Antennes optiques multiplexées

Les chercheurs ont découvert un moyen d'exploiter les propriétés des ondes lumineuses qui peuvent augmenter radicalement la quantité de données qu'elles transportent. Ils ont démontré l'émission de faisceaux laser à torsion discrète à partir d'antennes constituées d'anneaux concentriques à peu près égaux au diamètre d'un cheveu humain, suffisamment petits pour être placés sur des puces informatiques.

Les travaux augmenteront considérablement la quantité d'informations pouvant être multiplexées, ou transmises simultanément, par une source de lumière cohérente. Un exemple courant de multiplexage est la transmission de plusieurs appels téléphoniques sur un seul fil, mais il y avait des limites fondamentales au nombre d'ondes lumineuses torsadées cohérentes qui pouvaient être directement multiplexées.

La technologie surmonte les limites actuelles de capacité de données grâce à une caractéristique de la lumière appelée le moment angulaire orbital. Il a des applications dans l'imagerie biologique, les communications à haute capacité et les capteurs.

Les méthodes actuelles de transmission de signaux par ondes électromagnétiques atteignent leurs limites. La fréquence, par exemple, est devenue saturée, c'est pourquoi il n'y a qu'un nombre limité de stations sur lesquelles on peut se brancher à la radio. La polarisation, où les ondes lumineuses sont séparées en deux valeurs - horizontale ou verticale - peut doubler la quantité d'informations transmises. Les cinéastes en profitent lors de la création de films 3D, permettant aux spectateurs équipés de lunettes spécialisées de recevoir deux ensembles de signaux, un pour chaque œil, afin de créer un effet stéréoscopique et l'illusion de profondeur.

Au-delà de la fréquence et de la polarisation se trouve le moment angulaire orbital (OAM), une propriété de la lumière qui a retenu l'attention des scientifiques car elle offre une capacité exponentiellement plus grande de transmission de données. Une façon de penser à l'OAM est de le comparer au vortex d'une tornade. Le vortex dans la lumière, avec ses degrés de liberté infinis, peut en principe supporter une quantité illimitée de données. Le défi a été de trouver un moyen de produire de manière fiable le nombre infini de faisceaux OAM.

Les chercheurs ont commencé avec une antenne, l'un des composants les plus importants de l'électromagnétisme et au cœur des technologies 5G en cours et à venir 6G. Les antennes de cette étude sont topologiques :leurs propriétés essentielles sont conservées même lorsque l'appareil est tordu ou plié.

Pour fabriquer l'antenne topologique, les chercheurs ont utilisé la lithographie par faisceau d'électrons pour graver un motif de grille sur du phosphure d'arséniure d'indium et de gallium (un matériau semi-conducteur), puis ont collé la structure sur une surface en grenat de fer et d'yttrium. Ils ont conçu la grille pour former des puits quantiques dans un motif de trois cercles concentriques - le plus grand d'environ 50 microns de diamètre - pour piéger les photons. La conception a créé des conditions pour soutenir un phénomène connu sous le nom d'effet Hall quantique photonique, qui décrit le mouvement des photons lorsqu'un champ magnétique est appliqué, forçant la lumière à se déplacer dans une seule direction dans les anneaux.

En appliquant un champ magnétique perpendiculaire à la microstructure bidimensionnelle, les chercheurs ont réussi à générer trois faisceaux laser OAM se déplaçant sur des orbites circulaires au-dessus de la surface. L'étude a en outre montré que les faisceaux laser avaient des nombres quantiques aussi grands que 276, se référant au nombre de fois où la lumière se tord autour de son axe dans une longueur d'onde.