Vers des composants multifonctionnels et programmables pour les ondes térahertz
Situées entre les micro-ondes et les infrarouges, les ondes térahertz présentent des propriétés qui pourraient révolutionner des domaines comme les télécommunications. Ces ondes nécessitent cependant des composants adaptés, idéalement capables de remplir plusieurs fonctions selon les besoins. Des scientifiques ont réalisé plusieurs avancées vers la réalisation de dispositifs térahertz optiquement reconfigurables pour modifier la fréquence de fonctionnement, la polarisation ou la direction de propagation des ondes térahertz.
Les ondes térahertz (THz) vont jouer un rôle essentiel dans les futurs développements des télécommunications, comme la 6G, ainsi que pour la spectroscopie et l’imagerie. Si de nombreux composants compatibles avec les domaines micro-ondes et optiques sont disponibles, ils ne sont pas adaptés aux ondes THz à cause de différents phénomènes physiques. Par exemple, la silice employée dans les fibres optiques absorbe les ondes THz au lieu de les transporter. Il faut donc concevoir toute une gamme de dispositifs THz et, pour des raisons de coût et d’espace, disposer de composants multifonctionnels, c’est-à-dire capables de remplir plusieurs fonctions selon les besoins : polariseur, filtre, résonateur… Dans une série de travaux menés avec des collègues de l’Institut franco-allemand de Saint-Louis (ISL) et de l’Université municipale de Hong Kong (Chine), des chercheurs et chercheuses de l’institut de recherche XLIM (XLIM, CNRS/Univ. Limoges) ont développé des surfaces intelligentes programmables fonctionnant comme des dispositifs THz multifonctionnels. Ils ont obtenu un système capable de filtrer et de polariser les ondes THz, ainsi qu’une surface qui les réfléchit, de manière contrôlée, à différents angles.
Ces travaux ont fait la couverture de la revue ACS Photonics et ont aussi été publiés dans Advanced Optical Materials. Ils reposent sur l’utilisation de matériaux à changement de phase (PCM), qui, à température ambiante, présentent une structure amorphe, sont quasiment transparents et se comportent en isolants électriques. Mais lorsqu’ils sont chauffés au-delà d’une certaine température, toutes ces propriétés s’inversent : ils deviennent cristallins, opaques, voire réfléchissants, et conduisent l’électricité comme un métal. Cette commutation des propriétés peut également se faire par un stimulus optique ou électrique. Le système est parfaitement stable et n’a pas besoin d’énergie pour rester dans son état après chaque transition. Le processus de changement de phase est réversible, comme dans des applications similaires pour des DVD réinscriptibles dont l’information inscrite est basée sur le passage d’un état à l’autre des matériaux PCM, grâce à l’action d’un laser. Les scientifiques ont utilisé dans leurs travaux des matériaux à changement de phase tels que le tellurure de germanium (GeTe) et le germanium-antimoine-tellure (GST), avec et sans ajout de structures résonantes métalliques. Ces dispositifs doivent encore être transformés en de véritables composants, notamment en étudiant leur fiabilité et leur durée de vie, mais ils ouvrent la voie à une manipulation multifonctionnelle des ondes THz.
© Q.-W. Lin et al.
Références
Terahertz devices using the optical activation of GeTe phase, change materials: toward fully reconfigurable functionalities.
Maxime Pinaud, Georges Humbert, Sebastian Engelbrecht, Lionel Merlat, Bernd M. Fischer and Aurelian Crunteanu.
ACS Photonics, 8(11) 3272–3281, 2021.
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c01086
Article disponible sur la base d’archives ouvertes arXiv.
Reconfigurable coding metasurface using optical activation of phase change materials for terahertz beam manipulations.
Quan-Wei Lin, Hang Wong, Laure Huitema, and Aurelian Crunteanu.
Adv. Optical Mater. 2021, 2101699.
https://doi.org/10.1002/adom.202101699