La communication par paquets d’ondes térahertz (THz)

Le potentiel inexploré des térahertz en communication

Dans un monde en constante évolution, la course au développement de méthodes de communication plus rapides, plus efficaces et plus sûres est incessante. Pour répondre à cette demande, la dernière frontière électromagnétique à conquérir est le domaine des fréquences térahertz (THz). Ces fréquences ont le potentiel de décupler la capacité des réseaux de communication actuels. Afin de mieux visualiser les quantités en jeu, imaginez votre réseau Wi-Fi actuel comme un tuyau d’eau de 1 cm de diamètre, tandis que celui THz serait de 30 cm de diamètre. Vous devinez sans doute lequel permet un plus grand débit d’eau. Cette analogie fait référence aux fréquences en question : les ondes THz couvrent la bande de 300 GHz jusqu’à 10 THz, globalement 1000x plus élevé que les fréquences qu’utilise votre téléphone portable ! Cette caractéristique fréquentielle confère beaucoup d’avantages à ces ondes, notamment :

• Des possibilités de transfert de données ultrarapides qui permettraient le téléchargement d’un film HD en quelques secondes ou la lecture en continu de vidéos 4K. C’est comme si vous passiez d’une bicyclette à un train à grande vitesse pour vous rendre où vous voulez !
• Une large bande fréquentielle offrant une connexion simultanée sans ralentissement pour un plus grand nombre d’appareils. C’est comme avoir une autoroute avec de nombreuses voies, pouvant accueillir des centaines de voitures (appareils) sans embouteillage.

Malgré les nombreux avantages escomptés et les discussions sur leur utilisation dans les systèmes de communication depuis les années 1970, la solution pour un système de communication THz est loin d’être simple et unique. Parmi les pistes envisagées figure une approche négligée dans le domaine des THz, mais extrêmement bien établie dans les communications micro-ondes ou RF : la communication par paquets. Cependant, des modulateurs électroniques capables de générer ce type d’ondes modulées aux fréquences THz n’existent toujours pas. C’est là que commence notre recherche à l’ÉTS, à savoir, trouver un moyen simple de moduler des paquets d’ondes THz avec une résolution temporelle sub-picoseconde (<1×10^-12 seconde).

Technique de modulation de paquets d’ondes térahertz

Cette technique se décompose en quatre étapes, comme illustré à la Figure 1.

Figure 1 : Schéma de principe du dispositif expérimental utilisé.

La multiplication : Une impulsion optique dans le proche infrarouge (IR) est multipliée à l’aide d’un miroir en forme d’escaliers appelé miroir échelon. Après avoir été réfléchie par celui-ci, l’impulsion laser est scindée en plusieurs impulsions. Ces dernières sont séparées temporellement par un temps de parcours aller-retour à la vitesse de la lumière de 1 ps, correspondant à l’espacement entre les marches du miroir échelon. De plus elles sont également séparées spatialement par l’espacement entre les marches de l’escalier.

La sélection : Cette étape permet de laisser passer ou non une impulsion optique parmi le paquet d’impulsion optique généré en (A). Grâce à la formation d’un train d’impulsion optique ou chacune des impulsions est séparé spatialement, nous avons accès à rediriger la lumière de manière individuelle grâce à une matrice de micromiroirs contrôlables (DMD). (Cette matrice est la même que nous retrouvons dans les projecteurs vidéo.) Ainsi, en affichant des masques sur le DMD, nous sommes capables de moduler (avec une résolution de 1 ps et moins) le train d’impulsions optique. Un exemple de masque de modulation est présenté à la Figure 2.

L’addition : La gestion temporelle des impulsions optiques a été ajustée à l’étape (B), cependant, les impulsions demeurent séparées spatialement. En utilisant une simple lentille optique, nous focalisons ces impulsions en un seul point, sur le convertisseur IR/THz. Suivant les règles de l’optique géométrique, le passage du train d’impulsions au point focal se fait à la queue leu leu, réalisant ainsi une conversion de parallèle à série.

La conversion : La méthode de génération de THz repose sur un dispositif spintronique impliquant un processus appelé « effet spin Hall inversé », où une impulsion laser femtoseconde convertit son énergie en rayonnement THz. Ainsi, chaque impulsion optique du paquet génère une impulsion THz, contribuant à la formation du paquet d’impulsions THz codé.

Figure 2 : Contrôle du nombre d’impulsions en fonction du masque appliqué sur le DMD. Génération de paquets de 5 impulsions.

Importance de la technique et les défis à venir

Grâce au DMD qui permet d’encoder chaque impulsion THz individuellement, nous avons considéré la génération de 3 impulsions comme 1 bit. Ceci permet d’utiliser un protocole binaire ASCII, une modulation « on-off keying » (OOK) pour générer les trois lettres formant le mot de l’université « ETS » (voir Figure 3). Le modèle binaire correspondant est : 01000101 01010100 01010011. Cette technique de modulation nous a permis de convertir avec précision l’information spatiale du faisceau optique en information temporelle d’un train d’impulsions à la fréquence porteuse de 1 THz.

En adoptant un protocole d’une impulsion par bit et compte tenu du nombre d’impulsions générées (128 impulsions, correspondant au nombre de marches de notre miroir en escalier) avec un taux de modulation de 6 kHz (rafraîchissement du DMD), notre système est actuellement capable de coder l’information à une vitesse de 768 kb/s. Ce taux de transfert de données peut être augmenté en multiplexant plusieurs impulsions laser sur la deuxième dimension du DMD ou en le remplaçant par un modulateur électro-optique plus rapide. En fin de compte, la modulation de chaque impulsion de notre système laser, qui a un taux de répétition de 80 MHz, pourrait générer jusqu’à 80 millions de paquets, chacun composé de 128 impulsions modulées, permettant ainsi un transfert de données à une vitesse de 10 Gb/s. Par contre, ce transfert reste à démontrer. De plus, la détection en temps réel de ces paquets d’impulsions ultrarapides est notre prochain défi… Une bonne nouvelle pour les futurs étudiants !

Figure 3 : Encodage spatial du train d’impulsions THz afin de former les lettres ‘ETS’ en format binaire.

Des retombées dans de nombreux secteurs

La communication par ondes THz est une clé pour l’avenir des technologies sans fil à courte portée. De la réalité augmentée sans latence au partage quasi instantané de fichiers volumineux, elle ouvre la voie à un monde connecté qui dépasse notre imagination actuelle. Il s’agit de la prochaine étape de notre évolution numérique, où tout se passe à la vitesse proche de la pensée. Comme pour toute technologie émergente, des préoccupations relatives à la sécurité et à la protection de la vie privée sont primordiales.

En photonique, l’une des approches envisagées pour résoudre simultanément les défis de la détection ultrarapide de l’information et de sa sécurisation est l’utilisation de capteurs quantiques. Cette perspective ouvre la voie à de nombreuses années d’exploration passionnante ! Heureusement, ces avancées anticipées ne se limiteront pas uniquement à des téléchargements plus rapides, mais transformeront divers secteurs, notamment les soins de santé (imagerie médicale ultrarapide), la sécurité (balayage à haute résolution), et la fabrication (automatisation extrêmement précise). Cela revient à doter les industries d’un superhéros technologique capable de résoudre les problèmes plus rapidement et avec une plus grande précision.

Complément d’information

Pour plus d’informations sur cette recherche, vous pouvez consulter l’article en ligne suivant :

Nkeck, J. E., Béliveau, L. P., Ropagnol, X., Deslandes, D., Morris, D., & Blanchard, F. (2022). Parallel generation and coding of a terahertz pulse train. APL Photonics, 7(12).