Photonique : un domaine clé pour l’innovation technologique 1/2
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Selon certains chercheurs, comme Nicolas Marsal, enseignant-chercheur en Photonique au Laboratoire Matériaux Optique Photonique et Systèmes (LMOPS) à Centrale Supélec, à Metz, l’électronique aurait atteint ses limites depuis le début des années 2010. « Nous sommes arrivés à une limite », explique-t-il, « On ne pourra plus aller plus vite ni miniaturiser », faisant référence à la Loi de Moore qui stipule que la puissance de calcul double tous les 18 mois.

Pourtant, la quête d’innovation n’attend pas. « Il faut passer de l’électronique à la photonique », ajoute Nicolas Marsal. Passer de l’électron au photon, c’est utiliser un signal 10 000 fois plus rapide que le signal électrique.  Avec des fréquences optiques pouvant atteindre 500 térahertz, le photon offre une grande possibilité de bande passante pour une quantité inégalée de données transmises.

L’histoire de la photonique remonte au début du XXe siècle, lorsque les scientifiques ont commencé à étudier la nature de la lumière et de l’électricité. Les travaux de Max Planck sur la théorie quantique de la lumière en 1900 ont conduit à la compréhension de la nature corpusculaire de la lumière, ainsi qu’à la notion de quanta d’énergie.

Au fil des décennies, les scientifiques ont continué à explorer les propriétés de la lumière, notamment les phénomènes de réflexion, de réfraction et de diffraction, ainsi que l’interaction de la lumière avec la matière. Les développements dans les domaines de la physique, de la chimie, de l’optique et de l’électronique ont permis d’approfondir les connaissances sur les propriétés de la lumière et de développer des outils pour l’étudier et l’utiliser.

Au milieu du XXe siècle, des progrès dans la production de sources lumineuses, notamment les lasers et les LED, ont permis des avancées significatives dans l’utilisation de la lumière pour des applications pratiques. Les lasers, en particulier, ont ouvert de nouveaux domaines de recherche et de développement, notamment en matière de communication optique, de chirurgie au laser, de traitement des matériaux et d’imagerie médicale.

Au cours des dernières décennies, la photonique a connu une croissance exponentielle, avec des applications dans de nombreux domaines, notamment la communication optique, l’informatique quantique, l’imagerie médicale, l’optique adaptative, la spectroscopie, les capteurs et l’énergie solaire. Aujourd’hui, la photonique est considérée comme un domaine clé pour l’innovation technologique et le développement économique, et elle continue d’évoluer à un rythme rapide grâce aux progrès dans les domaines de la physique, de l’optique et de l’électronique.

Un peu comme Monsieur Jourdain faisait de la prose sans le savoir, nous utilisons dans notre vie, la plupart du temps sans en avoir conscience, des technologies directement issues de la photonique.  Les lasers, les fibres optiques, les caméras et les écrans de nos téléphones, les pinces optiques et l’éclairage dans nos voitures, maisons, écrans d’ordinateur et téléviseurs ne sont que quelques exemples de photonique. Compte tenu du paysage actuel et du potentiel que la photonique a pour stimuler l’innovation dans plusieurs industries, elle a été reconnue comme l’une des six technologies génériques européennes du XXIe siècle. Par ailleurs, la plateforme technologique européenne Photonics21 représente les priorités de recherche en photonique au niveau européen. Son objectif est de fédérer autour de ces questions entre l’industrie, la science et la politique européennes en vue de développer des solutions communes.

L’objectif de cette note de veille est de dresser un panorama (forcément non exhaustif) des grands domaines de déploiement des technologies photoniques et laser en faisant un focus sur le territoire néo-aquitain, l’une des régions en pointe de la recherche et de l’industrialisation des solutions photoniques.

I- Qu’est-ce que la photonique ?

Selon Wikipédia, « 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. »

Le laser  (« light amplification by stimulated emission of radiation » traduisible par « amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement ») est un système photonique. Il s’agit d’un appareil qui produit un rayonnement lumineux spatialement et temporellement cohérent reposant sur le processus d’émission stimulée. Par extension est appelée laser la lumière émise par l’appareil émetteur.

