Des chercheurs de l'Université de Californie, Berkeley, ont trouvé une nouvelle façon 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, assez petit pour être placé sur des puces informatiques.

Le nouveau travail, rapporté dans un article publié jeudi, 25 février dans la revue Physique de la nature , ouvre grand la quantité d'informations qui peuvent être multiplexées, ou transmis simultanément, par une source lumineuse cohérente. Un exemple courant de multiplexage est la transmission de plusieurs appels téléphoniques sur un seul fil, mais il y avait eu des limites fondamentales au nombre d'ondes lumineuses torsadées cohérentes qui pouvaient être directement multiplexées.

« C'est la première fois que des lasers produisant de la lumière torsadée sont directement multiplexés, " a déclaré le chercheur principal de l'étude Boubacar Kanté, le professeur agrégé Chenming Hu au département de génie électrique et d'informatique de l'UC Berkeley. "Nous vivons une explosion de données dans notre monde, et les canaux de communication dont nous disposons actuellement seront bientôt insuffisants pour ce dont nous avons besoin. La technologie que nous rapportons surmonte les limites actuelles de capacité de données grâce à une caractéristique de la lumière appelée moment angulaire orbital. Il change la donne avec des applications en imagerie biologique, cryptographie quantique, des communications et des capteurs à haute capacité."

Kanté, qui est également chercheur universitaire à la Division des sciences des matériaux du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), a continué ce travail à UC Berkeley après avoir commencé la recherche à UC San Diego. Le premier auteur de l'étude est Babak Bahari, un ancien Ph.D. étudiant dans le laboratoire de Kanté.

Kanté a déclaré que les méthodes actuelles de transmission de signaux par ondes électromagnétiques atteignent leurs limites. La fréquence, par exemple, est devenu saturé, c'est pourquoi il n'y a qu'un nombre limité de stations que l'on peut écouter à la radio. Polarisation, où les ondes lumineuses sont séparées en deux valeurs—horizontales ou verticales—peut doubler la quantité d'informations transmises. Les cinéastes en profitent pour créer des films en 3D, permettant aux téléspectateurs avec des lunettes spécialisées de recevoir deux ensembles de signaux - un pour chaque œil - pour créer un effet stéréoscopique et l'illusion de profondeur.

Exploiter le potentiel dans un vortex

Mais au-delà de la fréquence et de la polarisation, il y a le moment angulaire orbital, ou OAM, une propriété de la lumière qui a attiré l'attention des scientifiques car elle offre une capacité de transmission de données exponentiellement plus grande. Une façon de penser à OAM est de le comparer au vortex d'une tornade.

"Le vortex en lumière, avec ses degrés de liberté infinis, pouvez, en principe, supporter une quantité illimitée de données, " a déclaré Kanté. " Le défi a été de trouver un moyen de produire de manière fiable le nombre infini de faisceaux OAM. Personne n'a jamais produit de faisceaux OAM de charges aussi élevées dans un appareil aussi compact auparavant."

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

Créer des anneaux de lumière

Pour faire 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 a collé la structure sur une surface en grenat de fer yttrium. Les chercheurs 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 voyager dans une seule direction dans les anneaux.

"Les gens pensaient que l'effet Hall quantique avec un champ magnétique pouvait être utilisé en électronique mais pas en optique en raison du faible magnétisme des matériaux existants aux fréquences optiques, " a déclaré Kanté. "Nous sommes les premiers à montrer que l'effet Hall quantique fonctionne pour la lumière."

En appliquant un champ magnétique perpendiculaire à leur microstructure bidimensionnelle, les chercheurs ont réussi à générer trois faisceaux laser OAM voyageant 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 tourne autour de son axe dans une longueur d'onde.

"Avoir un nombre quantique plus grand, c'est comme avoir plus de lettres à utiliser dans l'alphabet, " a déclaré Kanté. "Nous permettons à la lumière d'élargir son vocabulaire. Dans notre étude, nous avons démontré cette capacité aux longueurs d'onde des télécommunications, mais en principe, il peut être adapté à d'autres bandes de fréquences. Même si nous avons créé trois lasers, multiplier le débit de données par trois, il n'y a pas de limite au nombre possible de faisceaux et à la capacité de données."

Kanté a déclaré que la prochaine étape dans son laboratoire consiste à fabriquer des anneaux quantiques à effet Hall qui utilisent l'électricité comme source d'énergie.