Photonique : un domaine clé pour l’innovation technologique 2/2
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C- Agriculture et industrie agroalimentaire

L’agriculture et l’industrie agroalimentaire sont également des secteurs particulièrement friands de technologies photoniques. Les usages sont divers et couvrent un large spectre d’activités. Le contrôle de la biomasse végétale est un enjeu de taille pour les exploitations agricoles et plus particulièrement pour la gestion des cultures. Les capteurs optiques peuvent détecter les différences de couleur dans la végétation, ce qui peut être utilisé pour cartographier la densité de la biomasse. Gamaya, en Suisse, utilise des drones équipés de caméras hyperspectrales pour collecter des données sur la santé et la croissance des cultures. Les données ainsi collectées peuvent être utilisées pour optimiser l’utilisation des ressources et améliorer les rendements agricoles. L’entreprise belge Terrascope utilise également l’imagerie hyperspectrale depuis des satellites pour surveiller la santé des forêts et des cultures à grande échelle. On retrouve l’utilisation de la lumière dans le contrôle, la prévention et le traitement des maladies dont peuvent être victimes les cultures. Ecorobotix est une entreprise suisse avec une filiale en France qui utilise la photonique pour le contrôle des mauvaises herbes dans les cultures. Leur robot agricole utilise des capteurs optiques pour détecter les plantes et appliquer sélectivement des herbicides de manière ciblée, ce qui réduit la quantité d’herbicide utilisé et minimise les impacts environnementaux.

Les pulvérisateurs intelligents ARA d’Ecorobotix permettent d’augmenter les rendements en réduisant l’utilisation de produits sanitaires

Bioceanor utilise des capteurs optiques pour mesurer la qualité de l’eau en temps réel, ce qui permet de prévenir la croissance de bactéries et de parasites dans les bassins d’eau des élevages aquacoles. L’entreprise fournit également des solutions pour le contrôle de l’eau, quelle que soit la zone impliquée (massifs, coralliens, ports, lacs, zones de baignade, etc.). Goyalab, entreprise experte en spectrométrie moléculaire située à Bordeaux et accompagnée par Unitec, propose un spectrophotomètre, l’IndiGo module chimique, qui permet l’analyse d’un spectre d’absorption à partir d’une source polychromatique, permettant notamment d’analyser la pollution dans les eaux. Les solutions proposées par l’entreprise couvrent de nombreux secteurs d’activités autres que l’analyse chimique.

Inalve utilise des lampes LED pour favoriser la croissance des microalgues qui serviront à nourrir les élevages et ainsi améliorer la durabilité de l’industrie aquacole.

Le contrôle qualité est un autre domaine dans lequel la photonique peut jouer un rôle. La spectroscopie, qui consiste à analyser la lumière pour identifier les composants des échantillons, peut être utilisée pour mesurer la qualité des aliments ou la teneur en sucre comme en nutriments. Les agriculteurs peuvent ainsi déterminer le moment optimal pour récolter les cultures. Centaur Analytics est une entreprise basée aux États-Unis (avec une présence en France) qui combine Internet des Objets et photonique pour surveiller la qualité des grains stockés après récolte. Leur système utilise des capteurs optiques pour mesurer la température, l’humidité et la qualité de l’air dans les silos de stockage de grains, ce qui permet aux agriculteurs et aux fournisseurs de surveiller les conditions de stockage et de prévenir la détérioration des grains.

Le système développé par l’entreprise Centaur permet, grâce à l’utilisation de capteurs et de caméra, de contrôler l’évolution des grains stockés dans les silos

TellSpec, de son côté , combine la spectroscopie et l’intelligence artificielle pour mesurer les ingrédients et la composition des aliments. Leur appareil portable utilise des capteurs optiques pour analyser les aliments et fournir des informations sur les allergènes, les calories, les nutriments et les additifs, ce qui permet aux consommateurs de mieux comprendre ce qu’ils mangent.

