Les chercheurs de l'Université du Tohoku ont développé un filtre accordable pour les signaux d'ondes térahertz, facilitant des taux de transmission plus élevés et une qualité de signal améliorée. Cette avancée, cruciale pour l’avancement des applications térahertz dans les domaines de la communication, de l’imagerie médicale et de l’analyse industrielle, promet de libérer tout le potentiel des ondes térahertz dans divers domaines.
Les ondes électromagnétiques de fréquence térahertz sont très prometteuses pour les progrès des communications, ainsi que des technologies de numérisation et d’imagerie. Cependant, exploiter leur potentiel se heurte à de nombreux obstacles. Une équipe de l'Université du Tohoku a réalisé une percée en créant un nouveau type de filtre réglable spécifiquement pour le spectre des ondes térahertz. Leurs conclusions ont été publiées dans la revue Lettres d'optique.
Les ondes térahertz occupent une région du spectre électromagnétique située entre les fréquences micro-ondes et infrarouges. Elles ont une fréquence plus élevée (longueur d’onde plus courte) que les ondes radio, mais une fréquence plus basse que la lumière visible. Le spectre des ondes radio de plus en plus encombré transporte la grande quantité de données transmises par le WiFi, le Bluetooth et les systèmes de communication actuels des téléphones mobiles.
Concept schématique du filtre accordable développé. (a) Vue en coupe transversale du filtre ; (b) relation entre la période et l'indice de réfraction ; (c) décalage de fréquence dû au changement de l'indice de réfraction. Crédit : Ying Huang et al.
La congestion des signaux dans les parties à basse fréquence du spectre électromagnétique est une incitation à explorer les options dans la région térahertz. Un autre élément est la capacité à prendre en charge des débits de transmission de données ultra-élevés. Cependant, l’un des principaux défis liés à l’utilisation des signaux térahertz pour des applications de routine est de pouvoir régler et filtrer les signaux à des fréquences spécifiques. Un filtrage est nécessaire pour éviter les interférences provenant de signaux en dehors de la bande de fréquence souhaitée.
Percée dans le filtrage térahertz
« Nous avons construit et démontré un filtre réglable en fréquence pour les ondes térahertz, qui a permis d'obtenir un taux de transmission plus élevé et une meilleure qualité de signal que les systèmes conventionnels, révélant ainsi le potentiel des communications sans fil térahertz », explique Yoshiaki Kanamori de l'équipe Tohoku. Il ajoute que les travaux pourraient également être appliqués plus largement en dehors de la bande de fréquences térahertz.
Le métamatériau variable à indice de réfraction mécanique. Crédit : Ying Huang et al.
Le nouveau filtre térahertz est basé sur un dispositif appelé interféromètre Fabry-Perot qui, comme tous les interféromètres, s'appuie sur les modèles d'interférence créés lorsque différentes ondes de rayonnement électromagnétique interagissent les unes avec les autres lorsqu'elles rebondissent entre des miroirs. La version des chercheurs utilise des réseaux finement structurés, avec des espaces plus petits que la longueur d'onde des ondes en interaction, comme matériau entre les miroirs. L'étirement variable des réseaux permet le contrôle fin de leur indice de réfraction nécessaire pour régler l'effet filtrant de l'interféromètre. Cela permet uniquement de transmettre la fréquence souhaitée. L'utilisation de différents réseaux permet de contrôler différentes plages de fréquences sélectionnées.
Extension des applications et des avantages
L'équipe a démontré l'application de son système à des fréquences adaptées aux signaux de téléphonie mobile de nouvelle génération (6G).
Le réglage de l'indice de réfraction et de la fréquence par contrôle de la période. Crédit : Ying Huang et al.
« En plus de l'application de notre méthode dans les systèmes de communication, nous envisageons également des utilisations dans les technologies de numérisation et d'imagerie en médecine et dans l'industrie », explique Kanamori.
L’un des avantages des ondes térahertz en matière de numérisation et d’imagerie est qu’elles peuvent facilement pénétrer dans les matériaux, notamment les tissus biologiques, qui bloquent le passage de la lumière. Outre les applications médicales, cela peut offrir des opportunités pour l’analyse des matériaux, les systèmes de sécurité et le contrôle qualité dans la fabrication.
« Dans l'ensemble, nos travaux offrent une méthode simple et rentable pour filtrer et contrôler activement les ondes térahertz, ce qui pourrait faire progresser leur utilisation dans de nombreuses applications », conclut Kanamori.
