Des recherches révolutionnaires de l'Université du Texas à Arlington et de l'Université du Vermont pourraient conduire à une réduction spectaculaire du coût et de la consommation d'énergie des connexions Internet haut débit.

Effets optiques non linéaires, tels que l'indice de réfraction dépendant de l'intensité, peut être utilisé pour traiter des données des milliers de fois plus rapidement que ce qui peut être réalisé par voie électronique. Un tel traitement a, jusqu'à maintenant, n'a fonctionné que pour un faisceau optique à la fois car les effets optiques non linéaires provoquent également une interaction inter-faisceaux indésirable, ou diaphonie, lorsque plusieurs faisceaux lumineux sont présents.

Un article publié dans le prestigieux Communication Nature journal, par le groupe de recherche de Michael Vasilyev, professeur d'électrotechnique à l'UTA, en collaboration avec Taras I. Lakoba, professeur de mathématiques à l'UVM, a détaillé une démonstration expérimentale d'un support optique dans lequel plusieurs faisceaux de lumière peuvent corriger automatiquement leurs propres formes sans s'affecter les uns les autres.

Ce travail, financé par la National Science Foundation, permet le traitement optique non linéaire simultané de plusieurs faisceaux lumineux par un seul appareil sans les convertir en forme électrique, ouvrant la voie à cette technologie pour atteindre son plein potentiel multi-térabit par seconde, résultant en des communications Internet haut débit moins chères et plus économes en énergie.

Actuellement, éliminer le bruit accumulé lors de la propagation de la lumière dans les liaisons optiques de communication, les opérateurs télécoms doivent recourir à des régénérations optoélectroniques fréquentes, où ils convertissent les signaux optiques en signaux électriques via des photodétecteurs rapides, les traiter avec des circuits à base de silicium, puis reconvertir les signaux électriques en signaux optiques, utilisant des lasers suivis de modulateurs électro-optiques. Étant donné que chaque fibre optique peut transporter plus d'une centaine de signaux différents à différentes longueurs d'onde, connu sous le nom de multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM), une telle régénération optoélectronique doit être effectuée séparément pour chaque longueur d'onde, rendre les régénérateurs grands, consommateurs d'électricité coûteux et inefficaces.

Une alternative intéressante consiste à traiter directement le signal optique, sans le convertir en électrique et inversement. En particulier, la vitesse de la lumière se propageant dans un milieu transparent peut être légèrement modifiée par une modification de l'intensité lumineuse. Il s'agit d'une manifestation d'un effet optique non linéaire connu sous le nom de "modulation d'auto-phase" ou SPM. Si la lumière contient à la fois du signal et du bruit, le SPM peut aider à nettoyer le signal du bruit en diffusant l'énergie du bruit dans des fréquences bien en dehors de la bande de signal, d'où le bruit peut être facilement éliminé par un filtre. Lorsqu'il est appliqué à la lumière contenant des données utiles, cette opération de suppression du bruit activée par SPM est appelée "régénération tout optique, " qui peut entraîner une auto-correction optique des signaux transportant des débits de données cent fois plus rapides que ce qui peut être traité électroniquement.

Cependant, l'adoption de la régénération tout optique dans les systèmes de communication a été entravée par son incapacité à fonctionner avec les signaux WDM. En effet, en présence de plusieurs faisceaux de signaux, ou canaux WDM, le SPM souhaité s'accompagne toujours de deux effets indésirables :modulation de phase croisée, où l'intensité d'un canal modifie la vitesse de propagation d'un autre canal, et mélange à quatre ondes, où l'interaction de plusieurs canaux entraîne des interférences avec d'autres canaux.

Dans leur article publié, Vasilyev et ses collègues rapportent une démonstration expérimentale d'un nouveau support optique non linéaire à retard de groupe, où un fort effet SPM est obtenu sans de telles interférences inter-canaux. Fractionnement d'un milieu non linéaire conventionnel, comme une fibre optique, en plusieurs sections courtes séparées par des filtres spéciaux à retard de groupe périodique, on obtient un milieu dans lequel toutes les composantes de fréquence du même canal WDM se déplacent à la même vitesse, assurer une SPM forte. Différents canaux WDM voyagent à des vitesses différentes, ce qui supprime considérablement toute interaction inter-canaux.

"Notre nouveau support non linéaire nous a permis de démontrer la régénération tout optique simultanée de 16 canaux WDM par un seul appareil, et ce nombre n'a été limité que par les contraintes logistiques de notre laboratoire", a déclaré Vasilyev. "Cette expérience ouvre la possibilité d'étendre le nombre de canaux à plus d'une centaine sans augmenter le coût, le tout dans un appareil de la taille d'un livre."

Le régénérateur multicanal pourrait même potentiellement réduire la taille d'une boîte d'allumettes à l'avenir si le support optique non linéaire pouvait être implémenté sur une micropuce.

"Cette percée est un exemple de la façon dont les chercheurs de l'UTA peuvent avoir un impact positif sur le bien-être physique et économique de la société dans le domaine de la découverte basée sur les données et de l'impact environnemental mondial, thèmes du plan stratégique 2020 d'UTA Bold Solutions | Impact mondial, " a déclaré Jonathan Bredow, professeur et président du département de génie électrique du Collège d'ingénierie de l'UTA.

"Les efforts antérieurs pour mettre en œuvre un traitement optique non linéaire, comme la régénération, n'a pas eu d'impact car il n'y avait aucun avantage à les utiliser par rapport aux signaux électriques en raison de l'impossibilité d'utiliser plus d'un canal. Maintenant que le groupe du Dr Vasilyev a surmonté cet obstacle, il y a d'énormes nouvelles possibilités pour aller plus vite, transmission plus efficace des messages, " a déclaré Bredow.