D- La fabrication additive

La photonique joue un rôle important dans les technologies de fabrication additive, telles que l’impression 3D. Les lasers sont largement utilisés pour fondre ou solidifier des matériaux (soudage laser, durcissement laser, fusion sélective), permettant ainsi la fabrication de pièces complexes avec une grande précision. Les techniques d’impression 3D basées sur la photonique permettent une production rapide de prototypes, une personnalisation accrue et une optimisation de la conception des produits. Carbon est une entreprise américaine qui utilise la photonique pour sa technologie d’impression 3D appelée Digital Light Synthesis. Le processus implique l’utilisation d’une lumière projetée à travers une fenêtre de polymère liquide photosensible pour solidifier la résine, permettant ainsi de produire des pièces en polymère hautement résistantes et de haute qualité. Optomec est spécialisée dans les technologies de fabrication additive, y compris la photolithographie laser. Son système LENS (Laser Engineered Net Shaping) utilise un faisceau laser pour fondre des matériaux en poudre et construire des pièces métalliques de manière additive. Microlight3D est une start-up française qui développe des solutions de fabrication additive basées sur la photonique. Sa technologie, la polymérisation à 2 photons, utilise un laser femtoseconde pour solidifier des matériaux photosensibles à l’échelle microscopique, permettant de créer des structures tridimensionnelles de haute résolution avec des détails submicroniques. Leurs systèmes sont utilisés dans des applications telles que la microfabrication, la microfluidique et la micro optique. Par ailleurs, Poietis, start-up pessacaise spécialisée dans la bio-impression 3D et 4D, utilise la technologie de bio-impression basée sur la photopolymérisation pour créer des tissus biologiques en trois dimensions. En utilisant des lasers pour positionner et solidifier les cellules vivantes, Poietis vise à révolutionner les domaines de la médecine régénérative et de la recherche pharmaceutique.

Schématisation de la plateforme Next Generation Bioprinting de Poeitis (Source : Poeitis)

Namma, accompagnée par Unitec, est un fabricant de machines hybrides et modulables qui permettent de combiner impression 3D et laser UV grâce à des têtes-outils. La tête-UV, LUV06, permet de graver des pièces à des fins d’identification sur plus d’une dizaine de matières à la fois naturelles (pierre, cuir) ou artificielles (mousses, polymère, néoprène …). Proposant une suite logicielle en compléments des machines d’impression 3D, Namma offre à l’usine de demain une très grande agilité par une personnalisation modulaire intégrée et ultra connectée.

Organisation modulaire d’une usine selon Namma (Source : www.namma-france.com)

E- L’usine du futur

La photonique est également utilisée dans la modernisation des usines et est un enjeu majeur de l’usine du futur. L’usine du futur, ou Usine 4.0, correspond à la 4e révolution industrielle (après la première, celle de la mécanisation, la deuxième, celle de l’électrification et la troisième, celle de l’électronique/robotique). Elle sera basée sur les cybersystèmes et croisera les technologies numériques (réalité virtuelle, cloud computing, big data, jumeau numérique), l’Internet des objets et la fabrication additive. Dans tous les cas, la photonique et le laser joueront un rôle central dans l’automatisation et l’optimisation des process, dans la sécurité et la cybersécurité des usines, dans la réduction des consommations énergétiques et la durabilité et dans les réseaux de communication. Ce dernier point est particulièrement saillant.

La fibre optique est un exemple majeur de technologie photonique utilisée dans les réseaux de communication. Elle permet de transmettre des données à des vitesses extrêmement élevées en utilisant la transmission de signaux lumineux à travers des câbles en verre ou en plastique. Comparée aux autres technologies de transmission, la fibre optique offre une bande passante beaucoup plus large, une latence réduite et une meilleure immunité aux interférences électromagnétiques.

