Une plateforme compacte, à l’échelle d’une puce, intègre un réseau VCSEL 5×5 et un système optique de mise en forme de faisceau sur mesure pour créer une grille structurée. Cette plateforme utilise des sources laser naturellement économes en énergie et pouvant être pilotées directement à haute vitesse ; l’énergie nécessaire à la transmission de chaque bit de données est donc nettement inférieure à celle des systèmes Wi-Fi classiques. Image courtoisie de H. Safi (Université de Cambridge).
La vie moderne repose sur des connexions sans fil rapides et fiables. Les appels vidéo, les services de streaming, la réalité virtuelle et les objets connectés exercent une pression croissante sur les réseaux qui desservent déjà des milliards d’utilisateurs. La plupart des données sans fil transitent aujourd’hui par des technologies radio telles que le Wi-Fi et les réseaux cellulaires. Bien que ces solutions aient rencontré un franc succès, elles sont confrontées à des défis de plus en plus importants, notamment la saturation du spectre radioélectrique, les interférences dans les espaces intérieurs denses et la consommation énergétique croissante liée à la multiplication des appareils connectés.
Une approche complémentaire prometteuse est la communication optique sans fil, qui utilise la lumière au lieu des ondes radio pour transmettre des données. La lumière offre une bande passante bien supérieure aux fréquences radio, n’interfère pas avec les systèmes sans fil existants et peut être dirigée avec précision vers des emplacements spécifiques. Ces caractéristiques rendent les liaisons optiques sans fil particulièrement intéressantes pour les environnements intérieurs tels que les bureaux, les habitations, les centres de données, les hôpitaux et les lieux publics, où de nombreux utilisateurs ont besoin de connexions haut débit à proximité.
Dans une étude publiée dans Advanced Photonics Nexus , des chercheurs présentent un émetteur optique sans fil compact qui allie débits de données très élevés et efficacité énergétique accrue. Le système repose sur une puce miniature intégrant un réseau de lasers semi-conducteurs et un dispositif optique conçu avec précision, qui optimise la diffusion de la lumière vers les utilisateurs. L’ensemble de ces éléments constitue une plateforme évolutive pour les communications sans fil intérieures à haute capacité.
Transmission de données à l’aide de nombreux lasers minuscules
Au cœur du système se trouve un réseau sur mesure de 5 × 5 lasers VCSEL (lasers à émission de surface à cavité verticale). Ces lasers émettent de la lumière infrarouge et sont largement utilisés dans les centres de données et les applications de détection grâce à leur efficacité et leur capacité de modulation à haute fréquence. De plus, les VCSEL peuvent être fabriqués en grands réseaux à l’aide des techniques de fabrication de semi-conducteurs standard.
Dans ce dispositif, chaque laser est adressable individuellement et peut transmettre son propre flux de données. En faisant fonctionner plusieurs lasers en parallèle, les chercheurs ont pu augmenter considérablement la capacité de transmission de données, bien au-delà de ce qu’une source lumineuse unique pourrait fournir. L’ensemble du réseau laser tient sur une puce de moins d’un millimètre, ce qui le rend compatible avec les points d’accès sans fil compacts et permet même une intégration aisée dans des appareils tels que les smartphones.
L’équipe a fabriqué le réseau laser à l’aide de procédés semi-conducteurs éprouvés et a monté la puce finie sur un circuit imprimé personnalisé. Les premiers tests ont montré que les lasers fonctionnaient de manière homogène sur l’ensemble du réseau, produisant une puissance de sortie stable et prenant en charge une modulation à haute vitesse.
Liaisons optiques sans fil à haut débit
Pour évaluer les performances, les chercheurs ont mis en place une liaison optique en espace libre de deux mètres de long. Chaque laser était piloté par une technique de modulation qui divise les données en de nombreux canaux de fréquence très proches, permettant ainsi au système d’utiliser efficacement la bande passante disponible tout en s’adaptant aux variations de la qualité du signal.
