À propos de lasers, de fibres et d'une industrie où le Québec s'illustre

Matthieu Burgard Collaboration spéciale
De la coupe au laser à la photographie d’électrons, la photonique transforme la recherche.<br />
Photo: Pierre Bolduc De la coupe au laser à la photographie d’électrons, la photonique transforme la recherche.

Ce texte fait partie d'un cahier spécial.

Le XXIe siècle sera photonique, nous assurent les scientifiques. Cette représentation moderne de l'optique, la science de la lumière, est en train de s'immiscer partout, des élécommunications à la santé, en passant par la défense et l'environnement. Le Québec et le Canada sont à la fine pointe du domaine. De l'Université McGill à l'Université Laval, d'Ottawa à Sherbrooke, la recherche repousse les frontières.

La photonique est l'étude de composants permettant la génération, la transmission et la conversion en signal d'un photon, la particule élémentaire qui compose la lumière. «Ce nom vient d'une analogie avec l'électronique, explique Réal Vallée, directeur du Centre d'optique-photonique (COPL) de l'Université Laval, à Québec. Au lieu d'utiliser des électrons comme moyen de transport du signal, on utilise des photons. Alors, plutôt que d'avoir des fils électriques, on a des fibres optiques.»

Mais la photonique ne se résume pas qu'aux fibres optiques, car c'est l'art de dompter la lumière sous toutes ses formes. Par exemple, les lasers, les diodes électroluminescentes (DEL) et les capteurs optiques sont d'autres moyens technologiques qui ont recours à ce domaine de la physique appliquée. C'est le cas de l'écran tactile de votre iPad. «Au lieu que la lumière soit confinée dans une fibre, elle l'est dans un plan à deux dimensions, décrit M. Vallée. Lorsque votre doigt glisse sur la surface, il modifie le parcours de la lumière.»

Quels sont ses avantages?

Et, en matière de quantité d'information transportée, la photonique est beaucoup plus performante que l'électronique. Une masse de 108 grammes de fibre optique peut remplacer 29 tonnes de fil de cuivre! Et une seule fibre peut acheminer simultanément 300 millions d'appels.

«La révolution Internet n'aurait pas pu voir le jour sans le réseau de fibre optique», commente M. Vallée. La consommation grandissante de contenus en ligne pousse à toujours plus d'innovation en photonique. Car rien ne sert d'augmenter la vitesse de transmission si le traitement informatique ne suit pas!

«La fibre optique est comme une autoroute entre deux villes, compare le chercheur. Mais, une fois qu'on arrive ou qu'on part de la ville en question, il faut être capable de gérer le trafic pour éviter la congestion et savoir où acheminer l'information!»

La prochaine génération de systèmes de communications va remplacer au moins en partie les composants électroniques par des puces et des circuits photoniques. Mieux encore, on pourrait faire Internet sans fil avec des DEL laser. «On peut moduler la fréquence de la lumière pour faire passer des signaux que l'oeil ne verrait pas», simplifie le chercheur.

Le marché mondial de la photonique a été évalué à 710 milliards de dollars en 2008 et, d'ici 10 ans, on estime les retombées à 1280 milliards. Le Canada fait figure de chef de file dans le domaine. Parmi les contributions canadiennes les plus récentes, on peut citer le premier système de radar optique (LIDAR) sur la surface de Mars, les opérations à coeur ouvert utilisant un laser à excimères ou encore la transmission optique commerciale à 10 gigabits.

«Couloir photonique»

Le pays compte près de 370 entreprises, dont plus d'une centaine au Québec. Il s'agit surtout de jeunes entreprises et de PME regroupées en plusieurs grappes le long du «couloir photonique» Québec-Montréal-Ottawa. Elles génèrent près de 4,5 milliards par an, essentiellement par l'exportation (85 %) de solutions photoniques intégrées, dans pratiquement tous les secteurs de l'industrie.

Selon Réal Vallée, ce dynamisme au Québec s'explique par le rôle important qu'ont joué entre autres des centres de recherche comme le COPL, l'Institut national d'optique et l'Institut canadien pour les innovations en photonique. «Dans la seule région de la Capitale-Nationale, une vingtaine d'entreprises ont vu le jour à la suite de travaux de recherche», constate-t-il. Ainsi, beaucoup de professeurs et d'anciens étudiants d'université ont lancé leur entreprise. C'est le cas de Germain Lalonde et de sa firme Exfo, l'un des leaders mondiaux des instruments de test et de mesure de télécoms. Cette entreprise emploie aujourd'hui 2000 personnes et est cotée en Bourse.

Mais ce qui fait notre force par rapport à l'Ontario, d'après l'analyse du directeur du COPL, «c'est qu'on n'a pas mis tous nos oeufs dans le même panier, celui des télécoms». Là-bas, de grandes entreprises, comme Nortel et JDS Uniphase, se sont mises à péricliter après le crash des télécoms en 2001. D'ailleurs, Nortel a vendu ses brevets à Google il y a quelques semaines... «Le signe de la fin», selon M. Vallée.

De multiples domaines d'application

Le Québec a compris que, hormis les télécommunications, bien d'autres secteurs peuvent avoir recours à la photonique. Dans le domaine biomédical, la biophotonique sert à éliminer les calculs rénaux, à combattre le cancer, à effectuer des endoscopies ou à faire de la microchirurgie au laser. Le professeur Vallée développe présentement une technologie où le laser et la fibre sont combinés pour faire de la chirurgie sur des tissus mous ou durs (comme les dents). Grâce à lui, l'horrible fraiseuse du dentiste pourrait bien un jour être remplacée par un laser à fibre!

D'autres lasers, plus puissants, sont utilisés dans le secteur manufacturier pour découper, souder ou percer très précisément le métal. Dans le secteur de la défense, les fibres optiques équipent par exemple les missiles et les aéronefs. On a recours à des systèmes optiques portatifs pour détecter des agents chimiques dangereux.

Cette capacité de détection est aussi exploitée par des entreprises comme Opsens, de Québec, pour mesurer à distance les paramètres physiques dans des zones dangereuses comme les puits de pétrole.

Du côté de l'environnement, on peut citer également la production d'énergie photovoltaïque ou encore les DEL, qui sont très efficaces pour convertir le courant électrique en faisceau de lumière. «Contrairement à une lampe à incandescence, qui perd près de 90 % de son énergie sous forme de chaleur, la DEL convertit de 30 à 40 % de son énergie en lumière», souligne M. Vallée.

Mais le chercheur, qui est aussi le chef de l'axe de recherche «frontières photoniques» à l'ICIP, sait que les innovations les plus spectaculaires restent à venir. «On peut voir les frontières photoniques, du côté temporel, avec des impulsions au laser toujours plus courtes et, du côté spatial, avec la nanophotonique, qui vise à obtenir des résolutions toujours plus fines. Enfin, d'un point de vue plus fondamental, nos chercheurs s'affairent à étudier la photonique quantique pour comprendre la lumière dans ses plus intimes retranchements.» Dieu sait ce qu'il en découlera!

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Collaborateur du Devoir