Source : Keyence

Un marché florissant

Selon une étude de MarketsandMarkets, le marché mondial de la photonique devrait passer de 593,7 milliards de dollars en 2020 à 837,8 milliards de dollars d’ici 2025, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 7,1 % au cours de la période de prévision. Le marché mondial des composants photoniques était, quant à lui, évalué à 591,8 milliards de dollars en 2019, selon une étude de Technavio.

Selon SkyQuest, trois pays sont les principaux producteurs de produits photoniques. En 2021, la Chine, le Japon et la Corée du Sud étaient à l’origine de 43 % de la production mondiale de solutions photoniques. Ces dernières années, ces trois pays sont devenus les premiers producteurs de technologies photoniques, grâce à des investissements « agressifs » dans le domaine. Toujours selon SkyQuest, la Chine est en tête du peloton des pays exportateurs de solutions photoniques puisque les exportations d’appareils photoniques ont atteint 130 milliards de dollars en 2021. Derrière la Chine, le Japon totalise 71 milliards de dollars d’exportations, suivi de la Corée du Sud avec 55 milliards de dollars.

Le marché américain de la photonique (Source : Grand Research View)

La France est également très active sur le marché de la photonique. Outre de la recherche et développement de pointe (plus de 300 laboratoires travaillent autour de la photonique), la France a un tissu entrepreneurial florissant avec plus de 1000 entreprises (dont de très grands groupes) pour un chiffre d’affaires de près de 19 milliards d’euros et 80.000 emplois. En 2026, verra le jour, à Centrale Supélec Metz (qui possède la seule chaire de photonique de France), l’Institut de Photonique.

Panorama de la filière photonique en France (Source : Photonics France, mai 2021)

La Nouvelle-Aquitaine est la troisième région française (en chiffre d’affaires sur toute la chaine de valeur) avec 2 milliards d’euros en 2022. Née il y a seulement 20 ans dans la région bordelaise grâce à l’implantation du Laser Megajoule au CEA du Barp, la filière photonique est organisée autour du Pôle de compétitivité Alpha-RLH (qui compte 285 membres), d’une SEM Route des Lasers et d’un bâtiment totem (Institut d’Optique d’Aquitaine) sur le campus universitaire de Talence. Ce sont plus de 100 entreprises (dont 50 start-up) qui sont implantées sur la zone métropolitaine élargie (Bordeaux Métropole et alentour) pour 3500 emplois directs et 12000 emplois indirects. En outre, la Région peut s’enorgueillir de posséder quelques entreprises de pointe comme Amplitude Systèmes (spécialisée dans les lasers Femtoseconde), Muquans (capteurs quantiques), I2S (Caméras et systèmes de vision), Poietis (bio-impression de tissus humains par laser), Sunna Design (éclairage LED solaire) (les 4 premières ayant été accompagnées par Unitec).

II – Les grands marchés adressés par la photonique

A- Médical et sciences du vivant

Le secteur de la santé est l’un des secteurs les plus « consommateurs » de technologies liées à la photonique et aux lasers. Face au double défi que représentent le vieillissement de la population (et ses corollaires comme la dégénérescence et la démence liées à l’âge ou l’explosion des cancers) et l’évolution de nos styles de vie (qui accélèrent l’augmentation du diabète et des maladies cardio-vasculaires), le corps médical se tourne de plus en plus vers la biophotonique.

Parmi les grands domaines des sciences du vivant (et des sciences médicales) qui utilisent des technologies photoniques, on peut citer :

1- L’imagerie médicale

Les techniques d’imagerie médicale telles que l’imagerie par résonance magnétique (IRM), la tomodensitométrie (TDM), et l’imagerie par ultrasons sont toutes des technologies photoniques. Elles permettent de visualiser l’intérieur du corps humain en utilisant différents types de rayonnement électromagnétique pour détecter les tissus mous, les os, les organes, les vaisseaux sanguins et les anomalies. On retrouve dans ce secteur d’activités tous les grands groupes de l’électronique et de la photonique comme Philips Healthcare (qui proposent une gamme complète de solutions pour l’imagerie médicale, y compris la radiologie, la tomographie, l’échographie et l’imagerie nucléaire), GE Healthcare (filiale de General Electric), Siemens Healthineers, Canon Medical Systems  ou Carl Zeiss Meditec (ophtalmologie, neurologie et chirurgie).

