Des chercheurs du NIST testent une puce permettant de convertir la lumière en signaux micro-ondes. Sur la photo, la puce, qui est le panneau fluorescent qui ressemble à deux minuscules disques vinyles. La boîte dorée à gauche de la puce est le laser à semi-conducteur qui émet de la lumière vers la puce. Crédit : K. Palubicki/NIST
Les puces compactes améliorent la précision du timing pour la communication, la navigation et diverses applications.
Le National Institute of Standards and Technology (NIST) et ses collaborateurs ont réalisé une avancée modeste mais puissante dans la technologie de synchronisation : des puces compactes qui convertissent de manière transparente la lumière en micro-ondes. Cette puce pourrait s'améliorer GPSla qualité des connexions téléphoniques et internet, la précision de systèmes de radar et de détection, ainsi que d'autres technologies qui reposent sur une synchronisation et une communication de haute précision.
Cette technologie réduit ce que l'on appelle la gigue temporelle, qui correspond à de petits changements aléatoires dans la synchronisation des signaux micro-ondes. Semblable à la situation où un musicien essaie de maintenir un rythme régulier dans sa musique, le timing de ces signaux peut parfois varier légèrement. Les chercheurs ont réduit ces oscillations de synchronisation à une très petite fraction de seconde – 15 femtosecondes pour être exact, une grande amélioration par rapport aux sources micro-ondes traditionnelles – rendant les signaux beaucoup plus stables et précis, ce qui pourrait augmenter la sensibilité du radar, la précision des signaux analogiques. -convertisseurs numériques et la clarté des images astronomiques capturées par des groupes de télescopes.
Les résultats de l'équipe ont été publiés dans Nature.
Faire la lumière sur les micro-ondes
Ce qui distingue cette démonstration est la conception compacte des composants qui produisent ces signaux. Pour la première fois, des chercheurs ont pris ce qui était autrefois un système de la taille d'une table et en ont réduit une grande partie en une puce compacte, à peu près de la même taille qu'une carte mémoire d'appareil photo numérique. La réduction de la gigue de synchronisation à petite échelle réduit la consommation d'énergie et la rend plus utilisable dans les appareils quotidiens.
À l’heure actuelle, plusieurs composants de cette technologie sont situés à l’extérieur de la puce, alors que les chercheurs testent leur efficacité. Le but ultime de ce projet est d'intégrer toutes les différentes parties, telles que les lasers, les modulateurs, les détecteurs et les amplificateurs optiques, sur une seule puce.
En intégrant tous les composants sur une seule puce, l’équipe a pu réduire à la fois la taille et la consommation électrique du système. Cela signifie qu’il pourrait être facilement intégré à de petits appareils sans nécessiter beaucoup d’énergie ni de formation spécialisée.
« La technologie actuelle nécessite plusieurs laboratoires et de nombreux doctorats pour produire des signaux micro-ondes », a déclaré Frank Quinlan, physicien au NIST. « Une grande partie de cette recherche porte sur la manière dont nous utilisons les avantages des signaux optiques en réduisant la taille des composants et en rendant tout plus accessible. »
Pour ce faire, les chercheurs utilisent un laser à semi-conducteur, qui agit comme une lampe de poche très stable. Ils dirigent la lumière du laser vers une minuscule boîte à miroir appelée cavité de référence, qui ressemble à une pièce miniature dans laquelle la lumière rebondit. À l’intérieur de cette cavité, certaines fréquences lumineuses sont adaptées à la taille de la cavité afin que les pics et les vallées des ondes lumineuses s’adaptent parfaitement entre les parois. Cela amène la lumière à accumuler de la puissance dans ces fréquences, ce qui est utilisé pour maintenir la fréquence du laser stable. La lumière stable est ensuite convertie en micro-ondes à l’aide d’un dispositif appelé peigne de fréquence, qui transforme la lumière haute fréquence en signaux micro-ondes plus graves. Ces micro-ondes précises sont cruciales pour des technologies telles que les systèmes de navigation, les réseaux de communication et les radars, car elles fournissent une synchronisation et un timing précis.
« L'objectif est de faire en sorte que tous ces éléments fonctionnent ensemble efficacement sur une seule plate-forme, ce qui réduirait considérablement la perte de signaux et supprimerait le besoin de technologie supplémentaire », a déclaré Quinlan. « La première phase de ce projet consistait à montrer que toutes ces pièces individuelles fonctionnent ensemble. La deuxième phase consiste à les rassembler sur la puce.
Dans les systèmes de navigation tels que le GPS, la synchronisation précise des signaux est essentielle pour déterminer la localisation. Dans les réseaux de communication, tels que les systèmes de téléphonie mobile et Internet, une synchronisation précise de plusieurs signaux garantit que les données sont transmises et reçues correctement.
Par exemple, la synchronisation des signaux est importante pour que les réseaux cellulaires occupés puissent gérer plusieurs appels téléphoniques. Cet alignement précis des signaux dans le temps permet au réseau cellulaire d'organiser et de gérer la transmission et la réception de données provenant de plusieurs appareils, comme votre téléphone portable. Cela garantit que plusieurs appels téléphoniques peuvent être acheminés simultanément sur le réseau sans subir de retards ou de pertes importants.
Dans le radar, qui est utilisé pour détecter des objets tels que des avions et des conditions météorologiques, un timing précis est crucial pour mesurer avec précision le temps nécessaire au rebond des signaux.
« Il existe toutes sortes d’applications pour cette technologie. Par exemple, les astronomes qui imagent des objets astronomiques lointains, comme les trous noirs, ont besoin de signaux à très faible bruit et d’une synchronisation d’horloge », a déclaré Quinlan. « Et ce projet aide à sortir ces signaux à faible bruit du laboratoire et à les mettre entre les mains des techniciens radar, des astronomes, des scientifiques de l'environnement, de tous ces différents domaines, afin d'augmenter leur sensibilité et leur capacité à mesurer de nouvelles choses. »
Travailler ensemble vers un objectif commun
La création de ce type d’avancée technologique ne se fait pas seule. Des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder, NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Université de Californie à Santa Barbara, Université de Virginie et Université de Yale se sont réunis pour atteindre cet objectif commun : révolutionner la façon dont nous exploitons la lumière et les micro-ondes pour des applications pratiques.
« J’aime comparer nos recherches à un projet de construction. Il y a beaucoup de pièces mobiles et vous devez vous assurer que tout le monde est coordonné afin que le plombier et l'électricien arrivent au bon moment dans le projet », a déclaré Quinlan. « Nous travaillons tous très bien ensemble pour faire avancer les choses. »
Cet effort de collaboration souligne l'importance de la recherche interdisciplinaire pour stimuler le progrès technologique, a déclaré Quinlan.
