Les Métasurfaces Optiques : Une Révolution pour la Li-Fi et le Lidar
Une nouvelle surface intelligente, modulable, a été développée pour transformer un seul faisceau lumineux en plusieurs rayons, chacun dirigé dans des directions distinctes. Cette avancée expérimentale ouvre la voie à de nombreuses innovations dans les domaines des communications, de l’imagerie, de la détection et de la médecine.
Cette recherche provient du laboratoire de Caltech dirigé par Harry Atwater, professeur de physique appliquée et de science des matériaux. Elle repose sur un matériau nano-conçu appelé métasurface. « Ce sont des surfaces conçues artificiellement qui consistent essentiellement en des motifs nanostructurés », explique Prachi Thureja, étudiante diplômée dans le groupe d’Atwater. « Il s’agit d’un ensemble de nanostructures, et chaque nanostructure nous permet de contrôler localement les propriétés de la lumière. »
La surface peut être reconfigurée jusqu’à des millions de fois par seconde, permettant ainsi de manipuler et de rediriger la lumière pour des applications telles que la transmission de données optiques, les communications spatiales optiques et la Li-Fi, ainsi que le lidar.
« [La métasurface] offre une liberté sans précédent dans le contrôle de la lumière », déclare Alex M.H. Wong, professeur associé en ingénierie électrique à l’Université de la ville de Hong Kong. « Cette capacité signifie que l’on peut transférer les technologies sans fil existantes vers le domaine optique. La Li-Fi et le LIDAR en sont des exemples parfaits. »
Les Métasurfaces : Une Alternative aux Lentilles et Miroirs
La manipulation et la redirection des faisceaux lumineux nécessitent généralement une variété de lentilles et de miroirs conventionnels. Bien que ces éléments puissent être de taille microscopique, ils reposent toujours sur les propriétés optiques de matériaux comme la loi de Snell, qui décrit le comportement d’une onde à travers différents matériaux et comment cette onde est redirigée ou réfractée en fonction des propriétés du matériau.
En revanche, les nouvelles recherches offrent la possibilité de manipuler électriquement les propriétés optiques d’un matériau à l’aide d’un matériau semi-conducteur. Associés à des éléments de miroir à l’échelle nanométrique, ces dispositifs plats et microscopiques peuvent fonctionner comme des lentilles, sans nécessiter de verre courbé. De plus, les propriétés optiques de la métasurface peuvent être commutées des millions de fois par seconde grâce à des signaux électriques.
« La différence avec notre dispositif est qu’en appliquant différentes tensions, nous pouvons modifier le profil de la lumière émise par le miroir, même si celui-ci ne bouge pas physiquement », explique Jared Sisler, co-auteur de l’étude et également étudiant dans le groupe d’Atwater. « Nous pouvons alors diriger la lumière comme si c’était un miroir reprogrammable électriquement. »
Le dispositif, un circuit de 120 micromètres de côté, utilise une surface intégrée de minuscules antennes en or dans une couche de semi-conducteur d’oxyde d’indium-étain. En manipulant les tensions à travers le semi-conducteur, on modifie la capacité du matériau à plier la lumière, également connue sous le nom d’indice de réfraction. Grâce à la réflexion des éléments en or et à la capacité réfractive modulable du semi-conducteur, une manipulation rapide de la lumière devient possible.
« Je pense que l’idée d’utiliser une métasurface solide ou un dispositif optique pour diriger la lumière dans l’espace et l’utiliser pour encoder des informations est sans précédent », déclare Sisler. « Techniquement, vous pouvez transmettre plus d’informations si vous parvenez à des taux de modulation plus élevés. Mais comme il s’agit d’un domaine relativement nouveau, la performance de notre dispositif est principalement destinée à démontrer le principe. »
Les Métasurfaces : Un Avenir Prometteur
Ce principe, selon Wong, suggère une multitude de technologies futures basées sur ce qu’il considère comme des développements et découvertes de métasurfaces à court terme.
« La métasurface peut être plate, ultrafine et légère tout en atteignant des fonctions normalement réalisées par une série de lentilles soigneusement courbées », explique Wong. « Les scientifiques continuent d’explorer les vastes possibilités offertes par les métasurfaces. »
« Avec les avancées en nanofabrication, des éléments avec des tailles de caractéristiques bien inférieures à la longueur d’onde sont désormais fabriqués de manière fiable », poursuit Wong. « De nombreuses fonctionnalités des métasurfaces sont régulièrement démontrées, bénéficiant non seulement aux communications, mais aussi à l’imagerie, à la détection et à la médecine, entre autres domaines… Je sais qu’en plus de l’intérêt académique, divers acteurs de l’industrie s’intéressent également de près et investissent considérablement pour commercialiser cette technologie. »