Aux côtés de ces grands groupes et acteurs historiques, on trouve de plus en plus de start-up souvent issues de la recherche fondamentale (DeepTech). Parmi elles, Lightpoint Medical qui développe des technologies d’imagerie moléculaire pour aider les chirurgiens à identifier les tissus cancéreux pendant les interventions chirurgicales. Niramai, start-up indienne, développe des solutions d’imagerie thermique pour la détection précoce du cancer du sein. Leur technologie utilise des caméras thermiques et de l’intelligence artificielle pour détecter les anomalies dans les tissus mammaires. Gattaquant est une start-up allemande qui développe des systèmes de microscopie à fluorescence pour l’imagerie des cellules vivantes. Leur produit phare, le microscope SPARCS, est capable de suivre en temps réel les processus moléculaires dans les cellules vivantes. Enfin, nous pouvons citer MolecuLight au Canada, qui développe des dispositifs d’imagerie de fluorescence pour aider les médecins à diagnostiquer et à traiter les infections cutanées. Leur produit phare, le MolecuLight i:X, permet aux médecins de visualiser les bactéries dans les plaies cutanées en utilisant la fluorescence.

MolecuLight i:X est un appareil miniature qui permet d’identifier de manière très aisée la présence de bactérie dans les plaies (Source : MolecuLight)

2- Les thérapies au laser

Les lasers sont utilisés pour des traitements médicaux tels que la chirurgie, la dermatologie, l’ophtalmologie et la thérapie physique. Les lasers de faible puissance peuvent également être utilisés pour réduire l’inflammation, stimuler la cicatrisation des tissus et soulager la douleur. TheraLight, par exemple, développe des appareils de thérapie au laser pour les traitements de la douleur, de l’inflammation et de la régénération des tissus. Leurs produits sont utilisés dans les domaines de la médecine sportive, de la rééducation et de la gestion de la douleur chronique. LightForce Therapy offre des solutions similaires. Fotona, une entreprise slovène, propose des technologies de laser médical pour les applications esthétiques et médicales. Leurs produits incluent des lasers pour le rajeunissement de la peau, la suppression des taches de naissance, le traitement des varices et la chirurgie dentaire. LumiThera est une start-up américaine qui développe des dispositifs de thérapie au laser pour le traitement des maladies oculaires, telles que la dégénérescence maculaire liée à l’âge. Leurs produits utilisent la technologie de la photobiomodulation pour stimuler la croissance des cellules rétiniennes. Ra Medical Systems est une start-up américaine qui produit des appareils de thérapie au laser pour le traitement de la maladie artérielle périphérique, une condition qui affecte la circulation sanguine dans les membres inférieurs. Leur produit phare, le DABRA System, utilise une technique de débridement laser pour éliminer les plaques de calcium des artères. Enfin, très récemment, le CEA a mis au point un implant cérébral équipé d’une fibre optique qui permet par impulsion lumineuse d’apporter de l’énergie aux cellules du cerveau impliquées dans la maladie de Parkinson afin de leur fournir un surplus d’énergie ralentissant leur dégénérescence. La dermatologie est également un domaine d’intérêt pour le laser. Irisiome, start-up qui a été accompagnée par Unitec, commercialise des machines laser dermato-esthétiques (pour effacer les tatouages notamment) à fibre multi-impulsions ‹ 30 picosecondes. Les machines IMPulse sont utilisées par les dermatologues pour traiter les lésions vasculaires, les tâches pigmentaires, l’acné, l’épilation permanente et le détatouage.

Dans un autre domaine, ophtalmologique cette fois-ci, la start-up Ilasis, accompagnée par Unitec, révolutionne le traitement chirurgical de la cataracte par l’utilisation d’une technologie laser brevetée, Helix, qui donne au chirurgien un contrôle total sur l’opération tout en assurant une capsulorhexis sans risque et parfaite. La capsulorhexis est réalisée en 20 millisecondes une fois la pupille dilatée et peut être utilisée sur un globe oculaire fermé avant même le début de l’opération.

3- Endoscopie

Les endoscopes sont des instruments optiques minces utilisés pour visualiser l’intérieur du corps humain. Ils peuvent être équipés de fibres optiques pour éclairer et transmettre des images de l’intérieur du corps vers l’extérieur. L’endoscopie permet des diagnostics précis et des interventions chirurgicales moins invasives.

