Révolutionner la transmission de données : antennes optiques multiplexées pour communication ultra-rapide

Des chercheurs ont découvert un moyen d'exploiter les propriétés des ondes lumineuses qui peut augmenter radicalement la quantité de données qu'elles transportent. Ils ont démontré l'émission de faisceaux laser discrets et tordus à partir d'antennes composées d'anneaux concentriques d'environ le diamètre d'un cheveu humain — assez petites pour être placées sur des puces informatiques.

Ce travail augmentera significativement la quantité d'informations qui peuvent être multiplexées, ou transmises simultanément, par une source lumineuse cohérente. Un exemple courant de multiplexage est la transmission de multiples appels téléphoniques sur un seul fil, mais il y avait des limites fondamentales au nombre d'ondes lumineuses cohérentes tordues qui pouvaient être multiplexées directement.

La technologie surmonte les limites actuelles de capacité de données grâce à une caractéristique de la lumière appelée moment angulaire orbital (OAM - Orbital Angular Momentum). Elle 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 leur limite. La fréquence, par exemple, est devenue saturée, c'est pourquoi il n'y a que tant de stations que l'on peut syntoniser 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 profitent de cela lors de la création de films 3D, permettant aux spectateurs avec des lunettes spécialisées de recevoir deux ensembles de signaux — un pour chaque œil — pour 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 attiré l'attention des scientifiques car elle offre une capacité exponentiellement plus grande pour la 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 en électromagnétisme et au cœur des technologies 5G en cours et 6G à venir. Les antennes dans cette étude sont topologiques — leurs propriétés essentielles sont conservées même lorsque le dispositif 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 de l'arséniure de phosphure d'indium gallium (un matériau semi-conducteur) puis ont collé la structure sur une surface en grenat de fer 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. Le design a créé des conditions pour supporter 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 voyager dans une seule direction dans les anneaux.

En appliquant un champ magnétique perpendiculaire à la microstructure bidimensionnelle, les chercheurs ont généré avec succès trois faisceaux laser OAM voyageant en orbites circulaires au-dessus de la surface. L'étude a également montré que les faisceaux laser avaient des nombres quantiques aussi grands que 276, se référant au nombre de fois que la lumière s'enroule autour de son axe en une longueur d'onde.