Lors des expériences, 21 des 25 lasers étaient opérationnels. Chaque laser a atteint un débit de données compris entre 13 et 19 gigabits par seconde. Combinés, les lasers ont permis d’atteindre un débit cumulé de 362,7 gigabits par seconde. Il s’agit là de l’un des débits les plus élevés jamais obtenus pour un émetteur optique sans fil sur puce utilisant un récepteur couplé en espace libre.
Les chercheurs précisent que les débits atteints étaient limités par la bande passante du photodétecteur commercial utilisé lors des mesures. Avec des récepteurs plus rapides, la même architecture d’émetteur pourrait supporter des débits de données encore plus élevés.
Façonner la lumière pour plusieurs utilisateurs
L’émission simultanée de nombreux faisceaux lumineux pose de nouveaux défis. Si ces faisceaux se chevauchent trop, les signaux peuvent interférer, rendant difficile la séparation des flux de données par les récepteurs. Pour pallier ce problème, l’équipe a conçu un système optique compact qui façonne et oriente la lumière émise par le réseau laser.
Un réseau de microlentilles sur mesure collimatise d’abord la lumière de chaque laser. Des lentilles supplémentaires redistribuent ensuite les faisceaux en une grille structurée de points d’illumination carrés au niveau du plan récepteur. Cette configuration garantit que chaque faisceau couvre une zone définie avec un chevauchement minimal.
Les mesures ont montré que les faisceaux profilés atteignaient une uniformité supérieure à 90 % sur toute la zone éclairée, à une distance de deux mètres. Cet éclairage structuré permet d’attribuer des faisceaux différents à différents utilisateurs ou appareils dans une même pièce.
Les chercheurs ont également testé le fonctionnement multi-utilisateurs en activant plusieurs lasers simultanément. Lors d’une démonstration avec quatre faisceaux actifs, chaque liaison a maintenu une communication stable et le système a fourni un débit de données combiné d’environ 22 gigabits par seconde. Ces résultats montrent que plusieurs liaisons optiques sans fil peuvent fonctionner en parallèle sans interférence significative.
Consommation d’énergie réduite par bit
L’efficacité énergétique est un enjeu majeur pour les futurs réseaux sans fil, d’autant plus que le trafic de données ne cesse de croître. Les systèmes radio traditionnels nécessitent une puissance toujours plus importante pour fournir des débits de données plus élevés, ce qui peut s’avérer coûteux et néfaste pour l’environnement.
Le système optique sans fil présenté ici utilise des sources laser naturellement économes en énergie et pouvant être alimentées directement à haute fréquence. De ce fait, l’énergie nécessaire à la transmission de chaque bit de données est nettement inférieure à celle des systèmes Wi-Fi classiques. Les chercheurs ont mesuré une consommation d’énergie d’environ 1,4 nanojoule par bit, soit environ la moitié de celle rapportée pour le Wi-Fi de pointe dans des conditions comparables.
Complément des réseaux sans fil existants
Les chercheurs soulignent que la communication optique sans fil n’a pas vocation à remplacer le Wi-Fi ou les réseaux mobiles, mais à les compléter. Les liaisons optiques pourraient être déployées dans les pièces, les bureaux, les usines ou autres espaces intérieurs nécessitant une capacité élevée, afin de désengorger les réseaux radio saturés.
À l’avenir, des systèmes similaires pourraient être intégrés aux luminaires, aux plafonds ou aux points d’accès, offrant ainsi des connexions sans fil rapides, sécurisées et économes en énergie à de nombreux utilisateurs simultanément. En combinant des réseaux laser, une transmission de données à haut débit et une optique de conception soignée sur une plateforme compacte, ce travail ouvre la voie à des réseaux sans fil intérieurs de nouvelle génération, plus performants sans augmentation de la consommation d’énergie.
https://spie.org/news/a-new-way-to-deliver-faster-greener-wireless-connections-indoors
