Une nouvelle métasurface développée par Caltech peut diviser un faisceau lumineux en plusieurs canaux, améliorant ainsi les capacités de communication sans fil et de transmission de données à des fréquences optiques, avec des applications potentielles dans les communications spatiales et le LiDAR. Crédit : Caltech
Les ingénieurs de Caltech ont introduit une métasurface innovante qui manipule la lumière pour fournir plusieurs canaux de communication à des fréquences optiques.
Cette technologie promet d’améliorer la transmission de données dans divers domaines, notamment les communications spatiales et le LiDAR, allant au-delà des méthodes électroniques traditionnelles et offrant des améliorations substantielles de la bande passante.
Révolutionner la communication sans fil avec les métasurfaces
C'est une scène que beaucoup d'entre nous connaissent : vous travaillez sur votre ordinateur portable dans un café du coin avec peut-être une demi-douzaine d'autres utilisateurs d'ordinateurs portables. Chacun d'entre vous essaie de charger des sites Web ou de diffuser des vidéos en haute définition, et tous ont envie de plus de bande passante. Imaginez maintenant que chacun d'entre vous dispose d'un canal sans fil dédié à la communication, qui soit des centaines de fois plus rapide que le Wi-Fi que nous utilisons aujourd'hui, avec une bande passante des centaines de fois supérieure. Ce rêve n'est peut-être pas loin grâce au développement des métasurfaces, de minuscules feuilles conçues pour réfléchir et diriger la lumière de la manière souhaitée.
Percée dans la technologie des métasurfaces optiques
Dans un article publié le 24 juillet dans la revue La nanotechnologie naturelleune équipe d'ingénieurs de Caltech rapporte la construction d'une telle métasurface structurée avec de minuscules antennes accordables capables de réfléchir un faisceau entrant de lumière optique pour créer de nombreuses bandes latérales, ou canaux, de différentes fréquences optiques.
« Grâce à ces métasurfaces, nous avons pu montrer qu'un faisceau lumineux entre et que plusieurs faisceaux lumineux sortent, chacun avec des fréquences optiques différentes et allant dans des directions différentes », explique Harry Atwater, Otis Booth Leadership Chair de la Division of Engineering and Applied Science, Howard Hughes Professor of Applied Physics and Materials Science, et auteur principal du nouvel article. « Cela fonctionne comme un ensemble complet de canaux de communication. Et nous avons trouvé un moyen de faire cela pour des signaux en espace libre plutôt que pour des signaux transportés sur une fibre optique. »
Ces travaux ouvrent la voie à une voie prometteuse pour le développement non seulement d’un nouveau type de canal de communication sans fil, mais aussi de nouvelles technologies de télémétrie potentielles et même d’une nouvelle façon de relayer de plus grandes quantités de données vers et depuis l’espace.
Un faisceau laser incident (vert) frappe la nouvelle métasurface spatio-temporelle de Caltech et est modulé par des antennes nanostructurées réglables, créant des faisceaux de lumière orientables à différentes fréquences (bleu) qui pourraient être utilisés comme canaux optiques pour transmettre des données sur Terre ou dans l'espace. Crédit : Caltech
La mécanique des métasurfaces : au-delà de l'optique traditionnelle
Prachi Thureja, co-auteur principal du nouvel article et étudiant diplômé du groupe d'Atwater, explique que pour comprendre leur travail, il faut d'abord considérer le mot « métasurface ». La racine, « méta », vient d'un préfixe grec signifiant « au-delà ». Les métasurfaces sont conçues pour aller au-delà ce que nous pouvons faire avec des éléments optiques volumineux conventionnels, tels que des objectifs d'appareil photo ou de microscope. Les dispositifs multicouches de type transistor sont conçus avec un motif soigneusement sélectionné de échelle nanométrique des antennes capables de réfléchir, de disperser ou de contrôler la lumière. Ces dispositifs plats peuvent focaliser la lumière, à la manière d'une lentille, ou la réfléchir, comme un miroir, en concevant stratégiquement un ensemble d'éléments à l'échelle nanométrique qui modifient la façon dont la lumière réagit.
La plupart des travaux antérieurs sur les métasurfaces se sont concentrés sur la création de dispositifs passifs dotés d'une seule fonctionnalité de direction de la lumière fixée dans le temps. En revanche, le groupe d'Atwater se concentre sur ce que l'on appelle les métasurfaces actives. « Nous pouvons désormais appliquer un stimulus externe, tel qu'un ensemble de tensions différentes, à ces dispositifs et effectuer un réglage entre différentes fonctionnalités passives », explique Jared Sisler, également étudiant diplômé du laboratoire d'Atwater et co-auteur principal de l'article.
