins visible que d'autres domaines, les technologies liées à la photonique pourraient entraîner des innovations essentielles dans les secteurs des télécommunications, de l'informatique et de la sécurisation de l'information (voir "Un secteur industriel en plein essor" ci-contre).
Communiquer à la vitesse de la lumière
Les nouvelles formes de communication (commerce électronique, vidéo à la demande, multimédia, etc.) et la place croissante de l'informatique dans la société motivent la recherche de technologies nouvelles afin de transporter plus efficacement, plus précisément et plus rapidement une quantité importante d'informations. Les réseaux de télécommunication ont été totalement révolutionnés par l'apparition de la fibre optique.
Les premiers systèmes de transmission optique sillonnent le monde entier depuis les années 1990. Pour cette technologie, les données sont encodées sous forme d'impulsions lumineuses (à partir de signaux électriques) et transitent par des fibres optiques. Les avantages sont multiples : débits théoriques très élevés, faible dépense énergétique, résistance et faible coût des fibres optiques. Cependant, la très large bande passante [1] des infrastructures en fibres optiques ne peut pour l'instant être exploitée que partiellement car leur mode de fonctionnement nécessite une multitude de conversion optique / électrique / optique à chaque carrefour intermédiaire entre la source et le destinataire. Ces traitements limitent les performances apportées par l'optique.
L'extension de la bande passante utilisée pour les transmissions multiplexées (une seule fibre optique peut transporter plusieurs signaux à destination de plusieurs utilisateurs à partir du moment où ils sont transmis à des longueurs d'onde différentes) et l'optimisation des formats de codage sont les voies envisagées pour augmenter la capacité des systèmes de communication optique. Enfin, l'évolution naturelle vers de plus hautes performances est le routage tout optique, c'est-à-dire l'abolition complète des conversions optique / électronique / optique. Dans ce domaine, de nombreux progrès sont attendus. Les dispositifs optiques non-linéaires [2] sont prometteurs pour les traitements logiques. En revanche, la mémoire optique des ordinateurs, composant essentiel pour stocker temporairement des données à un noeud de réseau, fait défaut.
Compte tenu de ces difficultés, la tendance actuelle privilégie une approche intermédiaire dans laquelle les signaux acheminés par mode optique ne sont analysés par voie électronique au noeud de réseau que lorsque c'est nécessaire. La recherche dans ce domaine est axée sur plusieurs sujets parmi lesquels les dispositifs accordables en longueur d'ondes pour les systèmes multiplexés, les composants de commutation spatiale, les convertisseurs de longueur d'onde et les amplificateurs régénérateurs. Les matériaux non linéaires et les cristaux photoniques sont prometteurs pour ces applications.
D'une façon générale, si l'on veut que les consommateurs de service de communication puissent profiter de débits d'information élevés, le réseau doit pénétrer jusque dans leurs terminaux. Le développement des infrastructures est un élément majeur dans l'application des avancées technologiques futures. La perspective du déploiement de la fibre optique jusqu'au domicile des particuliers est envisageable à long terme. Mais à moyen terme, au vu des investissements à réaliser, le réseau doit s'appuyer sur les infrastructures existantes telles que les réseaux filaires et câbles et établir des connections entre utilisateurs finaux et lignes à haut débit.
Toujours plus d'informations
Dans notre société moderne, notamment dans le monde de l'industrie et des sciences, l'informatique a pris une place considérable. Les différents utilisateurs demandent un matériel informatique toujours plus rapide, plus performant et une capacité de stockage de données plus importante. Il semble désormais acquis que l'optique aura un rôle de plus en plus décisif dans l'amélioration et l'évolution du système informatique et notamment dans l'acquisition, le traitement, le stockage et la lecture des informations.
Les performances des ordinateurs vont ainsi bénéficier de l'utilisation des nanotechnologies et de l'optique intégrée. Ce terme recouvre la réalisation de circuits optiques capables de traiter les données sous forme optique. Un large champ de recherche est exploré : composants optoélectroniques, nanostructures photoniques, liaisons optiques intrapuces, augmentation de l'autonomie des processeurs. Plus ambitieux encore, le traitement optique de toute l'information est envisagé. Mais pour employer le photon comme support d'information sur une puce, il faudra mettre au point l'ensemble de la chaîne des composants, de l'émetteur au récepteur.
