Azzedine Boudrioua, physicien spécialiste de l’optique et professeur au Laboratoire de Physique des Lasers de l’université Sorbonne Paris Nord nous explique comment les photons sont en train de détrôner les électrons.
La lumière a toujours été quelque chose d’essentiel dans toutes les cultures et les civilisations. Elle est dans pratiquement tous les textes sur les mythes de la création. Aujourd’hui, elle continue à intriguer et à fasciner y compris les grands spécialistes de la physique quantique. Sa particule élémentaire, le photon, peut interagir avec la matière et donner naissance à des phénomènes physiques, chimiques, voire mécaniques aussi fabuleux qu’impressionnants.
De là est née la « photonique », qui englobe toutes les disciplines scientifiques et technologiques ayant une relation avec la lumière (le photon), son étude et son utilisation pour la mise au point de composants et systèmes fonctionnels. À l’instar de l’électronique, basée sur l’utilisation des électrons, la photonique se développe et s’impose aujourd’hui comme une technologie clé dans de nombreux domaines notamment les télécommunications optiques, la sécurité et le loisir, des CDs aux téléviseurs à LEDs ou OLEDs.
Pourquoi utiliser des photons plutôt que des électrons ?
La microélectronique a mis plus d’une dizaine d’années pour développer les premières générations de circuits intégrés, grâce à la miniaturisation croissante de composants de base tel que le transistor ; mais elle se heurte désormais de plus en plus aux limitations propres au signal électrique. En effet, dans un circuit électronique, les électrons qui constituent le signal électrique interagissent avec la matière et créent des effets tel que l’effet Joule, qui exprime une certaine résistance de la matière à la propagation des électrons et résulte en un dégagement de chaleur. Tout cela limite la capacité du signal électrique et réduit sa bande passante qui est liée à la fréquence (inversement proportionnelle).
Wafer de silicium. Chaque carré est un circuit contenant des transistors et autres composants électroniques. Leur miniaturisation est limitée physiquement, notamment par l’effet Joule © Laura Ockel/Unsplash, CC BY SA 4.0
L’intérêt d’utiliser le photon plutôt que l’électron provient des fréquences optiques très élevées (de l’ordre de 500 térahertz) qui permettent donc une très large bande passante et une capacité de transmission de données inégalée. De plus, le signal optique est généralement 10.000 fois plus rapide que le signal électrique : la vitesse de la lumière est de 300.000 km/s et la vitesse du signal électrique dans un fil de cuivre est de l’ordre de 200.000 km/s, ce qui rend possible un traitement ultrarapide de l’information et des données.
Communiquer à la vitesse de la lumière
L’exemple le plus parlant de ce développement fulgurant est celui des télécommunications optiques via les fibres optiques (qui servent Internet, la 4G et la 5G). En réalité, la planète entière est truffée de câbles à fibres optiques. On trouve les réseaux sous-marins qui constituent une véritable toile sous les eaux des mers et des océans du globe. Il y a également les réseaux terrestres qui quadrillent les territoires de tous les pays du monde et connectent les utilisateurs.
Le signal optique est devenu le seul capable d’offrir la bande passante nécessaire pour répondre aux besoins croissants en matière de transmission et de partage de données, de téléphonie et d’échanges. Et pourtant, le développement de ces technologies faisait encore l’objet de recherches dans les laboratoires à la fin du XXe siècle, quand l’arrivée à maturité de la plupart des composants indispensables à la réalisation d’une chaîne optoélectronique complète et la demande accrue de circuits photoniques miniaturisés à faible coût ont rendu un saut technologique possible. Jouant le rôle d’une véritable locomotive, les télécoms optiques ont permis à la lumière de pénétrer pratiquement tous les domaines de la vie humaine.
