La métasurface réglable peut contrôler la lumière optique dans l’espace et le temps, offrant ainsi un chemin vers des canaux de communication sans fil

C’est une scène que beaucoup d’entre nous connaissent : vous travaillez sur votre ordinateur portable dans le café du coin avec peut-être une demi-douzaine d’autres utilisateurs d’ordinateurs portables. Chacun d’entre vous essaie de charger des sites Web ou de diffuser des vidéos haute définition, et tous ont envie de plus de bande passante.

Imaginez maintenant que chacun d’entre vous dispose d’un canal de communication sans fil dédié, des centaines de fois plus rapide que le Wi-Fi que nous utilisons aujourd’hui, avec une bande passante des centaines de fois supérieure. Ce rêve n’est peut-être plus très loin grâce au développement des métasurfaces, de minuscules feuilles conçues pour réfléchir et diriger la lumière de la manière souhaitée.

Dans un article intitulé « Métasurfaces spatio-temporelles accordables électriquement à des fréquences optiques », publié dans la revue Nature Nanotechnologie, une équipe d’ingénieurs de Caltech rapporte avoir construit une telle métasurface structurée avec de minuscules antennes accordables capables de réfléchir un faisceau entrant de lumière optique pour créer de nombreuses bandes latérales, ou canaux, de différentes fréquences optiques.

« Grâce à ces métasurfaces, nous avons pu montrer qu’un faisceau de lumière entre et que plusieurs faisceaux de lumière sortent, chacun avec des fréquences optiques différentes et allant dans des directions différentes », explique Harry Atwater, président de la direction Otis Booth de la division d’ingénierie et de sciences appliquées, professeur Howard Hughes de physique appliquée et de science des matériaux et auteur principal du nouvel article.

« Cela fonctionne comme un ensemble complet de canaux de communication. Et nous avons trouvé un moyen de faire cela pour les signaux en espace libre plutôt que pour les signaux transportés sur une fibre optique. »

Ces travaux ouvrent la voie à une voie prometteuse pour le développement non seulement d’un nouveau type de canal de communication sans fil, mais aussi de nouvelles technologies de télémétrie potentielles et même d’une nouvelle façon de relayer de plus grandes quantités de données vers et depuis l’espace.

Au-delà des éléments optiques conventionnels

Prachi Thureja, co-auteur principal du nouvel article et étudiant diplômé du groupe d’Atwater, explique que pour comprendre leur travail, il faut d’abord considérer le mot « métasurface ». La racine « méta » vient d’un préfixe grec signifiant « au-delà ».

Les métasurfaces sont conçues pour aller au-delà de ce que nous pouvons faire avec des éléments optiques volumineux conventionnels, tels que des objectifs d’appareil photo ou de microscope. Les dispositifs multicouches de type transistor sont conçus avec un motif soigneusement sélectionné d’antennes à l’échelle nanométrique qui peuvent réfléchir, disperser ou contrôler la lumière.

Ces dispositifs plats peuvent focaliser la lumière, à la manière d’une lentille, ou la réfléchir, comme un miroir, en concevant stratégiquement un ensemble d’éléments à l’échelle nanométrique qui modifient la façon dont la lumière réagit.

La plupart des travaux antérieurs sur les métasurfaces se sont concentrés sur la création de dispositifs passifs dotés d’une seule fonction de guidage de la lumière fixée dans le temps. En revanche, le groupe d’Atwater se concentre sur ce que l’on appelle les métasurfaces actives.

« Nous pouvons désormais appliquer un stimulus externe, tel qu’un ensemble de tensions différentes, à ces appareils et régler différentes fonctionnalités passives », explique Jared Sisler, également étudiant diplômé dans le laboratoire d’Atwater et co-auteur principal de l’article.

Dans ses derniers travaux, l’équipe décrit ce qu’elle appelle une métasurface spatio-temporelle qui peut réfléchir la lumière dans des directions spécifiques et également à des fréquences particulières (une fonction du temps, puisque la fréquence est définie comme le nombre d’ondes qui passent par un point par seconde).

Ce dispositif à métasurface, dont le cœur mesure seulement 120 microns de large et 120 microns de long, fonctionne en mode réflexion à des fréquences optiques généralement utilisées pour les télécommunications, à savoir 1 530 nanomètres. Ces fréquences sont des milliers de fois supérieures aux fréquences radio, ce qui signifie qu’il y a beaucoup plus de bande passante disponible.

Aux fréquences radio, l’électronique peut facilement orienter un faisceau lumineux dans différentes directions. C’est ce que font couramment les appareils de navigation radar des avions. Mais il n’existe actuellement aucun appareil électronique capable de le faire à des fréquences optiques beaucoup plus élevées. Les chercheurs ont donc dû essayer quelque chose de différent, à savoir modifier les propriétés des antennes elles-mêmes.

Sisler et Thureja ont créé leur métasurface composée d’antennes en or, avec une couche semi-conductrice sous-jacente à réglage électrique en oxyde d’étain et d’indium. En appliquant un profil de tension connu sur l’ensemble du dispositif, ils peuvent moduler localement la densité des électrons dans la couche semi-conductrice située sous chaque antenne, modifiant ainsi son indice de réfraction (la capacité du matériau à courber la lumière).

« En disposant de la configuration spatiale de différentes tensions à travers l’appareil, nous pouvons ensuite rediriger la lumière réfléchie à des angles spécifiés en temps réel sans avoir besoin de remplacer des composants encombrants », explique Thureja.

« Nous avons un laser incident qui frappe notre métasurface à une certaine fréquence, et nous modulons les antennes dans le temps avec un signal de tension à haute fréquence. Cela génère plusieurs nouvelles fréquences, ou bandes latérales, qui sont transportées par la lumière laser incidente et peuvent être utilisées comme canaux à haut débit pour envoyer des informations. De plus, nous avons toujours le contrôle spatial, ce qui signifie que nous pouvons choisir où chaque canal va dans l’espace », explique Sisler.

« Nous générons des fréquences et les dirigeons dans l’espace. C’est la composante spatio-temporelle de cette métasurface. »

Regard vers l’avenir

Au-delà de démontrer qu’une telle métasurface est capable de diviser et de rediriger la lumière à des fréquences optiques dans l’espace libre (plutôt que dans des fibres optiques), l’équipe affirme que le travail indique plusieurs applications possibles.

Ces métasurfaces pourraient être utiles dans les applications LiDAR, l’équivalent lumineux du radar, où la lumière est utilisée pour capturer les informations de profondeur d’une scène tridimensionnelle. Le rêve ultime est de développer une « métasurface universelle » qui créerait plusieurs canaux optiques, chacun transportant des informations dans différentes directions dans l’espace libre.

« Si les métasurfaces optiques deviennent une technologie réalisable qui prolifère, dans une décennie, vous pourrez vous asseoir dans un Starbucks avec un groupe d’autres personnes sur leurs ordinateurs portables et au lieu que chaque personne reçoive un signal Wi-Fi à radiofréquence, chacun recevra son propre signal de faisceau lumineux haute fidélité », explique Atwater, qui est également directeur de la Liquid Sunlight Alliance à Caltech.

« Une métasurface pourra transmettre une fréquence différente à chaque personne. »

Le groupe collabore avec le laboratoire de communications optiques du JPL, qui travaille sur l’utilisation de fréquences optiques plutôt que d’ondes radio pour communiquer avec les missions spatiales, car cela permettrait d’envoyer beaucoup plus de données à des fréquences plus élevées. « Ces appareils seraient parfaits pour ce qu’ils font », déclare Sisler.