Optique en 2005

L’Optique en 2005,
une discipline renouvelée
Télescopes, lasers, fibres, … synchrotrons, … et
condensats de Bose-Einstein :
concepts, technologies, applications.
Pierre Chavel,
Laboratoire Charles Fabry de l’Institut
d’Optique, CNRS Orsay
Mars 2005
Introduction: qu’est-ce que l’optique?
• Exemples tirés de « media » 2005
• Définitions
OPTOELECTRONIQUE Un nouveau lecteur d'empreintes
digitales, capable de scanner sans contact avec la peau
Redacteur : [email protected]
• Mitsubishi Electric Corporation annonce le premier
scanner capable de lire les empreintes digitales sans
contact avec la peau … améliorer les dispositifs de
securite d'aeroports. Ce nouvel appareil emploie la
lumière provenant d'une diode électroluminescente
(LED) rouge qui scanne à travers le doigt et analyse
les motifs des couches épidermiques. Ce lecteur
d'empreintes digitales sera commercialise avec son
logiciel d'exploitation au prix de 100.000 yens (720
euros) environ.
Sources : Asahi Shimbun, 26/02/2005
The shortest ever laser pulse at optical
frequencies
• Physicists at Stanford University have produced the shortest ever
laser pulse at optical frequencies. The pulse lasts for just 1.6
femtoseconds, which corresponds to just 0.8 of an optical cycle for
pulses with a central wavelength of 650 nanometres (Phys. Rev.
Lett. 94 033904, 28 janvier 2005).
Cryptographie quantique : 2 « jeunes
pousses » en concurrence
FEATURE ARTICLES
January 2005 issue
INNOVATION
Best-Kept Secrets
Quantum cryptography has marched from
theory to laboratory to real products
By Gary Stix
Scientific American, janvier 2005
Le site du synchrotron Soleil à St Aubin
Le schéma de l’anneau et des premières
lignes de lumière
Le chantier, 2 mars 2005
L’optique en 1901
Définitions
• Electro-optique : « un effet électro-optique désigne une modification
des propriétés optiques sous l’action d’une commande électrique »
• Opto-électronique : « L’association de l’optique et de l’électronique
dans un même composant »
• Optronique : « Mariage de l’optique et de l’électronique » parfois
restreint à quelques applications particulières comme les applications
militaires ou les télécommunications : à éviter, trop ambigu.
• Photonique figure au Petit Larousse et au Petit Robert avec des
définitions que l’on pourrait discuter. Pour certains, il y a une activité
scientifique, l’optique, et une activité économique, la photonique.
• De tout cela, il ressort une
• Solution : l’optique s’est transformée, mais elle est toujours l’optique.
• L’Optique est la discipline scientifique et technique qui couvre les
phénomènes physiques associés à la génération, la manipulation, la
modulation, la transmission et la détection de la lumière, ainsi que toutes
leurs applications
Voyage à travers l’optique
fil directeur : qu’est-ce qui a changé l’optique?
• La micro-électronique
o par ses applications directes au traitement de
l’information
o par l’utilisation directe de ses technologies pour
l’optique, ce qui la transforme en
nanotechnologies
• Le
laser
• Les matériaux:
fibres, composites, …
La microélectronique et les
nanotechnologies
• Traiter l’information
• Utiliser les moyens technologiques pour de
nouveaux composants optiques
Interférences à
λ=13 nm
Dispositif optique de contrôle et de mesure
du déplacement
Réflecteur fixe
x
z
y
Réflecteur mobile
D. Joyeux, N. de Oliviera, D. Phalippou, 2001
3
435.83
366.33
365.48
365.01
407.78
404.66
398.40
313.18
334.15
312.51
2.5
2
1.5
1
Spectre d ’une Lampe
à vapeur de mercure
sur l’intervalle
spectral
[315- 450] nm.
0.5
0
446.2
435.9
426.2
416.8
407.8
399.3
391.0
383.1
375.5
368.3
361.3
354.5
348.0
341.7
335.7
329.9
324.2
λ(nm)
2
1.8
366.33
365.48
365.01
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
384.1 382.1 380.2 378.3 376.4 374.6 372.7 370.9 369.1 367.3 365.6 363.8 362.1 360.4 358.7 357.0 355.3 353.7 352.0 350.4 348.8
λ(nm)
318.8
313.5
Structures
diffractives à
l’échelle sublongueur d’onde,
milieux effectifs
LPN, LCFIO
Ph. Lalanne
period
Waveguiding effect
period
Cristaux photoniques 2D
H. Benisty, E. Schwoob-Viasnoff
• Dispositifs pour le réseau optique métropolitain (2003-2004)
Guide "W3"
• Un brevet CNRS-X en 2003
1 µm
Cavités résonnantes, tamis à photons, ..
