Des chercheurs ont développé une puce extrêmement fine avec un circuit photonique intégré qui pourrait être utilisé pour exploiter ce que l'on appelle l'intervalle térahertz - situé entre 0,3 et 30 THz dans le spectre électromagnétique - pour la spectroscopie et l'imagerie.
Cet écart constitue actuellement une sorte de zone morte technologique, décrivant des fréquences trop rapides pour les appareils électroniques et de télécommunications actuels, mais trop lentes pour les applications optiques et d'imagerie.
Cependant, la nouvelle puce des scientifiques leur permet désormais de produire des ondes térahertz avec une fréquence, une longueur d'onde, une amplitude et une phase personnalisées. Un tel contrôle précis pourrait permettre d'exploiter le rayonnement térahertz pour des applications de nouvelle génération dans les domaines électronique et optique.
Les travaux, menés entre l'EPFL, l'ETH Zurich et l'Université de Harvard, ont été publiés dansCommunication Nature.
Cristina Benea-Chelmus, qui a dirigé les recherches au Laboratoire de photonique hybride (HYLAB) de la Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur de l'EPFL, a expliqué que si des ondes térahertz ont déjà été produites en laboratoire, les approches précédentes reposaient principalement sur des cristaux massifs pour générer les fréquences adéquates. L'utilisation par son laboratoire du circuit photonique, fabriqué en niobate de lithium et finement gravé à l'échelle nanométrique par des collaborateurs de l'Université Harvard, permet une approche beaucoup plus rationalisée. L'utilisation d'un substrat en silicium rend également le dispositif adapté à l'intégration dans des systèmes électroniques et optiques.
« Générer des ondes à très hautes fréquences est extrêmement complexe, et rares sont les techniques permettant de les générer avec des motifs uniques », a-t-elle expliqué. « Nous sommes désormais capables de concevoir la forme temporelle exacte des ondes térahertz, c'est-à-dire : "Je veux une forme d'onde qui ressemble à ceci." »
Pour y parvenir, le laboratoire de Benea-Chelmus a conçu l'agencement des canaux de la puce, appelés guides d'ondes, de telle manière que des antennes microscopiques puissent être utilisées pour diffuser des ondes térahertz générées par la lumière des fibres optiques.
« Le fait que notre dispositif utilise déjà un signal optique standard constitue un véritable avantage, car cela signifie que ces nouvelles puces peuvent être utilisées avec des lasers traditionnels, qui fonctionnent très bien et sont très bien compris. Notre dispositif est donc compatible avec les télécommunications », a souligné Benea-Chelmus. Elle a ajouté que les appareils miniaturisés qui envoient et reçoivent des signaux de l'ordre du térahertz pourraient jouer un rôle clé dans les systèmes mobiles de sixième génération (6G).
Dans le domaine de l'optique, Benea-Chelmus perçoit un potentiel particulier pour les puces miniaturisées en niobate de lithium en spectroscopie et en imagerie. Outre leur caractère non ionisant, les ondes térahertz sont beaucoup plus faibles en énergie que de nombreux autres types d'ondes (comme les rayons X) actuellement utilisés pour fournir des informations sur la composition d'un matériau, qu'il s'agisse d'un os ou d'une peinture à l'huile. Un dispositif compact et non destructif comme la puce en niobate de lithium pourrait donc constituer une alternative moins invasive aux techniques spectrographiques actuelles.
« On pourrait imaginer envoyer un rayonnement térahertz à travers un matériau qui nous intéresse et l'analyser pour mesurer sa réponse en fonction de sa structure moléculaire. Tout cela à partir d'un appareil plus petit qu'une tête d'allumette », a-t-elle expliqué.
Ensuite, Benea-Chelmus prévoit de se concentrer sur l'amélioration des propriétés des guides d'ondes et des antennes de la puce afin de concevoir des formes d'ondes avec des amplitudes plus importantes, des fréquences et des taux de décroissance plus précis. Elle voit également le potentiel de la technologie térahertz développée dans son laboratoire pour des applications quantiques.
« Il y a de nombreuses questions fondamentales à résoudre ; par exemple, nous cherchons à savoir si nous pouvons utiliser de telles puces pour générer de nouveaux types de rayonnement quantique manipulables à des échelles de temps extrêmement courtes. De telles ondes en science quantique peuvent servir à contrôler des objets quantiques », a-t-elle conclu.
Date de publication : 14 février 2023