À l’instar de ce qui s’est produit pour la microélectronique, les ingénieurs ont développé des matériaux optiques adéquats pour réaliser des composants optoélectroniques fiables et efficaces, ce qui permet désormais d’engager la miniaturisation des composants optiques, qui pourraient mener à la réalisation d’un « ordinateur optique » ou « ordinateur photonique ». Avec les circuits photoniques intégrés, il est possible de repousser les limites auxquelles se heurte la microélectronique, en particulier au niveau des architectures et des interconnexions.
Des photons pour la biologie
En biologie et en médecine, la lumière est utilisée dans trois axes principaux : l’observation des processus in vivo à des échelles spatiotemporelles inédites, le diagnostic utilisant de nouvelles générations de biopuces et l’intervention mettant en œuvre des techniques non invasives de photothérapie.
De plus, l’instrumentation médicale dispose actuellement d’une panoplie de dispositifs optiques performants et faciles d’utilisation grâce à leurs miniaturisations. Par exemple, les lasers jouent déjà un rôle-clé dans divers processus thérapeutiques. Côté diagnostic, les technologies optiques sont importantes pour des raisons d’efficacité, mais aussi pour des raisons économiques.
Cartographie des câbles sous-marins © www.submarinecablemap.com
Des photons pour source d’énergie et pour les économies d’énergie
Du point de vue énergétique, les technologies photoniques sont en train d’apporter des solutions inédites à la fois pour la production et la consommation de l’énergie électrique.
Les technologies photovoltaïques sont particulièrement bien adaptées aux enjeux majeurs de la société humaine : épuisement des ressources fossiles et lutte contre le changement climatique. L’énergie solaire est inépuisable, disponible partout dans le monde. C’est la raison pour laquelle le parc photovoltaïque se développe considérablement dans le monde depuis près de 10 ans. En France, il croît en moyenne de 12 % par an depuis 1998. L’utilisation des nanotechnologies dans des panneaux solaires photovoltaïques, en particulier pour nanostructurer la matière, devrait pouvoir augmenter leur efficacité.
Les diodes électroluminescentes inorganiques et organiques, qui remplacent progressivement les sources de lumière classiques à incandescence et à fluorescence, pourraient contribuer à réduire la consommation électrique mondiale. L’utilisation généralisée des DELs et des OLEDs blanches pour l’éclairage permettrait d’économiser l’équivalent de 2 milliards de barils de pétrole ; près de 40.000 MW de puissance électrique et 50 millions de tonnes de CO₂ par an. Les analystes prévoient une réduction de 50 % de la consommation électrique mondiale utilisée pour l’éclairage en 2025.
Sécurité
La photonique joue un rôle important dans le domaine de la sécurité. Pour la sécurité alimentaire et des médicaments, l’irradiation UV est le seul moyen pour désinfecter les emballages sans utilisation d’additifs et sans modifications de contenus. À moyen terme, l’implémentation de fonctions multimédia au sein des véhicules généralisera la transmission de données par fibres optiques et l’affichage d’information directement sur le pare-brise devant le conducteur garantissant une meilleure sécurité des personnes à bord.
Les « technologies térahertz » sont également d’autres technologies photoniques avec un énorme impact sur la sécurité. L’irradiation THz devrait progressivement remplacer les rayons X : les fréquences térahertz pénètrent la matière et révèlent les objets cachés mais n’endommagent pas les tissus biologiques humains. L’utilisation de ces systèmes dans les aéroports est une perspective à très court terme.
En somme, comme l’avait prédit le physicien Richard Feynman en 1959, nous sommes entrés dans l’ère du « smaller, faster, cheaper » dont l’idée émergente était la possibilité de manipuler la matière à l’échelle atomique et moléculaire afin de concevoir et de réaliser des composants et systèmes submicrométriques. Dans ce monde du tout-petit, le photon est en train de détrôner l’électron et construire son propre royaume.
Sources
The Conversation : https://theconversation.com/au-xxi-siecle-la-lumiere-sinvite-dans-les-nouvelles-technologies-152019
20 Minutes : https://www.20minutes.fr/sciences/3005155-20210325-photonique-comment-pourquoi-lumiere-invite-nouvelles-technologies