OmniGuide Surgical développe des fibres optiques à haute puissance pour les applications chirurgicales endoscopiques. Leurs produits sont utilisés pour les interventions en urologie, en gastro-entérologie et en chirurgie générale. De son côté, la start-up italienne K-Laser travaille sur des systèmes laser pour l’endoscopie gastro-intestinale et pulmonaire. Ses produits sont utilisés pour les traitements des lésions précancéreuses, des tumeurs et des maladies inflammatoires. On peut également évoquer Mauna Kea Technologies. Cette start-up française développe des systèmes d’endomicroscopie laser pour la visualisation des tissus et des cellules en temps réel (Cellvizio). Leurs produits sont utilisés pour les examens diagnostiques et les interventions chirurgicales dans les domaines de la gastro-entérologie, de la pneumologie et de l’urologie.

Enfin, nous pouvons citer AOI Tech, une start-up accompagnée par Unitec qui travaille sur le développement d’une technologie permettant de produire des sources de lumière haute brillance à partir d’une source diodes laser et de l’utilisation de matériaux phosphorescents. L’objectif est de proposer une solution palliant les limites des technologies LED blanches (difficilement couplées à une fibre optique, impossibilité d’être collimaté sur de longues distances). Les marchés adressés par la solution AOI Tech sont le secteur médical (endoscopie, microscopie, optogénétique), la défense (éclairage embarqué, projecteur tactique), l’automobile ou l’industrie.

4- L’analyse de fluides

Les capteurs photoniques peuvent être utilisés pour mesurer la composition des fluides corporels tels que le sang, l’urine et la salive. Ces analyses peuvent aider à diagnostiquer les maladies et à surveiller l’état de santé d’un patient. En effet, grâce à sa nature non invasive, à son niveau de résolution et à sa profondeur de champ, elle permet de recueillir des informations d’une grande précision, y compris un large éventail de biomarqueurs, de la glycémie à l’alcoolémie. Axsun Technologies, acquise en 2019 par Excelitas Technologies, propose des solutions d’analyse des fluides basées sur la spectroscopie optique à haute résolution. Leurs produits sont utilisés dans les domaines de la recherche, de la biotechnologie, de la pharmacie et de la médecine pour l’analyse des liquides biologiques et des tissus. OncoNano Medicine : cette start-up américaine utilise les propriétés de la photonique pour créer des nanoparticules permettant de détecter puis traiter les tumeurs cancéreuses.

Enfin, on retrouve bien évidemment la photonique dans la microscopie de précision : microscopie confocale, microscopie à fluorescence et microscopie à champ proche permettent d’observer des structures cellulaires et moléculaires avec une grande précision et une grande résolution spatiale.

Schéma de principe du microscope confocal par Marvin Minsky en 1957

Hekat Fluidics est une entreprise de biotechnologies accompagnée par Unitec. Elle s’est donné pour mission de faciliter le tri des nano-objets biologiques (les exosomes qui sont de petites vésicules nanométriques présentes en très grand nombre dans nos fluides biologiques) dans le cadre de maladies. Par exemple, les exosomes issus de la tumeur cancéreuse située dans un pancréas constituent un biomarqueur spécifique qui n’est pas utilisé, car les biopsies sont invasives donc très risquées. Le résultat : des détections de cancer trop tardives aboutissant à une forte mortalité. L’utilisation d’un laser (à travers un trieur de nano-objets à haute cadence) permet d’augmenter la cadence de tri tout en se passant de méthodes invasives (comme les biopsies) puisqu’une seule goutte de sang permettra un diagnostic précoce et plus précis conduisant à un traitement personnalisé, plus efficace et moins coûteux.

En résumé, la photonique joue un rôle important dans l’avancement des soins de santé grâce à des techniques d’imagerie plus précises, des interventions chirurgicales moins invasives et des diagnostics plus rapides et plus précis.