Dans l’usine du futur, ces réseaux à fibre optique permettent de connecter différents systèmes, machines et dispositifs entre eux. Cela facilite la collecte en temps réel des données de production, des informations sur les performances des équipements et des paramètres de contrôle de qualité. Ces données peuvent ensuite être analysées pour optimiser les processus de fabrication, anticiper les anomalies (maintenance prédictive) et prendre des décisions éclairées. L’entreprise Diagrams Technologies utilise une combinaison capteurs/fibre optique/intelligence artificielle pour offrir des solutions de maintenance prédictive aux usines.

Les technologies photoniques sont également utilisées dans les capteurs et les dispositifs IoT présents dans l’usine du futur. Ces capteurs, basés sur des principes optiques, peuvent mesurer différentes grandeurs physiques telles que la température, la pression, la force, la position, la composition chimique, etc. Ils fournissent des données précises et fiables sur les conditions de production, permettant ainsi de surveiller et de contrôler les processus en temps réel. Par exemple, des capteurs à fibres optiques peuvent être utilisés pour mesurer la température dans les environnements de production à haute température, tels que les fours industriels. Ces capteurs sont insensibles aux interférences électromagnétiques et peuvent fournir des mesures précises et stables dans des conditions extrêmes.

De plus, la photonique offre des possibilités de miniaturisation des capteurs et des dispositifs IoT, ce qui permet de les intégrer de manière transparente dans l’environnement de l’usine du futur. Par exemple, des capteurs optiques miniatures peuvent être intégrés dans des robots industriels pour surveiller leur position, leur mouvement et leur interaction avec l’environnement comme c’est le cas avec les bras robotisés et cobotisés proposés par Aérospline.

Bloom Lasers, start-up accompagnée par Unitec, fournit des lasers industriels haut de gamme (qualité et stabilité du faisceau, évolutivité, facilité d’utilisation et d’entretien) à des coûts très faibles. La gamme, composée de trois lasers, couvre des lasers nanoseconde et des lasers picoseconde. Aerodiode, également accompagnée par Unitec, offre aux industriels des solutions hardware à diodes laser, modulables. On trouve des lasers à fibre, des diodes laser fibrées et des modulateurs à fibre optique.

F- La photonique et le quantique

Comme nous l’avons vu en introduction, le signal optique se distingue du signal électrique par des vitesses 10 000 fois plus importantes. Le remplacement de la puce électronique par la puce photonique permet alors d’augmenter considérablement les performances d’un ordinateur. C’est la raison pour laquelle les fabricants de composants s’attèlent à développer des technologies utilisant la photonique. Ils sont ainsi capables de transmettre, traiter et convertir les signaux optiques à destination de systèmes d’informatique classique, mais surtout quantique.

Nous ne développerons pas en détail cette partie puisqu’elle a fait l’objet d’une note de veille qu’Unitec a publié en décembre 2021 et que l’on peut retrouver sur le site Internet d’Unitec.

Nous pouvons tout de même rapidement lister les utilisations de la photonique dans le cadre de la mécanique et de l’informatique quantique.  

