Les puces à ultrasons pourraient réduire les interférences dans l'IoT
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La prolifération de la technologie IoT a rendu bavard du matériel de tous les jours et des nouveaux gadgets, mais elle présente un inconvénient : plus il y a d'appareils qui partagent les ondes, plus ils ont des difficultés à communiquer. Les quelque 30 milliards d'appareils connectés attendus d'ici à 2030 utiliseront des normes sans fil différentes tout en partageant les mêmes bandes de fréquences, ce qui risque de provoquer des interférences entre eux. Pour remédier à ce problème, des chercheurs japonais affirment avoir mis au point un moyen de réduire la taille des dispositifs qui filtrent les signaux parasites. Au lieu d'utiliser de nombreux filtres individuels, la technologie permettrait de les combiner sur une seule puce.
Pour que les smartphones puissent fonctionner avec différentes normes de communication et dans différents pays, ils ont besoin de dizaines de filtres pour éliminer les signaux indésirables. Mais ces filtres peuvent être coûteux et occupent collectivement un espace relativement important dans le téléphone.
Avec un spectre électromagnétique de plus en plus encombré, les ingénieurs devront intégrer encore plus de filtres dans les téléphones et autres gadgets, ce qui nécessitera une miniaturisation plus poussée. Des chercheurs de la société japonaise de télécommunications NTT et de l'université d'Okayama affirment avoir mis au point une technologie permettant de réduire tous ces filtres à un seul dispositif qu'ils décrivent comme un circuit ultrasonique capable de diriger les signaux sans les disperser involontairement.
Le circuit ultrasonique intègre des filtres similaires aux filtres à ondes acoustiques de surface (SAW) utilisés dans les smartphones. Les filtres SAW convertissent un signal RF électronique en une onde mécanique sur la surface d'un substrat et vice-versa, filtrant ainsi des fréquences particulières. L'onde mécanique étant des milliers de fois plus courte que l'onde RF qui la crée, les filtres SAW peuvent être compacts.
illustration d'une main tenant un smartphone et d'un texte noir et rouge avec des flèches de couleurs différentes à droite Les filtres actuels filtrent les signaux RF indésirables en les convertissant en signaux ultrasoniques et vice-versa. De nouvelles recherches pourraient permettre d'intégrer de nombreux filtres de ce type sur une seule puce.NTT Corporation
« Dans la future société de l'IoT, la bande passante et les méthodes de communication augmenteront, de sorte que nous aurons besoin de centaines de filtres à ultrasons dans les smartphones, mais nous ne pouvons pas leur allouer une grande surface », car la batterie, l'écran, le processeur et d'autres composants ont également besoin d'espace, explique Daiki Hatanaka, chercheur principal au sein du groupe de recherche sur la nanomécanique de NTT. « Notre technologie nous permet de confiner les ultrasons dans un canal très étroit à l'échelle du micromètre, puis de guider le signal comme nous le souhaitons. Sur la base de ce circuit ultrasonique, nous pouvons intégrer de nombreux filtres sur une seule puce ».
Transport dépendant de la vallée du Pseudospin
Guider des ondes ultrasoniques le long d'un chemin qui change de direction peut provoquer une rétrodiffusion, ce qui dégrade la qualité du signal. Pour y remédier, Daiki Hatanaka et ses collègues ont exploité les recherches de l'université d'Okayama sur les structures topologiques acoustiques. La topologie est une discipline mathématique qui s'intéresse à la manière dont des formes différentes peuvent être considérées comme équivalentes si elles satisfont à certaines conditions. Mais comme l'a souligné le prix Nobel de physique 2016, elle est également utilisée pour explorer des états exotiques de la matière, notamment la supraconductivité.
Dans leurs expériences, les chercheurs japonais ont fabriqué un guide d'ondes composé de réseaux de trous périodiques à triple symétrie de rotation. Au point de rencontre de deux réseaux de trous tournés à 10 degrés l'un de l'autre, une propriété topologique appelée "pseudospin de vallée" apparaît.
À ce bord, de minuscules vortex ultrasoniques « pseudotournent » dans des directions opposées, générant une onde ultrasonique unique connue sous le nom de transport dépendant du pseudospin de vallée (valley pseudospin-dependent transport). Selon NTT, cette onde propage un signal de 0,5 GHz dans une seule direction, même si le guide d'ondes présente une courbure prononcée. Le signal ne peut donc pas subir de rétrodiffusion.
« La direction de la polarisation des états de vallée des ultrasons les oblige automatiquement à se propager dans une seule direction, et la rétrodiffusion est interdite », explique Daiki Hatanaka.
NTT affirme que le circuit topologique gigahertz est le premier du genre. L'équipe de recherche essaie maintenant de fabriquer un guide d'ondes qui relie 5 à 10 filtres sur une seule puce. La puce initiale mesurera environ 1 centimètre carré, mais les chercheurs espèrent la réduire à quelques centaines de micromètres carrés. Dans une deuxième phase de recherche, ils essaieront de contrôler dynamiquement les ultrasons, d'amplifier le signal, de convertir sa fréquence et d'intégrer ces fonctions dans un seul système.
L'entreprise envisagera des plans de commercialisation au fur et à mesure que la recherche progressera au cours des deux prochaines années. Si la recherche devient un produit commercial, l'impact sur les futurs smartphones et systèmes IoT pourrait être important, assure Daika Hatanaka. Il estime que les futurs smartphones haut de gamme pourraient être équipés d'une vingtaine de circuits à ultrasons.
« En utilisant des filtres à ultrasons ou d'autres composants de signaux analogiques, nous pouvons améliorer l'affichage, la batterie ou d'autres composants importants pour l'expérience de l'utilisateur », explique-t-il.