Les dispositifs térahertz augmenteront considérablement la vitesse à laquelle les données peuvent être transférées et traitées. Dans cette étude, les chercheurs ont développé une nouvelle stratégie pour convertir la fréquence d'une onde térahertz se déplaçant dans un guide d'ondes en une autre fréquence arbitraire de la gamme térahertz, ce qui constitue une transformation essentielle dans les applications pratiques. Crédit : Issues.fr.com
Une approche innovante fait progresser la technologie térahertz, facilitant une transmission de données plus rapide et une adoption plus large.
La technologie térahertz a le potentiel de répondre au besoin croissant de transferts de données plus rapides, mais la conversion des signaux térahertz en diverses fréquences inférieures reste un défi. Récemment, des chercheurs japonais ont mis au point une nouvelle approche pour convertir les signaux térahertz en signaux ascendants et descendants dans un guide d'ondes. Cela est réalisé en modifiant dynamiquement la conductivité du guide d'ondes à l'aide de la lumière, créant ainsi une limite temporelle. Leur percée pourrait conduire à des avancées dans le domaine de l'optoélectronique et à une amélioration de l'efficacité des télécommunications.
À l’ère de l’information, la demande de transmission de données plus rapide ne cesse de croître, accentuée par les progrès rapides dans des domaines tels que l’apprentissage profond et la robotique. Dans ce contexte, de plus en plus de scientifiques explorent le potentiel de l’utilisation des ondes térahertz pour développer des technologies de télécommunication à haut débit.
Cependant, pour utiliser efficacement la bande térahertz, nous avons besoin de techniques de multiplexage par répartition en fréquence (FDM) pour transmettre plusieurs signaux simultanément. Bien entendu, être capable de convertir vers le haut ou vers le bas la fréquence d'un signal térahertz en une autre fréquence arbitraire est une condition préalable logique au FDM. Cela s'est malheureusement avéré assez difficile avec les technologies actuelles. Le principal problème est que les ondes térahertz sont des ondes à très haute fréquence du point de vue de l'électronique conventionnelle et de la lumière à très faible énergie dans le contexte de l'optique, dépassant les capacités de la plupart des appareils et configurations dans les deux domaines. Par conséquent, une approche radicalement différente sera nécessaire pour surmonter les limitations actuelles.
Solution innovante pour la conversion de fréquence
Étonnamment, dans une étude récente publiée dans Nanophotonique Le 20 mai 2024, une équipe de recherche comprenant le professeur adjoint Keisuke Takano de la Faculté des sciences de l'Université de Shinshu, au Japon, a présenté une solution innovante pour la conversion de fréquence des ondes térahertz. Leur article a été coécrit par Fumiaki Miyamaru de l'Université de Shinshu, Toshihiro Nakanishi de l'Université de Kyoto, Yosuke Nakata de l'Université d'Osaka et Joel Pérez-Urquizo, Julien Madéo et Keshav M. Dani de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa.
La stratégie proposée est basée sur les conversions de fréquence qui se produisent dans les systèmes variant dans le temps. Tout comme un guide d'ondes confine un paquet d'ondes en déplacement dans l'espace, il existe un concept analogue qui se produit dans le temps, connu sous le nom de guidage d'ondes temporel. En termes simples, les variations qui se produisent dans un système entier au fil du temps agiront comme une « limite temporelle ». Tout comme les limites spatiales (par exemple, l'interface entre deux milieux différents), les limites temporelles peuvent modifier les propriétés de dispersion du guide d'ondes, donnant lieu à différents modes de propagation à de nouvelles fréquences.
Expérimentation et applications potentielles
Pour créer cette limite temporelle, les chercheurs ont d’abord disposé un guide d’ondes GaAs sur une fine couche métallique. Lorsque les ondes térahertz traversaient le guide d’ondes en mode magnétique transversal (TM), elles projetaient une lumière sur la surface nue de GaAs. La photoexcitation résultante de la surface supérieure modifiait instantanément sa conductivité, transformant ainsi le guide d’ondes métallisé inférieur en un guide d’ondes doublement métallisé parallèle. Cette transition d’une structure de guide d’ondes à une autre a agi comme limite temporelle, à laquelle les modes TM incidents du guide d’ondes nu se sont couplés au mode électromagnétique transversal (TEM) du guide d’ondes doublement métallisé. Étant donné que la courbe de dispersion du mode TEM occupe une plage de fréquences inférieure à celle du mode TM incident, cette approche produit une onde térahertz décalée vers le bas.
L'équipe de recherche a mené des expériences qui ont finalement validé leur analyse théorique approfondie de la méthode de conversion de fréquence proposée. Ainsi, les résultats de cette étude laissent entrevoir un avenir prometteur pour la technologie térahertz à venir. Enthousiasmé par les résultats, le Dr Takano déclare : « Les dispositifs de conversion de fréquence pour les ondes térahertz ont le potentiel d'être appliqués aux futures communications sans fil à très haut débit. Par exemple, ils pourraient permettre la réplication d'informations entre des canaux de fréquence d'ondes térahertz transportant des données différentes. Il pourrait également y avoir des dispositifs dans lesquels des circuits de traitement d'informations d'ondes térahertz sont intégrés à divers composants de traitement optique. » Il convient de noter que la conversion ascendante grâce à l'approche proposée a également été démontrée dans « F. Miyamaru et al., Phys. Rev. Lett., 127, 053902 (2021). » De plus, la conversion ascendante et descendante peut être commutée en manipulant la polarisation des ondes térahertz d'entrée, ce qui contribuerait à rendre la FDM dans la gamme térahertz plus pratique.
De plus, la méthode de conversion de fréquence actuelle ne se limite pas strictement aux guides d’ondes térahertz et pourrait également avoir des implications importantes dans le domaine de l’optique. « Il est important de reconnaître que le concept de cette étude s’étend au-delà de la gamme de fréquences térahertz et peut également être appliqué à la gamme de fréquences optiques. Des dispositifs de conversion de fréquence ultrarapides comprenant des guides d’ondes modulés optiquement avec de l’oxyde d’étain-indium pourraient également être possibles, sur la base de découvertes récentes », remarque le Dr Takano.
De nouveaux progrès dans ce domaine pourraient à terme conduire à des télécommunications plus rapides et plus économes en énergie, nous aidant ainsi à bâtir une société plus interconnectée et plus durable.
Financement : Société japonaise pour la promotion de la science, JST PRESTO, Recherche préliminaire sur la science et la technologie embryonnaires, Université des sciences et technologies d'Okinawa, Fondation Takano Gakujutsu-Shinko-Zaidan