  1. Génération de qubits : les qubits sont les éléments de base de l’information quantique. La photonique permet la génération de qubits en utilisant des photons individuels. Des sources de photons uniques, basées sur des semi-conducteurs ou les non-linéarités optiques, sont utilisées pour produire des qubits photoniques, qui peuvent être utilisés pour le traitement et la transmission de l’information quantique.
  2. Manipulation de qubits : la photonique offre des moyens efficaces pour la manipulation des qubits photoniques. Des éléments optiques, tels que les diviseurs de faisceau, les modulateurs, les filtres optiques et les détecteurs, sont utilisés pour effectuer des opérations sur les qubits photoniques, telles que la mesure, l’encodage, la transformation et l’interférence quantique.
  3. Communication quantique : la photonique est utilisée pour la communication quantique, qui est l’échange d’information quantique entre des parties distantes de manière sécurisée. Les qubits photoniques peuvent être transmis sur de longues distances via des fibres optiques, permettant ainsi la communication quantique à travers des réseaux quantiques. Des techniques de codage quantique et de cryptographie quantique basées sur la photonique sont utilisées pour sécuriser les transmissions d’information quantique.
  4. Détection et mesure quantique : La photonique est également utilisée pour la détection et la mesure d’états quantiques. Des détecteurs de photons sensibles, tels que les détecteurs à avalanche, sont utilisés pour détecter les qubits photoniques. Des techniques d’interférométrie quantique, telles que l’interféromètre de Mach-Zehnder, sont utilisées pour mesurer les états quantiques et réaliser des opérations de mesure quantique. Muquans, entreprise basée à Talence, propose le seul gravimètre quantique disponible sur le marché dont la précision permet des mesures de gravité dans des situations inédites comme dans le cadre de l’étude de l’activité des volcans.
  5. Calcul quantique optique : La photonique joue un rôle clé dans la réalisation de calculs quantiques optiques. Des circuits photoniques, tels que les réseaux de guides d’ondes et les réseaux de circuits intégrés optiques sont utilisés pour réaliser des opérations quantiques, telles que les portes logiques quantiques et les algorithmes quantiques. Ces circuits photoniques permettent le traitement de l’information quantique avec des qubits photoniques.

G- La photonique dans le transport et les mobilités

Dans le secteur du transport et de la mobilité, les technologies photoniques sont utilisées dans les domaines des communications, de la détection, de l’imagerie ou encore de la télédétection.  

La fibre optique possède un atout indéniable sur les réseaux de communication classiques à base de cuivre : elle permet de transmettre des signaux lumineux sur de longues distances avec une faible atténuation du signal garantissant un degré de communication optimal. Par ailleurs, le débit permis par la fibre optique est sans commune mesure avec celui du cuivre. C’est la raison pour laquelle, Orange a annoncé en 2022, le remplacement progressif (2023-2030) du réseau de communication par cuivre par un réseau par fibre optique. Le déploiement de la fibre optique sera un des enjeux de la Smartcity, la ville de demain intelligente et communicante. Dans ce cadre, le système de transport et de mobilité sera dépendant d’Internet et des communications numériques et les qualités de la fibre optique (forte réactivité, latence nulle, sécurité) seront un gage de réussite du développement des projets de villes intelligentes.   Les capteurs optiques basés sur la photonique sont utilisés dans diverses applications de transport. Par exemple, les capteurs de position basés sur des réseaux de Bragg utilisent la réflexion de la lumière pour détecter des changements de position, ce qui peut être utilisé dans les systèmes de navigation des véhicules. Toujours dans l’univers de la voiture autonome, le Lidar (Light Detection and Ranging) est une technique de télédétection qui utilise des lasers et des détecteurs optiques pour mesurer la distance et d’autres propriétés des objets (en envoyant rapidement des impulsions de lumière, sous forme de rayons laser réfléchis sur les objets environnants (arbre, piéton, voiture, bâtiments, etc.) ou vers le sol directement). Le Lidar est, par ailleurs, utilisé dans de nombreux domaines du transport, notamment la cartographie, la détection d’obstacles et la surveillance de l’environnement pour la sécurité routière. AEye, Lumentum ou encore Lumotive, par exemple, proposent des solutions en ce sens. Si elle reste une technologie onéreuse, notamment dans le cadre de la voiture autonome individuelle, elle est d’ores et déjà déployée dans les camions de transport.

Principe de fonctionne du Lidar

La photonique est également utilisée dans les systèmes d’éclairage intelligent pour les infrastructures de transport, tels que les feux de signalisation à LED, les panneaux de signalisation rétroéclairés et les systèmes d’éclairage public à haute efficacité énergétique. Ces systèmes permettent de réduire la consommation d’énergie et d’améliorer la visibilité et la sécurité sur les routes. La France, si elle ne fait pas partie des pays à la pointe sur le sujet, dispose d’un tissu industriel de premier plan avec Legrand, Schneider, Effilux ou encore Lucibel.