T. Noda
LPN/Minerve
Minatech/LCFIO
T. Ebbesen
LPN/LCFIO
LPN/LCFIO
Les Lasers
Lumière Amplifiée par Stimulation d’Emission de Radiation
Chirurgie réfractive par laser
femtoseconde
http://www.snof.org/chirurgie/femtoseconde.html
Les lasers, du plus petit …
2 millions de lasers
sur 1 cm2
J. Jewell, Bell Labs,
1989
Au plus grand : le projet Megajoule (CEA)
CEA : le projet Mégajoule
3 km detector assembling now almost completed
FRANCE - CNRS
ITALY - INFN
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
ESPCI – Paris
IPN – Lyon
LAL – Orsay
LAPP – Annecy
OCA - Nice
Paolo La Penna
European Gravitational Observatory
Firenze-Urbino
Frascati
Napoli
Perugia
Pisa
Roma
Virgo mirrors
• High quality mirrors
o Substrate losses:
o Coating losses:
o Surface deformation:
o ∆R:
1 ppm
<5 ppm
λ/100
<10-4
Ion Source
SiO2 target
Mask
Sputtered
Atoms
Robot
Y
X
Mirror
Interferometer
Wavefront control
•http://www.virgo.infn.it/PublicDoc/Presentations/Presentazione%20Virgo%20Light.ppt
The Central Interferometer (CITF):
6 m recycled Michelson
Auxiliary 160 mW laser
Paolo La Penna
European Gravitational Observatory
In the first part of the commissioning
an auxiliary commercial laser source used
Les temps très courts
En
la lumière parcourt
1 seconde
la distance terre-lune
1 milliseconde
Paris-Nancy
1 microseconde
la tour Eiffel
1 nanoseconde
la longueur d’un pied
1 picoseconde
l’épaisseur d’un cheveu
1 femtoseconde
un transistor sur un Pentium III
1 attoseconde
une molécule de benzène
Les matériaux pour
l’optique
Matériaux non linéaires
Matériaux de structure
Fibres
Imagerie Thermique: voir la nuit comme de jour
Jumelle Infra-Rouge Portable
THALES OPTRONIQUE
Les miroirs à rayons X
image
Télescope de Ritchey-Chretien
171Å
195Å
284Å
304 Å
Fe IX / X
Fe XII
Fe XV
He II / Si
Images du soleil par le satellite Soho (EIT).
NASA, CNES, IAS (CNRS),
LCFIO
Instrumentation laser en biophotonique
Centre de Photonique Biomédicale (Pôle Laser Paris-Sud)
Imagerie de déclin de fluorescence par absorption
à deux photons (marqueur des interactions
biologiques) P. Georges, F. Balembois, E. Guyot
Développement d’un système d’imagerie multipoints
But : accélérer l’acquisition d’images de temps de fluorescence
Rmax
50% Lame
s paratrice
Rmax
Entr e :
Impulsions
de 100 fs
Rmax
Rmax
Imagerie de fluorescence à
2 photons
W.W. Webb, Cornell U.
Coupe histologique
Miroir à conjugaison de phase
photoréfractif
Profil du faisceau incident
Profil du faisceau réfléchi par un
miroir diélectrique après double
passage dans un aberrateur
Profil du faisceau réfléchi par
conjugaison de phase après double
passage dans un aberrateur
Groupe
« matériaux non
linéaires et
applications »
Auto-stabilisation d’un laser.
tem
ps
Évolution du
spectre d’une
diode laser
à 810 nm vers un
état monomode.
L’intervalle spectral
libre du Fabry
Perot d’analyse
vaut 1,5 GHz.
50 s
40 s
Intensité (u.a.)
