Un amplificateur avec une bande passante décuplée ouvre la voie aux super lasers et à Internet 10 fois plus rapide
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L'augmentation rapide du trafic de données impose des exigences toujours plus élevées aux systèmes de communication. Dans un article publié dans Nature , une équipe de recherche de l'Université de technologie Chalmers, en Suède, présente un nouvel amplificateur permettant de transmettre dix fois plus de données par seconde que les systèmes à fibre optique actuels. Cet amplificateur, intégré sur une petite puce, offre un potentiel considérable pour divers systèmes laser critiques, notamment ceux utilisés dans le diagnostic et le traitement médicaux.
Les progrès de la technologie de l’IA, la popularité croissante des services de streaming et la prolifération de nouveaux appareils intelligents sont parmi les facteurs qui expliquent le doublement prévu du trafic de données d’ici 2030. Cette augmentation accroît la demande de systèmes de communication capables de gérer de vastes quantités d’informations.
Actuellement, les systèmes de communication optique sont utilisés pour Internet, les télécommunications et d'autres services gourmands en données. Ces systèmes utilisent la lumière pour transmettre des informations sur de longues distances. Les données sont transmises par des impulsions laser qui se propagent à grande vitesse dans des fibres optiques, composées de fins brins de verre.
Pour garantir une qualité d'information élevée et éviter le bruit, les amplificateurs optiques sont essentiels. La capacité de transmission de données d'un système de communication optique est largement déterminée par la bande passante de l'amplificateur, qui correspond à la plage de longueurs d'onde lumineuses qu'il peut traiter.
« Les amplificateurs actuellement utilisés dans les systèmes de communication optique ont une bande passante d'environ 30 nanomètres. Notre amplificateur, quant à lui, dispose d'une bande passante de 300 nanomètres, ce qui lui permet de transmettre dix fois plus de données par seconde que ceux des systèmes existants », précise Peter Andrekson, professeur de photonique à Chalmers et auteur principal de l'étude publiée dans Nature.
Petit, sensible et puissant
Le nouvel amplificateur, fabriqué en nitrure de silicium, est doté de plusieurs petits guides d'ondes spiralés interconnectés qui dirigent efficacement la lumière avec une perte minimale. L'association de ce matériau à une conception géométrique optimisée a permis d'obtenir plusieurs avantages techniques.
« L'innovation clé de cet amplificateur réside dans sa capacité à décupler la bande passante tout en réduisant le bruit plus efficacement que tout autre type d'amplificateur. Cette capacité lui permet d'amplifier des signaux très faibles, tels que ceux utilisés dans les communications spatiales », explique Peter Andrekson.
De plus, les chercheurs ont réussi à miniaturiser le système pour qu’il tienne sur une puce de quelques centimètres seulement.
« Bien que la construction d’amplificateurs sur de petites puces ne soit pas un concept nouveau, c’est la première fois qu’une bande passante aussi large est atteinte », ajoute Peter Andrekson.
Contribue à la détection précoce des maladies
Les chercheurs ont intégré plusieurs amplificateurs à la puce, permettant ainsi une adaptation aisée du concept selon les besoins. Les amplificateurs optiques étant des composants essentiels de tout laser, la conception des chercheurs de Chalmers peut servir à développer des systèmes laser capables de changer rapidement de longueur d'onde sur une large plage. Cette innovation ouvre de nombreuses perspectives d'applications pour la société.
« Des ajustements mineurs à la conception permettraient également d'amplifier la lumière visible et infrarouge. L'amplificateur pourrait ainsi être utilisé dans les systèmes laser pour le diagnostic, l'analyse et le traitement médicaux. Une large bande passante permet des analyses et une imagerie plus précises des tissus et des organes, facilitant ainsi la détection précoce des maladies », assure Peter Andrekson.
Outre son large potentiel d’application, l’amplificateur peut également contribuer à rendre les systèmes laser plus petits et plus abordables.
« Cet amplificateur offre une solution évolutive pour les lasers, leur permettant de fonctionner à différentes longueurs d'onde tout en étant plus économique, compact et économe en énergie. Par conséquent, un seul système laser basé sur cet amplificateur pourrait être utilisé dans de nombreux domaines. Au-delà de la recherche médicale, du diagnostic et du traitement, il pourrait également être utilisé en imagerie, holographie, spectroscopie, microscopie et caractérisation des matériaux et composants à des longueurs d'onde entièrement différentes », lance Peter Andrekson.
Plus d'informations sur le potentiel de l'amplificateur
La lumière à différentes longueurs d'onde sert à diverses applications. Les chercheurs ont démontré que l'amplificateur fonctionne efficacement dans le spectre de communication optique, compris entre 1 400 et 1 700 nanomètres. Grâce à sa large bande passante de 300 nanomètres, l'amplificateur peut potentiellement être adapté à d'autres longueurs d'onde. En modifiant la conception du guide d'ondes, il est possible d'amplifier des signaux dans d'autres plages, comme la lumière visible (400 à 700 nanomètres) et la lumière infrarouge (2 000 à 4 000 nanomètres). Par conséquent, à long terme, l'amplificateur pourrait être utilisé dans des domaines où la lumière visible ou infrarouge est essentielle, comme le diagnostic et le traitement des maladies, la visualisation des organes et des tissus internes, et les interventions chirurgicales.
Plus d'informations sur l'étude
Lisez l'article scientifique « Amplification optique ultra-large bande utilisant des guides d'ondes intégrés non linéaires » dans Nature. Les auteurs de l'étude sont Ping Zhao, Vijay Shekhawat, Marcello Girardi, Zonglong He, Victor Torres-Company et Peter A. Andrekson, affiliés à la Division de photonique du Département de microtechnologie et de nanosciences de l'Université de technologie Chalmers, en Suède. Ping Zhao travaille actuellement à la Faculté d'électronique et d'ingénierie de l'information de l'Université du Sichuan, à Chengdu, en Chine.
L'amplificateur a été fabriqué dans la salle blanche de Chalmers, le laboratoire de nanofabrication Myfab Chalmers.
L'étude a été financée par le Conseil suédois de la recherche et la Fondation Knut et Alice Wallenberg.