Les chercheurs de l'ETH Zurich ont développé un modulateur avec lequel les données transmises via des ondes millimétriques peuvent être directement converties en impulsions lumineuses pour les fibres optiques. Cela pourrait rendre la couverture du "dernier kilomètre" jusqu'à la prise Internet à la maison considérablement plus rapide et moins chère.

Les fréquences d'oscillation élevées des ondes lumineuses les rendent parfaitement adaptées à la transmission rapide de données. Ils peuvent être envoyés à travers des fibres optiques et transporter facilement des centaines de milliards de bits (Gigabits) par seconde. Le "dernier kilomètre" d'un câble central en fibre optique à la prise internet de la maison, cependant, est le plus difficile et le plus coûteux. Quelques alternatives, par exemple la téléphonie mobile 4/5G, sont moins chers, mais ils ne peuvent pas fournir à tous les utilisateurs simultanément les taux de transmission extrêmement élevés requis par les applications gourmandes en données d'aujourd'hui telles que la télévision en streaming.

Jürg Leuthold, professeur à l'Institut des champs électromagnétiques de l'ETH Zurich, et ses collaborateurs ont maintenant, avec le soutien de collègues de l'Université de Washington à Seattle, a développé un nouveau modulateur de lumière qui permettra à l'avenir de parcourir le dernier kilomètre de manière efficace et à faible coût avec des micro-ondes à haute fréquence - appelées ondes millimétriques - et donc des débits de transmission de données élevés.

Modulateur de lumière sans électronique

Pour transférer des données encodées dans des fibres optiques par variation de l'intensité lumineuse sur des ondes millimétriques, des composants électroniques très rapides – et donc coûteux – sont nécessaires. Dans la direction opposée, les ondes millimétriques doivent d'abord être reçues par une antenne, puis amplifié et mixé jusqu'en bande de base et enfin injecté dans un modulateur de lumière, qui traduit les données contenues dans les ondes radio en impulsions lumineuses.

Leuthold et ses collègues ont maintenant réussi à construire un modulateur de lumière qui fonctionne entièrement sans piles ni électronique. "Cela rend notre modulateur complètement indépendant des alimentations externes et, en plus de ça, extrêmement petit pour qu'il puisse, en principe, être monté sur n'importe quel lampadaire. De là, il peut alors recevoir des données via des signaux hyperfréquences de maisons individuelles et les alimenter directement dans la fibre optique centrale", explique Yannick Salamin, un doctorat étudiant qui a apporté des contributions cruciales au développement du nouveau modulateur.

Modulation par plasmons

Le modulateur construit par les chercheurs de l'ETH est constitué d'une puce mesurant moins d'un millimètre qui contient également l'antenne hyperfréquence. Cette antenne reçoit les ondes millimétriques et les convertit en une tension électrique. La tension agit alors sur une fente mince au centre de la puce - le véritable cœur du modulateur. Là, une fente étroite, quelques micromètres de long et moins d'une centaine de nanomètres de large, est rempli d'un matériau particulièrement sensible aux champs électriques. Le faisceau lumineux de la fibre est introduit dans cette fente. A l'intérieur de la fente, cependant, la lumière se propage – à la différence de la fibre optique ou de l'air – non plus comme une onde électromagnétique, mais comme un soi-disant plasmon. Les plasmons sont des créatures hybrides constituées de champs électromagnétiques et d'oscillations de charge électrique à la surface d'un métal. Grâce à cette propriété, elles peuvent être confinées beaucoup plus étroitement que les ondes lumineuses.

Le matériau électriquement sensible ("non linéaire") à l'intérieur de la fente garantit que même le plus petit champ électrique créé par l'antenne influencera fortement la propagation des plasmons. Cette influence sur la phase oscillatoire des ondes est conservée lorsque les plasmons sont reconvertis en ondes lumineuses au bout de la fente. De cette façon, les bits de données contenus dans les ondes millimétriques sont transférés directement sur les ondes lumineuses – sans faire le détour par l'électronique, et sans aucune alimentation externe. Dans une expérience en laboratoire avec des signaux micro-ondes à 60 gigahertz, les chercheurs ont pu démontrer des taux de transmission de données allant jusqu'à 10 Gigabits par seconde sur une distance de cinq mètres, et 20 Gigabits par seconde sur un mètre.

Pas cher et polyvalent

Outre la petite taille et la consommation d'énergie négligeable, le nouveau modulateur présente un certain nombre d'autres avantages. "Le transfert direct des ondes millimétriques aux ondes lumineuses rend notre modulateur particulièrement polyvalent en ce qui concerne la fréquence et le format exact de l'encodage des données", Leuthold souligne. En réalité, le modulateur est déjà compatible à la fois avec la nouvelle technologie 5G et avec les futures normes de l'industrie basées sur des fréquences d'ondes millimétriques et térahertz de 300 gigahertz et des vitesses de transmission de données allant jusqu'à 100 gigabits par seconde. De plus, il peut être réalisé en technologie silicium classique, et donc à un coût relativement bas.

Finalement, Leuthold peut rassurer les utilisateurs qui pourraient s'inquiéter du rayonnement électromagnétique impliqué. A la différence des ondes radio ou micro-ondes d'un modem WiFi, qui se propagent uniformément dans toutes les directions, les ondes millimétriques peuvent être fortement focalisées pour être transmises vers l'extérieur et ne se propager qu'entre l'antenne du toit et un poteau lumineux à l'intérieur d'un faisceau de vingt centimètres de diamètre. Cela réduit fortement la puissance nécessaire à la transmission par rapport aux autres technologies sans fil. Il élimine également les problèmes typiques des modems WiFi, dont les signaux peuvent se gêner mutuellement.