30 s
1
20 s
10 s
0s
0
0
1,5
3
Fréquence (GHz)
Groupe
« matériaux non
linéaires et
applications »
Un grand télescope moderne : le VLT (European
Southern Observatory)
La tour de contrôle des grands miroirs de la Sagem (Reosc)
à St Pierre du Perray (91)
Titan vu par Cassini et par l’observatoire
européen austral (optique adaptative)
1”
Télescope spatial Hubble, 1999
•http://grin.hq.nasa.gov/BROWSE/HSTI_1.html
Les matériaux pour
l’optique
Matériaux de structure
Matériaux non linéaires
Les fibres et les
télécommunications optiques
Fabrication des fibres optiques : la
préforme
Une préforme de silice,
initialement en tube
creux, est traitée
chimiquement à
l’intérieur et à l’extérieur
(modification locale de la
composition donnant un
profil d’indice prescrit)
La préforme finale = reproduction de la future fibre (à une homothétie prés)
La pose d’un câble
sous-marin
Une liaison optique en 1980
Message à
transmettre
1 1 0 10 1 1
Temps
Courant
d’alimentation
110101 1
Fibre optique - Longueur L
Diode laser
Détecteur
•Le rôle de l’optique : propagation guidée à faible
perte. Le reste est électronique.
N. Dubreuil, Ecole supérieure
d’Optique
La loi de Moore
Nombre de
transistors par
puce, 1972 2001
IEEE Spectrum, août 2002
Les ruptures technologiques
N × 40 Gbit/s
Capacité par fibre (Gbit/s)
1000
N × 10 Gbit/s
100
N × 2,5 Gbit/s
10
2,5 Gbit/s
1
565 Mbit/s
0,1
1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004
Fibre monomodale
laser InP
Ampli Er TDM->WDM
Interféromètre de Mach-Zehnder intégré
V=0
Ondes en phase
Interférence
constructive
Intensité en sortie ≠0
V=Vπ
Ondes en
opposition de
phase
Interférence
destructive
Intensité en sortie =0
La dispersion limite la bande passante
Ordre de grandeur : δnm=0,01 et δt=50ns/km
Illustration :
Impulsions
lumineuses « brèves »
t
> 50 ns
L = 1 km
50 ns
t
t
t
t
t
< 50 ns
Limitation inadmissible dès quelques MHz
Principe et intérêt de l’amplification optique
Solution : amplification en ligne du signal transmis
Puissance
Rapport S/B
de détection
Bon
Mauvais
Distance
Émetteur
Récepteur
: modules d’amplification en ligne
Le multiplexage temporel (TDM)
t
t
t
Émetteur
ou
ou
R
R
Récepteur
t
t
Augmentation du débit d’une ligne de transmission par
multiplexage temporel de N signaux
Exemple : Multiplexage de 4 signaux à 2,5 Gbit/s
10 Gbit/s
Seul schéma de multiplexage jusque vers 1990
Le multiplexage en longueur d’onde
(WDM)
EDFA : bande spectrale de gain large
(30 nm) de 1530 à 1560 nm
λ1
Émetteurs
λ5
M
U
X
λ6
λ7
Système WDM pour
D
E
M
U
X
λ
3
λ
4
λ
5
λ
6
λ
7
Récepteurs
λ4
λ
1
λ
2
Amplificateurs en ligne
λ2
λ3
Amplification simultanée de
plusieurs canaux fréquentiels
Une liaison optique aujourd’hui
Système WDM pour
l
l1
Amplificateurs en ligne
Émetteurs
l3
l4
l5
l6
l7
M
U
X
l
D
E
M
U
X
l
l
l
l
l
2
3
4
5
6
7
Récepteurs
l2
1
Vers un réseau tout optique:
commutateurs MEMS
MEMS (micro-electro-mechanical systems):
Mécanismes gravé dans matériaux semi-conducteurs
Notamment : des miroirs à inclinaisons variables
Temps de commutation : 10 ms
Pertes d’insertion: 3dB
Mise en parallèle : OK
Photo : Lucent Technologies
Récapitulation: les liaison optiques, pourquoi?
