Du potentiel en vue de solutions novatrices

 

Valerio Romano et Sönke Pilz discutent du montage expérimental permettant de guider des impulsions laser ultracourtes au moyen d’une fibre optique, sur une machine d’usinage de matériaux. On voit la fibre avec son revêtement vert, le laser d’usinage femtoseconde au premier plan et la machine de structuration de cellules photovoltaïques à film mince, à l’arrière-plan.

Aller de l’avant avec un savoir-faire professionnel

Le traitement thermique, le dépôt de couches minces au moyen de procédés PVD et CVD, des microstructures par lithographie et par gravure, ainsi que des méthodes basées sur la lumière, voilà quels sont les instruments permettant d’atteindre ces objectifs. Ces thèmes, qui font l’objet de projets de recherche, s’intègrent également dans l’enseignement. En effet, sur la base des résultats de recherche actuels, les professeurs d’ALPS ont à cœur de prodiguer un enseignement de niveau bachelor, à la fois vivant et orienté vers l’avenir. Aussi les étudiants sont-ils en prise directe avec les recherches en cours dans le domaine des matériaux et des procédés de fabrication utilisant des lasers. La photonique – une contraction du grec photon et du terme électronique – en fait également partie.

«Au début, la photonique concernait avant tout la transmission de données au moyen de la lumière dans les fibres optiques», explique Valerio Romano professeur à la Haute école spécialisée bernoise, qui dirige le centre de compétences pour les fibres et lasers à fibres, en étroite collaboration avec l’Institut de physique appliquée (IPA) de l’Université de Berne. Il poursuit: «L’affaire a véritablement démarré lorsque le futur prix Nobel de physique Charles Kao a prédit, en 1966, que le quartz – si l’on pouvait en éliminer les impuretés – présenterait une atténuation extrêmement faible». Ce fait a été démontré à la fin des années soixante par des scientifiques et au début des années septante avec le procédé MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) de fabrication de préformes de fibres optiques, à savoir des préformes stables ayant un contour définitif précis.

 

Le doctorant Dereje Etissa en train de fabriquer un verre de quartz ultrapur destiné à la fabrication de préformes à l’aide d’un laser CO2.

Transmettre des données à la vitesse d’un térabit par seconde

C’est ainsi que sont nées des fibres optiques dont les pertes sont si faibles, qu’elles sont capables de transmettre des informations sur des centaines de kilomètres. Grâce à une synergie dynamique de photons et d’électrons, a débuté la marche triomphale des télécommunications modernes.

On entendait par «photonique», une association de fibres optiques formant un canal de données, ainsi que la conversion des signaux à l’aide de photodiodes et son traitement par l’électronique. «Aujourd’hui encore, on interprète mal la photonique, qu’on considère comme étant beaucoup d’électronique avec un peu de fibre optique», explique Valerio Romano.

«Mais le photon s’est émancipé ! Dans les années quatre-vingts, les scientifiques ont étudié l’optique de manière approfondie. Ils ont développé des technologies permettant de produire de la lumière avec un haut rendement, dans une large plage de puissance et dans de nombreuses longueurs d’onde (couleurs), avec des impulsions aussi faibles qu’une femtoseconde. Des lasers à fibres, des lasers à impulsions ultracourtes, des lasers à diode et bien d’autres encore ont également été produits. On a développé des méthodes toujours plus sophistiquées, capables de filtrer la lumière, de la transmettre et de la détecter», ajoute le professeur.

On parle aujourd’hui d’«informatique quantique», à savoir l’utilisation d’un ordinateur quantique dont le fonctionnement repose sur les lois de la mécanique quantique. Et grâce aux effets quantiques de la lumière, le temps de calcul des ordinateurs devrait considérablement se réduire. Valerio Romano, membre du conseil d’administration de Swissphotonics, ajoute: «L’électronique est certes toujours importante dans la photonique, mais elle sert maintenant d’interface avec d’autres composants. Le photon est devenu l’acteur principal dans de nombreux systèmes».

 

Vue du haut sur la tour d’étirage de fibres optiques, de 20 m de profondeur, de l’Institut de physique appliquée de l’Université de Berne. On voit bien la préforme en verre de quartz qui va être chauffée à 2000 °C dans le four.

La photonique, une technologie exploitant la lumière

La lumière possède des propriétés sidérantes. Avec sa vitesse de 300’000 km/s, elle bat tous les records. Si sa longueur d’onde est suffisamment faible, comme c’est le cas des rayons X, par exemple, on peut la focaliser sur un millionième de millimètre – une précision de l’ordre du nanomètre. Elle peut créer des impulsions ultracourtes, allant jusqu’à un millionième de milliardième de seconde – la femtoseconde. Et la lumière transporte des millions de mégabits par seconde. De ce fait, son intensité atteint des milliards de mégawatts.

