Une équipe internationale crée un commutateur haute fréquence pour les futurs réseaux 6G

Des chercheurs de l’UAB (Université de Barcelone) ont participé au développement d’un commutateur, un dispositif essentiel dans les télécommunications, capable de fonctionner à très haute fréquence avec une consommation d’énergie inférieure à celle des technologies conventionnelles. La technologie a des applications dans les nouveaux systèmes de communication de masse 6G et est plus durable en termes de consommation d’énergie que les appareils actuels. L’étude a été publiée récemment dans Électronique naturelle.

Un élément indispensable pour contrôler les signaux dans les appareils de communication électronique est l’interrupteur, dont la fonction est de laisser passer un signal électrique (état ON) ou de le bloquer (état OFF). Les éléments les plus rapides actuellement utilisés pour remplir cette fonction sont à base de silicium (les commutateurs MOSFET RF à isolant silicium) et fonctionnent à l’aide de signaux dont les fréquences se comptent en dizaines de gigahertz (GHz). Cependant, ils sont volatils, c’est-à-dire qu’ils nécessitent une source d’alimentation constante pour maintenir l’état ON.

Pour améliorer les systèmes de communication actuels et répondre à la demande de communications de plus en plus rapides qu’impliquera l’Internet des objets (IoT) et la popularisation de la réalité virtuelle, il est nécessaire d’augmenter la fréquence des signaux avec lesquels ces éléments sont capables d’agir, et d’améliorer leurs performances.

Une collaboration internationale impliquant des chercheurs du Département des télécommunications et de l’ingénierie des systèmes de l’UAB a développé un commutateur qui, pour la première fois, est capable de fonctionner à une fréquence de fonctionnement deux fois supérieure à celle des appareils actuels à base de silicium, avec une gamme de fréquences allant jusqu’à 120 GHz, et sans avoir besoin d’appliquer une tension constante.

Le nouveau commutateur utilise un matériau non volatil, appelé hBN (Hexagonal Boron Nitride), qui permet d’activer son état ON ou OFF en appliquant une impulsion de tension électrique au lieu d’un signal constant. De cette façon, les économies d’énergie qui peuvent être obtenues sont très importantes.

« Notre équipe de recherche du Département de télécommunications et d’ingénierie des systèmes de l’UAB a participé à la conception des appareils et à leur caractérisation expérimentale en laboratoire », explique le chercheur Jordi Verdú.

« Pour la première fois, nous avons pu démontrer le fonctionnement d’un commutateur basé sur le hBN, un matériau non volatil, dans une gamme de fréquences allant jusqu’à 120 GHz, ce qui suggère la possibilité d’utiliser cette technologie dans les nouveaux systèmes de communications de masse 6G, où un nombre très élevé de ces éléments sera nécessaire. »

Pour Verdú, il s’agit d’une « contribution très importante, non seulement du point de vue des performances de l’appareil, mais aussi vers une technologie beaucoup plus durable en termes de consommation d’énergie ».

Ces dispositifs fonctionnent grâce à la propriété de memristance, la variation de résistance électrique d’un matériau lorsqu’une tension est appliquée. Jusqu’à présent, des commutateurs très rapides ont été développés expérimentalement à partir de memristors (dispositifs à memristance) créés avec des réseaux bidimensionnels de nitrure de bore hexagonal (hBN) liés entre eux pour former une surface.

Avec cette disposition, la fréquence du dispositif pourrait atteindre 480 GHz, mais seulement pendant 30 cycles, c’est-à-dire sans application pratique. La nouvelle proposition utilise le même matériau, mais disposé en superposition de couches (entre 12 et 18 couches au total) qui peuvent fonctionner à 260 GHz et avec une stabilité suffisamment élevée d’environ 2000 cycles pour être implémentée dans des dispositifs électroniques.