Résumé
Des chercheurs du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) et de l'Université de Málaga ont mis au point une nouvelle technologie qui pourrait être utilisée dans de futurs réseaux pour fournir un service Internet aux collectivités rurales et éloignées du Canada. En plaçant des composants photoniques (c.-à-d. qui manipulent la lumière) sur des micropuces, des faisceaux laser pourraient bientôt être utilisés pour offrir un accès sécurisé à Internet haute vitesse n'importe où. L'équipe a également utilisé la nanotechnologie (c.-à-d. des matériaux extrêmement petits) pour créer des dispositifs spécialisés qui permettent à ces systèmes de consommer moins d'énergie.
Depuis que les paroles « Téléporte-nous » ont été prononcées pour la première fois au XXe siècle lors de la série télévisée Star Trek, les technologies futuristes aux accomplissements miraculeux ne cessent de fasciner l'être humain. À l'époque, l'une d'entre elles – les appareils laser – captivait la planète entière. Le faisceau de ces appareils pouvait, au gré de celui qui l'avait imaginé, saisir et déplacer des objets, déclencher une explosion ou paralyser l'ennemi, voire transpercer murs et personnes.
Aujourd'hui, le faisceau laser se retrouve dans une multitude d'applications, tant spatiales que terrestres — automobiles autonomes, microscopes médicaux, téléphone cellulaire et satellites de communication.
Dans les systèmes de communication spatiaux de demain, le faisceau laser véhiculera les données pour que des milliers de satellites puissent communiquer efficacement non seulement entre eux, mais aussi avec la Terre et l'espace lointain. Comme les satellites tournent autour du globe à grande vitesse, les faisceaux qui les heurtent doivent constamment être redirigés afin que les données aboutissent à destination. Y parvenir avec efficacité constitue une formidable prouesse technique, d'autant plus que les applications commerciales exigent des dispositifs toujours plus rapides, plus petits et plus performants.
Dans l'atmosphère, on guide habituellement le faisceau laser au moyen de grands miroirs que commande un système mécanique de précision. Cependant, dans l'espace extra-atmosphérique, ces miroirs incurvés n'ont ni la robustesse, ni la rentabilité, la vitesse, la précision ou la longévité souhaitées.
Au cours des 3 dernières années, les scientifiques du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) ont mis au point une solution de rechange peu onéreuse en recourant à des micropuces d'optoélectronique en silicium très légères, semblables à celles employées dans les appareils électroniques. « Contrairement aux miroirs, ces puces sont fixes et ne pèsent que quelques fractions de gramme », explique Jens Schmid, chef d'équipe au Centre de recherche en électronique et photonique avancées (EPA). « Le guidage du faisceau par puce fait appel aux réseaux optiques en phase, une technologie qui exige le contrôle d'un grand nombre d'émetteurs optiques agencés sur une puce par des moyens électroniques complexes. »
La collaboration oriente la recherche
L'équipe du CNRC qui travaille avec Pavel Cheben et M. Schmid, en collaboration avec l'Université de Málaga, en Espagne, et l'Université Carleton, à Ottawa, dans le cadre du programme Défi « Réseaux sécurisés à haut débit », s'est attaquée aux énormes difficultés que pose la photonique intégrée. Elle a, par exemple, maîtrisé la technique qui consiste à installer des sources de lumière à grande ouverture sur une puce photonique intégrée.
Un modèle d'antenne révolutionnaire a révélé qu'il est possible d'appliquer les techniques de fabrication de puces de silicium couramment employées en photonique pour créer de très longues antennes (2 mm) produisant des faisceaux qui divergent très peu (0,1 degré en champ lointain).
« Notre équipe a aussi inventé des guides d'onde en métamatériaux nanostructurés qui, alimentés par une pièce d'optique ultra compacte, réduisent la consommation d'énergie et la complexité des commandes électroniques », poursuit M. Schmid. « Nous avons montré une façon pratique d'agrandir les réseaux d'antennes à puces de silicium qui guident les ondes afin qu'ils projettent un faisceau beaucoup plus aligné, ce qui augmente la portée du dispositif. »
Selon le chercheur, les collaborations sont précieuses, car elles complètent l'expertise du CNRC. Avec l'aide de scientifiques chevronnés des deux universités précitées, le projet a donné lieu à la publication de 3 articles en autant d'années dans des revues à comité de lecture, dont un dans le numéro de juillet 2022 de Laser and Photonics Reviews.
« Pablo Ginel-Moreno, notre doctorant d'Espagne, a aussi passé un certain temps au CNRC, sous notre supervision directe, ajoute-t-il. Et il a décroché un prix au colloque de l'IEEE de 2021 sur la photonique du groupe IV ainsi qu'un autre, à l'école d'été de 2022 d'ePIXfab sur la photonique du silicium, à Paris. »
Pour la démonstration expérimentale du nouveau concept, le CNRC a demandé au NanoSOI Fabrication Service, service de photonique de l'entreprise Applied Nanotools Inc., à Edmonton (Alberta), de produire les puces de silicium nanostructurées.
La phase suivante du projet prévoit la création d'un système fonctionnel de guidage du faisceau à partir d'antennes optiques, avec la collaboration de l'Université Carleton. On devra aussi innover pour parvenir à une meilleure performance, notamment augmenter de façon massive le débit binaire sans fil.
« Les collaborations de ce genre prouvent qu'en travaillant avec des gens dont le savoir-faire et la formation complètent la multidisciplinarité du CNRC, on arrive à se propulser aux frontières d'un domaine de recherche », affirme M. Schmid. « Ainsi nos approches inédites en la matière ont débouché sur une précieuse propriété intellectuelle dans un secteur pour lequel l'intérêt commercial grossit rapidement. »
Projeter la lumière dans l'avenir
Les avancées du CNRC dans les antennes optiques et les configurations de réseau peuvent rehausser la capacité des constellations de satellites à orbite terrestre basse (LEO) et de l'infrastructure qui les complète, au sol. On pourra aussi les adapter à diverses applications comme la détection et télémétrie par ondes lumineuses (LiDAR), qui cartographie l'environnement immédiat des véhicules autonomes au moyen de lasers.
Au départ, avec son invention, le CNRC voulait venir en aide aux communautés rurales et éloignées du Canada. C'est pour cela qu'il a lancé son programme Défi « Réseaux sécurisés à haut débit ». En effet, cette technologie révolutionnaire remplacera les fibres optiques d'un réseau par des faisceaux laser, donc promet un accès universel à l'internet à haute vitesse sécurisé.
« Enfouir des fibres optiques n'est tout simplement pas rentable à maints endroits, dans l'immensité du Nord canadien », reprend M. Schmid. « Avec des faisceaux laser, les données des grandes villes du Sud pourraient être téléversées, puis le faisceau serait projeté vers des satellites qui le renverraient à destination sans qu'il frappe une seule fois le sol. »
Cette technologie fait l'objet d'une forte demande, car les communications optiques dans l'espace libre promettent énormément face aux besoins à venir, qui évoluent rapidement. « En nous concentrant sur ces travaux, nos collaborateurs et nous sommes sur le point de conquérir des territoires inconnus », conclut le chercheur.
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