En marge de cette partie sur la santé et parce qu’il peut rejoindre la partie suivante concernant l’environnement, l’exemple de Mostiglass, proposée par la société GoCap accompagnée par Unitec est intéressant. Cette start-up propose une moustiquaire de nouvelle génération. Contrairement aux autres solutions, fragiles ou inefficaces, Mostiglass est une moustiquaire innovante, car elle propose une moustiquaire rigide en polycarbonate (800 fois plus résistant que le verre) dans laquelle sont percés des centaines de petits trous dont la taille et la forme ont été étudiées pour être d’une efficacité optimale contre l’invasion de moustiques tout en permettant la ventilation des pièces (par l’effet Venturi). Pour réaliser la perforation (réputée très compliquée sur cette matière), GoCap a eu recours au laser seule technologie de perforation capable de percer ces trous respectant un cahier des charges techniques drastiques.

B- Environnement

Deuxième grand domaine d’intervention de la photonique et des technologies laser, l’environnement. La lumière, par essence indispensable à la vie sur Terre, est une source d’énergie infinie et non polluante. En ce sens, elle est particulièrement intéressante pour traiter de toutes les questions environnementales, de la production d’énergie aux techniques de dépollution.

L’éclairage (qu’il soit public ou privé) profite des avancées de la recherche en matière d’efficacité et l’apport de la photonique est tout naturel. Certaines sources estiment que les nouvelles solutions photoniques permettraient une réduction de la consommation énergétique (liée à l’éclairage) de près de 40%. Quand on sait que l’éclairage représente environ 7% de la facture énergétique d’un foyer et entre 15 et 35% de celle d’une ville, les économies peuvent vite augmenter. Le recours aux LED et OLED comme le propose l’entreprise française Effilux permettent de rendre plus efficaces (et donc moins coûteuses) les sources lumineuses tout en proposant une meilleure qualité de la lumière (Libu, accompagnée par Unitec travaille également sur ces technologies-ci). Autre possibilité, la modification de la lumière naturelle comme le propose Cascade Light Technologies permettant à l’agriculture d’adapter le spectre lumineux aux besoins des plantes cultivées et de réduire ainsi sa consommation d’intrants, tout en utilisant moins d’espace.

Autre champ d’application dans le domaine environnemental, l’utilisation de capteurs optiques pour la mesure de la qualité de l’air. Ils peuvent détecter la présence de polluants atmosphériques tels que les oxydes d’azote, les oxydes de soufre, les particules fines et les gaz à effet de serre. Les données collectées peuvent aider les autorités locales à surveiller la qualité de l’air et à prendre des mesures pour la protéger. OPSIS  fournit des solutions de surveillance de la qualité de l’air pour les industries et les villes. Elle utilise des technologies de mesure optique avancées (basées sur l’absorption optique dans la région des ultraviolets) pour mesurer les niveaux de polluants gazeux dans l’air.

La détection des fuites de gaz est également un marché adressé par la photonique et plus particulièrement par l’imagerie hyperspectral (technologie permettant la représentation d’une scène suivant un grand nombre de bandes spectrales (généralement plus d’une centaine), étroites (≤ 10nm) et contiguës). En outre, l’imagerie optique des gaz est une technique d’imagerie thermique innovante qui utilise des caméras infrarouges à haute sensibilité pour détecter les émissions fugitives de gaz industriels (invisibles à l’œil nu et souvent inodores). Les émissions de gaz provenant des industries pétrolière et gazière constituent une source importante de pollution par gaz à effet de serre et sont responsables, respectivement, d’environ 30 et 60 % des émissions totales de carbone dans les installations industrielles. Sensia est une des entreprises leader sur le marché qui propose des systèmes d’imagerie optique des gaz fiables et rentables. Elle propose également des outils de détection des flammes, de la thermographie intelligente, etc.

Les capteurs optiques peuvent être utilisés pour surveiller la qualité de l’eau en détectant les polluants et les contaminants tels que les métaux lourds, les nitrates, les phosphates et les produits chimiques. Les données collectées peuvent aider à protéger la santé publique et l’environnement. Tethys Instruments est une start-up française qui développe des capteurs optiques pour la surveillance de la qualité de l’eau en temps réel. Leurs capteurs mesurent la concentration de différents polluants dans l’eau, tels que les métaux lourds et les hydrocarbures, à l’aide de la spectroscopie optique. Kando a développé une solution de surveillance de la qualité de l’eau pour les canalisations d’eau potable. Leur technologie utilise des capteurs optiques pour détecter les fuites et les anomalies dans les canalisations, permettant ainsi une surveillance plus efficace et une réduction des pertes d’eau.


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juin 21, 2024