Mais si la lumière n’est pas un produit «commercialisable» pour le grand public, aucun équipement ne peut aujourd’hui s’en passer, que ce soit pour mesurer, analyser, visualiser ou usiner. C’est pourquoi le Conseil fédéral tient à cœur que la Suisse reste l’un des leaders du développement et de l’application des technologies numériques. C’est dans ce but qu’il a décidé d’engager au total 62 millions de francs dans le cadre de son plan d’action 2019-2020. Il s’agit, d’une part, duprogramme d’impulsion «Technologies de fabrication» et, d’autre part, de promouvoir la numérisation dans le domaine de l’énergie et de la mobilité via les pôles de recherche nationaux en énergie (Swiss Competence Centers for Energy Research, SCCER).

Ce programme d’impulsion a pour but d’encourager les projets d’innovation, à l’intersection entre la recherche et le transfert de technologie, que mènent des entreprises suisses, conjointement avec des institutions de recherche, dans les domaines de l’industrie 4.0 et des technologies de fabrication modernes, en s’appuyant sur les technologies numériques. Les fonds supplémentaires pour 2019 et 2020 s’élèvent à 24 millions de francs.

 

Vitrification d’une préforme pour la fabrication de fibres optiques au moyen d’un laser. À l’intérieur d’un tube en quartz se trouve une poudre de quartz ultrapure – c’est-à-dire du sable – qui est vitrifiée au moyen d’un laser.

Davantage de moyens engagés dans les connaissances et les performances

La photonique est typiquement une «technologie habilitante». Elle se dissimule dans chaque objet de notre société moderne, de l’iPhone au diagnostic et à la thérapie laser, en passant par l’aéronautique, la voiture, la transmission des données par Internet au moyen de réseaux de fibres optiques, la fabrication industrielle à l’aide de systèmes lasers ou encore l’éclairage peu énergivore grâce à des LED ou des OLED. Pourtant, nous ne sommes qu’au début de leur utilisation de manière pertinente.

«La photonique sera au cœur de cette mutation, en fournissant des outils et des solutions à toutes les industries, dans chaque région d’Europe qui entend relever le défi de la compétitivité», déclare Aldo Kramper, PDG de la société Osram Opto Semiconductors GmbH et président de la plateforme technologique européenne Photonics21, créée en 2005 par l’association d’entreprises et d’instituts de recherche du domaine de la photonique. Cette plateforme, qui compte aujourd’hui près de 2000 membres, a pour objectif d’unir et de souder la communauté européenne de la photonique, afin de renforcer et de promouvoir cette discipline. Qui mieux est, elle représente l’ensemble de la valeur.

En remplaçant les électrons par des particules de lumière – les photons – dans nos technologies les plus pointues, nous pouvons optimiser les procédés de fabrication ainsi que les innovations dans les secteurs alimentaire et de la santé, économiser l’énergie, réduire la pollution de l’environnement et marquer le début d’une nouvelle ère de la mobilité. La photonique dispose des outils pour protéger les emplois et accélérer la croissance. Toutefois, cela signifie développer en Europe une véritable infrastructure, du laboratoire à la fabrication, utiliser les atouts de la photonique pour créer des produits innovants et saisir les opportunités du marché. Mais nous devons également former aujourd’hui, les spécialistes en photonique de demain !

 

La préforme (claire et lumineuse) est poussée très lentement dans le four à 2000 °C.

La formation – un sésame vers une carrière

Grâce à nos compétences en technologie industrielle, en particulier dans les secteurs de la machine-outil et de la robotique, nous sommes particulièrement bien positionnés en Europe. Examinons donc quelques aspects des systèmes lasers industriels. Ayant réalisé en 2016 un chiffre d’affaires de 11,4 milliards d’euros – soit 7,4 % de plus que l’année précédente –, il s’agit de la plus importante technologie de fabrication. Dans ce contexte, l’Institute for Applied Laser, Photonics and Surface Technologies ALPS de la Haute école spécialisée bernoise BFH est solidement implanté. Les coopérations entre l’industrie ou les instituts de recherche et les scientifiques d’ALPS, dans le cadre de mandats directs, bénéficient du soutien d’Innosuisse, du Fonds national suisse (FNS), d’Eurostar ou encore du programme COST (European Cooperation in Science and Technology).

«Dans le cadre de ce climat novateur, nous avons besoin, pour former des spécialistes créateurs, d’une plateforme assurant la collaboration entre le secteur public et le secteur privé. Celle-ci doit permettre de définir de nouvelles professions dans le secteur de la photonique, ainsi que de spécifier les compétences que doivent octroyer les universités, les hautes écoles spécialisées et les écoles professionnelles», explique Valerio Romano. «Il convient, en outre, de créer un environnement favorable aux entreprises. Nous aurons également besoin, ces prochaines années, de 80’000 nouveaux experts – sans l’apport de femmes hautement qualifiées, nous ne pourrons jamais les trouver !», conclut le chercheur.  •

 

Liens Plateforme technologique européenne Photonics2: www.photonics21.org Groupe spécialisé Swissmem Photonics: www.swiss-photonics-industry.ch RTN Swissphotonics: www.swissphotonics.net Haute école spécialisée bernoise BFH: www.ti.bfh.ch Institute for Applied Laser, Photonics and Surface Technologies (ALPS): www.alps.bfh.ch

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*Journaliste science + technologie