H- Aérospatial et aéronautique

Pour terminer, il n’est pas possible d’évoquer le marché de la photonique sans aborder les deux secteurs d’activités qui n’en seraient pas à ce point de développement sans l’apport du laser et des autres technologies photoniques, l’aérospatiale et l’aéronautique.

Les technologies photoniques dans l’aéronautique (Source : Alpha RLH)

Comme on le constate sur l’infographie proposée par Alpha-RLH, le secteur aéronautique est un concentré de la plupart des technologies photoniques et laser que nous avons rencontrées jusqu’ici. Utilisation du laser pour la découpe d’acier et de métaux, pour le façonnage, le décapage ou la perforation. Utilisation de la fabrication additive pour les petites pièces et les supports. Le laser est également utilisé pour le traitement des surfaces (Surface Processing), pour le soudage, l’assemblage. Le laser est également utilisé pour le marquage de certaines pièces pour lesquelles les techniques habituelles (jet d’encre, étiquetage, puce RFID) ne sont pas satisfaisantes. Le marquage laser est alors recommandé sur des pièces subissant des forces importantes et des environnements difficiles comme les moteurs d’avions, les trains d’atterrissage, les vannes, etc. L’intérêt du marquage laser est qu’il est reproductible et efficace sur une gamme très étendue de matériaux (acier, laiton, titane, plastiques, aluminium, carbure de tungstène, etc.) ce qui en fait un procédé particulièrement intéressant.

L’aérospatiale n’est pas en reste. Les technologies laser, et plus largement photoniques, sont des outils précieux dans la conquête de l’espace. À titre d’exemple, le laser est utilisé dans un appareil appelé le gyromètre laser (ou gyrolaser) qui est un capteur de vitesse angulaire ou vitesse de rotation (taux de variation d’un angle par rapport au temps) dans un plan. L’association de trois gyrolaser permet de mesurer la vitesse angulaire d’un objet mobile dans l’espace. On retrouve le gyrolaser dans tous les véhicules de transport civils ou militaires ainsi que dans les modules spatiaux.  

De son côté, la NASA a en projet un système de communication laser entre la Terre et l’espace. L’idée est de « mimer » la fibre optique utilisée sur Terre pour transporter une très grande quantité d’informations, mais sur des très longues distances et à très grande vitesse. Pour cela, la NASA envisage de ne garder que le « lien laser » supprimant tout support physique de la fibre optique. Cependant, pour l’heure, le retour d’informations sur Terre depuis l’émission à des milliers de kilomètres est contraint par des données environnementales comme les intempéries ou d’autres phénomènes météorologiques qui dégrade le signal. Les ondes radio sont encore largement utilisées malgré des débits moindres et un phénomène de goulot d’étranglement que le laser pourrait résoudre.  

Certains fantasment la possibilité, demain ou plutôt après-demain, d’utiliser la lumière pour propulser un objet (pour l’heure, les modèles théoriques ne parlent que d’une très grande toile de 330 mètres de côté) dans l’espace. L’idée est d’utiliser la poussée faible, mais continue (l’exact opposé des méthodes d’arrachement à la Terre actuelles) et d’utiliser la lumière gratuite et inépuisable du soleil (la quantité de photons est infinie dans l’espace) pour voyager dans l’espace. La propulsion photonique est-elle l’avenir de la conquête spatiale ? Nous n’y sommes pas encore ! Pour l’heure, les domaines d’applications de la photonique sont suffisamment divers (nous l’avons vu tout au long de cette note de veille) pour continuer la recherche en espérant qu’un jour cette technologie puisse nous faire décrocher la Lune.

Trois questions à Hervé Floch, Directeur général ALPHA-RLH, pôle de compétitivité ALPHA – Route des Lasers & des Hyperfréquences® qui accompagne entreprises et laboratoires dans le montage, l’expertise et le financement de projets innovants.

1/ Quelles ont été les grandes avancées liées à la maitrise des technologies photoniques ?