Le stockage de l'information est un autre domaine qui va bénéficier des avancées de la photonique. Les principales technologies existantes aujourd'hui sont le support magnétique (disque dur ou disquette) et le format optique (CD, DVD). Les systèmes optiques ont d'ores et déjà remplacé le lecteur de disquette standard, avec un accroissement des capacités de stockage considérable : de 700 Mo pour un CD soit environ 450 disquettes, à plus de 6 Go pour un DVD. Le stockage optique utilise une source de lumière de type laser pour écrire et lire les données.
Les bits sont stockés d'une manière permanente sous la forme de creux moulés physiquement dans une couche d'enregistrement en polycarbonate. Ces supports sont durables car aucun élément du lecteur optique ne touche la surface du disque. Le potentiel actuel d'amélioration des supports optiques est considérable. L'implémentation de lasers plus performants et la technique d'écriture multicouche ou à plusieurs dimensions vont permettre le développement de nouvelles technologies à densité de données stockées et taux de transfert très élevés.
Enfin, la photonique va contribuer à améliorer les technologies de visualisation. Le développement de la technologie numérique et l'apparition croissante de nouveaux produits et applications dans la vie quotidienne accroissent les besoins d'interfaces de visualisation conviviaux et performants. Divers technologies d'affichage sont en concurrence pour dominer le marché du futur : l'écran plasma, l'écran à cristaux liquides LCD (Liquid Cristal Display), l'écran luminescent OLED et PLED (Organic ou Polymer Light Emitted Diode), l'écran à émission de champ SED (Surface Conduction Electron Emitter Display). Chaque technologie explore des solutions innovantes pour améliorer la qualité de l'image, diminuer la consommation électrique, augmenter la durée de vie et réduire les coûts de production. Des recherches sont menées au niveau des matériaux et des procédés ainsi que sur le développement de nouvelles architectures d'écrans.
Gardez vos secrets secrets
L'évolution de la société vers un monde de communications omniprésentes s'accompagne d'une forte demande de sécurisation de l'information. Les technologies pour la sécurisation des transactions électroniques visent à prévenir, détecter et limiter les attaques malveillantes à l'encontre des systèmes, des contenus, des services et des personnes. Pour qu'un système de cryptage soit inviolable, il faut qu'une clé de chiffrement puisse être transférée à son partenaire, de manière absolument sûre. Le protocole de cryptographie quantique, entièrement fondé sur la polarisation des photons et sur la physique quantique, traite ce problème et pourrait offrir une solution.
Cette technologie rend inviolables les liaisons cryptées qui transitent par des fibres optiques. Les photons permettent ce cryptage sécurisé des liaisons car l'observation ou l'interception d'une transmission par un tiers le modifie aussitôt, selon le principe connu en physique quantique sous le nom de principe d'incertitude d'Heisenberg qui énonce que la mesure d'un système quantique le perturbe. Si la cryptographie quantique fonctionne déjà bien, elle n'est pas encore très performante. Cette technologie récente est en plein essor et devrait se développer notamment vers la manipulation de photons isolés.
La photonique touche de nombreux aspects de notre vie et s'annonce comme un enjeu majeur pour notre siècle. Le secteur des technologies d'information et de communication n'est pas le seul à bénéficier de cette technologie. Des applications révolutionnaires sont attendues dans les domaines suivants : biophotonique (santé humaine, environnement, agroalimentaire), détection optique (capteur et imagerie), photovoltaïque (production et stockage d'énergie), procédés industriels et instrumentation, etc. Dans un futur proche, les nouvelles technologies photoniques seront appliquées au traitement de l'information et à l'informatique afin d'accélérer de façon significative les transmissions de données. A plus long terme l'un des grands défis auquel l'humanité va être confronté est celui de l'énergie. Les solutions issues de la photonique sont prometteuses pour l'exploitation, le stockage et le transport de l'énergie solaire.
Cette technologie évolue dans de nombreuses directions et il est impossible aujourd'hui de prédire laquelle dominera ce domaine. En revanche, c'est prendre peu de risques que de prédire un brillant avenir à la photonique.