• Enjeux technologiques :
Très faible atténuation du signal lumineux autour de 1,55 µm
0,2 dB/km
5 % de perte au km
Bande passante disponible dans les fibres = très élevée
Aujourd’hui :
suppression
possible du
pic
d’absorption à
1,4 µm
50 THz
Potentiellement
Multiplexage en λ
sur près de 50
THz
Les ordres de grandeur de l’optique
1) le spectre visible et ses fréquences
0,4 µm
750 THz
L’échelle des longueurs d’onde
l’échelle des fréquences
0,8 µm
375 THz
Les ordres de grandeur de l’optique
2 le spectre électromagnétique
0
375 750 MMHz
Infra-rouge
0,8
Ultra-violet
0,4µm
Domaine de l’électronique:
50 Hz électricité domestique
100 MHz : radio FM
1000 MHz : Pentium III
A la fin du 19ème siècle, Maxwell et Hertz
ont montré que l’optique, la radio,
l’électricité constitue une seule et même
famille d’onde, qui ne se différencient que
par leur fréquence
X
Itération: les nouveaux outils permettent
d’affiner les concepts
• L’optique quantique
• L’optique atomique (atomes froids,
condensats, lasers à atomes)
Ph. Grangier
Détection
• électronique
rapide comptage
de He* et ions
Résultats
• mesures de
collisions
• détection
résolue en temps
et position
• corrélations
opt. Atomique
"quantique"
Condensation d'hélium
métastable
Groupe d’optique atomique, A. Aspect, C. Westbrook
expérience He*
Expérience
Fils en or déposés sur Si
Fabriqué au LPN, Marcoussis
avec D. Mailly, G. Faini
Deux manifestations des lasers à atomes
(condensat de rubidium)
m = −1
ωRF
m= 0
z
g
Conclusion 1 : l’optique en 2005
Les principes historiques (apparus de l’antiquité à la
mécanique quantique) sont restés
On a ajouté de nouveaux outils issus de la recherche
fondamentale :
• le laser
• la fibre et d’autres matériaux
• et les technologies micro- et nano
et l’optique a été métamorphosée
Conclusion 2) quelques préjugés à écarter
« L’optique, ce sont les lunettes et les appareils photo » : réducteur :
l’optique, ce sont les lunettes, les appareils photo, et bien
davantage.
« La croissance de l’optique se limite aux télécommunications » : non! Voir
les diverses applications des lasers, les télescopes, les capteurs
optiques, les mémoires…
« Comme l’électronique, l’optique est lancée dans la course à la
miniaturisation, mais elle progresse moins vite »: elle bénéficie de la
miniaturisation de l’électronique; elle progresse souvent plus vite
grâce à des changements incessants de concepts.
L’optique offre un débit accru et un accès parallèle. Bien sûr, elle ne
fait pas tout : optique et électronique se complètent.
Conclusion 3: fondamentalement,
pourquoi l’optique?
• Hautes fréquences -> accès aux phénomènes
ultra-brefs
• Hautes énergies -> accès aux photons isolés,
loin au-dessus du bruit thermique,
miniaturisation, nanosciences
Histoire de l’optique en Essonne, les
institutions
•
•
1959
1964
•
•
•
•
•
1966
1975
1991
1999
1999
•
1999
la CGE à Marcoussis
le premier DEA d’optique en France à la
faculté des sc. d’Orsay
l’IOTA à Orsay
LURE, première source synchrotron en F
Paris-Sud ouvre la NFIO
le GIE Opto+ à Marcoussis
accord CNRS/Alcatel pour le labo. de
Photonique et Nanostructures, Marcoussis
création d’Optics Valley
Histoire de l’optique en Essonne 2) quelques
« premières mondiales »
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1964
1967
1970
1974
1982
1987
1993
1995
2001
2001
2001
2003
2004
les lasers CO, CO2, N2O, fac. Orsay
le laser térawatt, Marcoussis
le vidéodisque à Corbeville
la diode laser continue, Marcoussis
test des inégalités de Bell, IOTA
le laser X, Paris-Sud et X
polissage des miroirs de 8,2 m, REOSC
150 fs par diode laser, Paris-Sud
10 Tbits/s sur une fibre optique, Alcatel
condensat de Bose Einstein He, IOTA
une impulsion de 250 as, CEA et X/ENSTA
cryptographie quantique à variables continues, IOTA
laser tout “cristal photonique”, LPN …
Nombre de SupOpticiens par domaine d'activité (toutes promotions confondues)
250
200
Université / Recherche
Thèses
CEA
Défense
150
Instrumentation optique diverse
Vision / Lunetterie
Laser
Télécoms
100
Transport / Éclairage
Aéronautique / Espace
Divers grands groupes
Autres
50
0
1975
Services
1980
1985
1990
1995
2000