Dans ses derniers travaux, l'équipe décrit ce qu'elle appelle une métasurface spatio-temporelle capable de réfléchir la lumière dans des directions spécifiques et à des fréquences particulières (une fonction du temps, puisque la fréquence est définie comme le nombre d'ondes qui passent par un point par seconde). Ce dispositif de métasurface, dont le noyau ne mesure que 120 microns de large et 120 microns de long, fonctionne en mode réflexion à des fréquences optiques généralement utilisées pour les télécommunications, à savoir 1 530 nanomètres. C'est des milliers de fois plus élevé que les fréquences radio, ce qui signifie que la bande passante disponible est bien plus importante.
Aux fréquences radio, l'électronique peut facilement orienter un faisceau lumineux dans différentes directions. C'est ce que font couramment les radars de navigation des avions. Mais il n'existe actuellement aucun appareil électronique capable de le faire aux fréquences optiques beaucoup plus élevées. Les chercheurs ont donc dû essayer quelque chose de différent, à savoir modifier les propriétés des antennes elles-mêmes.
Sisler et Thureja ont créé leur métasurface composée d'antennes en or, avec une couche semi-conductrice sous-jacente à réglage électrique en oxyde d'étain et d'indium. En appliquant un profil de tension connu sur l'ensemble du dispositif, ils peuvent moduler localement la densité des électrons dans la couche semi-conductrice située sous chaque antenne, modifiant ainsi son indice de réfraction (la capacité du matériau à courber la lumière). « En disposant de la configuration spatiale de différentes tensions sur l'ensemble du dispositif, nous pouvons ensuite rediriger la lumière réfléchie à des angles spécifiés en temps réel sans avoir à remplacer des composants encombrants », explique Thureja.
« Nous avons un laser incident qui frappe notre métasurface à une certaine fréquence, et nous modulons les antennes dans le temps avec un signal de tension à haute fréquence. Cela génère plusieurs nouvelles fréquences, ou bandes latérales, qui sont transportées par la lumière laser incidente et peuvent être utilisées comme canaux à haut débit pour envoyer des informations. De plus, nous avons toujours le contrôle spatial, ce qui signifie que nous pouvons choisir où chaque canal va dans l'espace », explique Sisler. « Nous générons des fréquences et les orientant dans l'espace. C'est la composante spatio-temporelle de cette métasurface.
Applications futures et connectivité universelle
Outre la démonstration qu’une telle métasurface est capable de diviser et de rediriger la lumière à des fréquences optiques dans l’espace libre (plutôt que dans des fibres optiques), l’équipe affirme que ses travaux laissent entrevoir plusieurs applications possibles. Ces métasurfaces pourraient être utiles dans les applications LiDAR, l’équivalent lumineux du radar, où la lumière est utilisée pour capturer les informations de profondeur d’une scène tridimensionnelle. Le rêve ultime est de développer une « métasurface universelle » qui créerait plusieurs canaux optiques, chacun transportant des informations dans différentes directions dans l’espace libre.
« Si les métasurfaces optiques deviennent une technologie réalisable et prolifèrent, dans dix ans, vous pourrez vous asseoir dans un Starbucks avec un groupe d'autres personnes devant leur ordinateur portable et au lieu de recevoir un signal Wi-Fi à fréquence radio, chacun recevra son propre signal lumineux haute fidélité », explique Atwater, qui est également directeur de la Liquid Sunlight Alliance à Caltech. « Une métasurface pourra transmettre une fréquence différente à chaque personne. »
Le groupe collabore avec le Laboratoire de communications optiques de JPLqui travaille sur l'utilisation de fréquences optiques plutôt que d'ondes radiofréquences pour communiquer avec les missions spatiales, car cela permettrait d'envoyer beaucoup plus de données à des fréquences plus élevées. « Ces appareils seraient parfaits pour ce qu'ils font », explique Sisler.
Le nouvel article, « Métasurfaces spatio-temporelles accordables électriquement à des fréquences optiques », paraît dans le numéro du 24 juillet de la revue La nanotechnologie naturelle.
Parmi les autres auteurs de l'article figurent Meir Y. Grajower, ancien chercheur postdoctoral associé au sein du groupe d'Atwater ; Ruzan Sokhoyan, chercheur scientifique en nanophotonique au Caltech ; et Ivy Huang, ancienne étudiante en bourse de recherche de premier cycle d'été au sein du groupe d'Atwater. Le travail a été soutenu par le Bureau de la recherche scientifique de l'armée de l'air Meta-Imaging MURI, DARPA EXTREME, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada et Meta Platforms, Inc.
