Cette nouvelle antenne topologique pourrait bien déverrouiller la 6G

Une collaboration internationale pour un débit inédit

C’est une avancée qui pourrait redéfinir l’architecture des futurs réseaux de télécommunications. Une équipe internationale de chercheurs, réunissant des experts de Singapour, de France et des États-Unis, vient de mettre au point une antenne compacte capable de gérer des signaux riches en informations dans le spectre des térahertz (THz). Leurs travaux, dirigés par Ranjan Singh de l’Université de Notre Dame, ont fait l’objet d’une publication remarquée dans la revue scientifique Nature Photonics.

L’innovation repose sur des concepts empruntés à la photonique topologique, un domaine de pointe de la physique. Selon les auteurs de l’étude, cette technologie, moyennant quelques raffinements supplémentaires, pourrait constituer la pierre angulaire des réseaux sans fil de sixième génération (6G). L’objectif est clair : permettre un partage de données à des vitesses sans précédent, bien au-delà des capacités actuelles.

Cette coopération transatlantique et asiatique souligne l’urgence et l’importance des enjeux liés à la 6G. Alors que le déploiement de la 5G se poursuit à travers le monde, les laboratoires de recherche préparent déjà le terrain pour l’étape suivante, cherchant à lever les verrous technologiques qui limitent encore la montée en fréquence nécessaire aux très hauts débits.

Le défi des fréquences Térahertz

Pour comprendre l’importance de cette découverte, il faut saisir l’ampleur du saut technologique attendu avec la 6G. Dans un avenir relativement proche, ces réseaux devraient permettre des débits de données avoisinant un térabit par seconde. Pour donner un ordre d’idée concret, cela équivaut à transférer environ la moitié de la capacité de stockage d’un smartphone milieu de gamme en une seule seconde.

Atteindre de telles vitesses impose aux systèmes sans fil d’opérer à des fréquences térahertz, bien plus élevées que celles utilisées par les réseaux 5G actuels. Cependant, l’utilisation fiable de ces fréquences se heurte à un obstacle matériel majeur : les antennes. Avant de pouvoir exploiter le spectre THz, des améliorations significatives sont nécessaires au niveau des dispositifs chargés d’émettre et de recevoir ces signaux.

Par le passé, les gains de performance dans les technologies sans fil provenaient souvent de la construction de réseaux d’antennes plus grands ou de l’introduction de composants mécaniquement complexes et orientables. Bien qu’efficaces, ces approches augmentent considérablement les coûts, la complexité et les risques de panne. Sans une refonte fondamentale de la gestion des données aux fréquences THz, le déploiement de la 6G risquerait de devenir à la fois difficile et peu pratique.

L’apport de la photonique topologique

Pour relever ce défi d’ingénierie, l’équipe de Ranjan Singh s’est tournée vers la photonique topologique. Ce champ d’étude s’intéresse aux structures artificielles capables de forcer la lumière à voyager le long de chemins dits « protégés ». En structurant méticuleusement les matériaux, les chercheurs parviennent à créer des dispositifs compacts où les ondes électromagnétiques circulent sans être dispersées par les défauts, même lorsqu’elles doivent négocier des virages serrés.

Pour exploiter ces effets, l’équipe a conçu une puce en silicium perforée d’un réseau de trous triangulaires de deux tailles différentes : soit 99 micromètres, soit 264 micromètres de diamètre. Ce n’est pas un choix aléatoire, mais une géométrie calculée pour manipuler précisément le comportement des ondes.

En disposant les trous plus petits et plus grands selon des motifs spécifiques, les chercheurs ont pu contrôler le flux de la radiation THz. Ils peuvent ainsi décider si le rayonnement continue de circuler à l’intérieur de la puce ou s’il s’en échappe selon un angle défini avec précision. Cette « fuite contrôlée » produit un cône de signaux THz sortants porteurs d’informations, transformant ainsi la structure en une véritable antenne.

Une couverture spatiale démultipliée

La conception passive de cette antenne offre des performances remarquables en termes de couverture. Comme la radiation THz s’échappe à différents points le long de l’antenne, elle assure une couverture à la fois horizontale et verticale. Lorsqu’elle fonctionne comme émetteur, elle peut atteindre environ 75 % de l’espace tridimensionnel qui l’entoure. C’est une prouesse notable, représentant plus de 30 fois la couverture offerte par de nombreuses antennes THz existantes.

Inversement, cette même structure peut également agir comme un récepteur. Elle est capable de capturer les signaux THz entrants sur une plage tout aussi large et de les acheminer vers la puce. Tout au long des démonstrations effectuées par l’équipe, l’antenne a maintenu des débits de données des centaines de fois supérieurs à ceux atteints par d’autres dispositifs THz de pointe.

Point crucial souligné par les chercheurs : tout cela a été réalisé grâce à une conception entièrement passive et relativement simple. Le contrôle du signal est intégré directement dans la géométrie de la puce, plutôt que délégué à des pièces mobiles externes. Cette approche pourrait réduire les coûts d’exploitation tout en abaissant considérablement le risque de défaillance mécanique, un atout majeur pour une infrastructure de réseau destinée au grand public.

Vers une puce 6G tout-en-un

Forts de ces résultats prometteurs, l’équipe de Ranjan Singh ne compte pas s’arrêter là. Leur objectif est désormais d’explorer comment chaque élément d’un système de communication THz pourrait être intégré sur une seule et même puce. Cela inclut non seulement la transmission et la réception, mais également le traitement du signal, une étape souvent gourmande en ressources et en espace.

Si cette intégration complète venait à être réalisée, elle marquerait un tournant décisif. Ces avancées nous rapprocheraient considérablement de réseaux 6G fiables, capables de gérer les signaux THz aussi fluidement que les réseaux actuels gèrent les données à plus basse fréquence.

La route vers la 6G est encore longue, mais cette antenne topologique pose une brique essentielle. Elle démontre qu’il est possible de concilier très haute fréquence, couverture large et simplicité mécanique, trois ingrédients indispensables pour les télécommunications de demain.

Selon la source : phys.org

Créé par des humains, assisté par IA.