Hervé Floch, Directeur général ALPHA-RLH

La photonique, c’est à la fois la science et la technologie de la lumière qui regroupe toutes les applications industrielles liées à cette lumière. Ainsi, on peut considérer que la première révolution issue de ces études date de 1960 avec la création du 1er laser à rubis. Puis pour transporter cette lumière la fibre optique a vu le jour ainsi que les capteurs destinés à la manipuler et enfin les nouveaux modes d’éclairage qui nous entourent désormais. Aujourd’hui, la photonique est donc partout dans la fabrication de nos biens de consommation courants, le laser étant devenu incontournable dans de nombreuses industries comme les smartphones (découpe, soudure, positionnements de composants), l’automobile, la santé (rayons X), l’aviation, etc.

2/ Et dans un avenir plus ou moins lointain, quelles sont les innovations de rupture que nous devrons à la photonique ?

Dans le domaine de l’automobile, la valeur ajoutée de la voiture de demain sera l’éclairage. En effet, d’ici quelques années, les autos devront être recyclables à au moins 85 %. Ce qui signifie qu’elles vont toutes se ressembler. Donc le seul élément différenciant se fera dans l’éclairage… l’optique. En ce qui concerne le domaine de la santé, si on associe demain la photonique, à l’intelligence artificielle et au big data, on ira vers des radiomics qui permettront d’obtenir des diagnostics de précision sur mesure. Et enfin, impossible de ne pas parler de la photonique quantique. Appliquée aux ordinateurs et à la cryptographie, nous pourrons sécuriser nos informations et renforcer la protection de nos données.  Et grâce aux gravimètres quantiques notamment ceux développés par Muquans, nous pourrons analyser plus finement nos sols. La maîtrise de la quantique et ses retombées en termes d’applications vont certainement ouvrir de nouvelles perspectives très intéressantes.

3/ Enfin, parlez-nous du dynamisme de la région Nouvelle Aquitaine en matière de photonique et le rôle d’Alpha-RLH dans cet écosystème.

En novembre 2022, Alain Rousset a reçu le prix de Advocate of Optics. Il s’agit du premier Français à recevoir cette distinction internationale remise par Optical, ex Optical Society of America. Ce prix vise à récompenser l’action d’un homme politique qui soutient et développe la photonique à travers le monde. D’un point de vue chronologique, en 1996 suite à l’arrêt des essais nucléaires dans le Pacifique, la France lance le programme « Simulation », conduit par le CEA destiné à garantir la sûreté et la fiabilité de la dissuasion française. Il fallait un grand outil expérimental, ce sera le laser méga joule et celui-ci sera implanté en Aquitaine. Dans la foulée en 1998, Alain Rousset créera avec les services de l’Etat un projet territorial qui deviendra la marque « Route des lasers ». Et vingt ans après, nous pouvons observer les formidables résultats qui en découlent à travers la création d’un écosystème de la photonique complet de la recherche à l’industrie : formation, incubateurs, parc industriel, soutiens financiers, etc. En conclusion, notre pôle de compétitivité DeepTech est un très bel exemple de construction dans la durée, quand le politique reste fidèle à ses convictions et garde la capacité à dérouler son projet sur du long terme.  Ainsi, la photonique c’est aujourd’hui, 6500 emplois directs créés et hautement qualifiés, entre 15 000 et 20 000 indirects induits, une centaine de start-ups qui survivent pour 92% d’entre elles et ce grâce à près de 250 millions d’euros de soutien de la puissance publique régionale.

Les start-up accompagnées par Unitec citées dans cette note de veille : Ilasis, Hekat fluidics, la solution Mostiglass, Goyalab, Namma, Aerodiode, AOI Tech, Libu et Bloom Lasers. On peut ajouter une autre start-up, Keysom, fabriquant des architectures processeur innovantes à destination des acteurs du semi-conducteurs.


Cliquez ci-dessous pour lire la 1ère partie de la note :

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avril 9, 2024