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Comment façonner les ondes électromagnétiques à l'aide de matériaux intelligents

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Comment façonner les ondes électromagnétiques à l'aide de matériaux intelligents

Essai en chambre anéchoïque d’une antenne millimétrique (27-30 GHz) à base de métasurfaces de la start-up Greenerwave.

Dompter les ondes radiofréquences devient un enjeu fondamental pour de nombreuses applications, communications en tête. S’inspirant de l’optique, une nouvelle approche émerge pour y parvenir : utiliser des métamatériaux permettant de sculpter les fronts d’ondes en réflexion. À la clé, des économies d’énergie et des débits importants.

Contrôlées ou pas, les ondes ont des conséquences très différentes. En témoigne l’exemple du culot de bouteille abandonné dans une forêt : la lumière du soleil, habituellement inoffensive, peut provoquer un redoutable départ d’incendie lorsque le morceau de verre la concentre sur une feuille morte. Mais dompter les ondes est loin d’être toujours dangereux. Ainsi, dans le secteur médical, on utilise depuis de nombreuses années des faisceaux focalisés ultrasonores afin d’imager le corps humain. Pour ce faire, on a recours à des matrices de transducteurs capables de transformer un signal électrique en onde ultrasonore, ainsi qu’à une électronique à multiples voies d’émission permettant de former les signaux. Ces techniques de contrôle des ondes, dites de formation de voies, sont particulièrement adaptées aux ultrasons : les fréquences y étant relativement faibles (entre 1 et 10 MHz), elles ne nécessitent que des composants électroniques relativement bon marché.

1. Radiofréquences  - contrôler pour optimiser

Les choses s’avèrent très différentes lorsque l’on s’intéresse au domaine des ondes radiofréquences, dont les fréquences typiques vont de 100 MHz pour la radio à quelques gigahertz pour la téléphonie cellulaire, et jusqu’à plus de 100 GHz pour des applications radar. Si le bas du spectre regorge de composants à bas prix, il est de plus en plus difficile, à mesure que la fréquence augmente, de réaliser des circuits radiofréquences permettant de mesurer et générer des ondes électromagnétiques de façon contrôlées pour des montants raisonnables.

Contrôler efficacement et intelligemment les ondes radiofréquences devient pourtant de plus en plus important. Dans le secteur des communications sans fil cellulaires, la seule solution qui s’offre aux opérateurs pour accroître encore les débits (les bandes passantes) sans augmenter les puissances est d’émettre à plus haute fréquence. Or plus on monte en fréquence, moins les ondes pénètrent dans les bâtiments. Par conséquent, il est crucial d’optimiser la transmission depuis les stations de base vers les téléphones en focalisant les ondes. À la clé, des débits plus importants, des économies d’énergie, une utilisation plus efficace du spectre. Mais aussi une moindre émission d’ondes électromagnétiques à même de répondre à un principe de précaution quant à leurs potentiels effets sur le vivant.

Loin d’être limitées aux communications cellulaires, ces approches de contrôle des ondes radiofréquences touchent une multitude d’applications, du Wi-Fi aux radars pour véhicules autonomes, de la digitalisation du magasin avec la RFID à la thérapie par ondes électromagnétiques pulsées, de l’internet des objets dans l’industrie 4.0 au four à micro-ondes. Chacune de ces applications nécessite de plus en plus une maîtrise fine de la propagation des ondes, qui est généralement obtenue à l’aide de systèmes contenant de multiples antennes.

Un tel système (fig. 1) est un ensemble de nombreuses voies radiofréquences, elles-mêmes constituées de nombreux composants radiofréquences : câbles, filtres, amplificateurs d’émission, déphaseurs, amplificateurs de réception, antennes, connecteurs… Évidemment, plus on requiert un contrôle précis des ondes, plus le nombre de composants augmente. Ceci implique un système de plus en plus complexe et un coût prohibitif. D’autant plus que l’on monte en fréquences. Ces systèmes atteignent donc leur limite, et il est nécessaire de changer de paradigme.

FIG. 1 De multiples antennes pour focaliser le rayonnement
Le contrôle des ondes est généralement réalisé en utilisant de nombreuses antennes émettant des signaux déphasés, de façon à ce que l’addition des amplitudes de chaque source soit maximale dans une direction donnée.

2. Révolution optique - une source dont on maîtrise les réflexions

Dans les fréquences élevées de l’optique, les composants capables de générer ou mesurer des signaux et des ondes très complexes n’existent pas. Les chercheurs ont dû trouver d’autres solutions pour dompter la lumière : les matrices de micro-miroirs, ou modulateurs spatiaux de lumière (SLM, pour spatial light modulators), d’abord utilisés en astronomie avec l’optique adaptative. Si l’observation des astres demande de coûteux miroirs contrôlés mécaniquement, des SLM bien meilleur marché sont apparus sous la forme de matrices de millions de cellules micrométriques de cristaux liquides. Chaque cellule pouvant modifier à l’aide d’une tension de contrôle la phase ou l’amplitude d’une onde en réflexion ou en transmission. En une décennie, ces SLM ont révolutionné la façon dont les opticiens utilisent la lumière.

Les expériences pionnières d’Allard Mosk, aux Pays-Bas, en 2007, ont démontré la possibilité de focaliser sur un point de quelques centaines de nanomètres de diamètre de la lumière issue d’un laser et ayant traversé une couche de peinture très opaque. Le principe est le suivant : on illumine le modulateur spatial de lumière à l’aide du laser, la lumière réfléchie traverse ensuite une lame optique couverte par une couche de peinture (fig. 2).

En l’absence de réglage du modulateur spatial, on observe à la sortie de ce milieu un champ optique dont la distribution d’intensité est aléatoire et faible. En effet, la lumière incidente a été réfléchie de nombreuses fois, au sein de la couche de peinture, par un très grand nombre de particules très petites et placées aléatoirement, résultant en une infinité d’interférences aléatoires. Mais si l’on ajuste le modulateur spatial de lumière à l’aide d’un algorithme visant à maximiser la lumière en un point donné de sortie, celle-ci s’y concentre. Le modulateur spatial a dressé le front d’ondes incident sur la couche de peinture pour que la lumière focalise de l’autre côté.

FIG. 2 Un modulateur spatial de lumière…
Après avoir traversé un milieu diffus, la lumière est dispersée aléatoirement. Interposer une matrice de micro-miroirs contrôlés permet de redresser le front d’ondes incident pour que la lumière soit focalisée à la sortie.

Par la suite, de nombreuses équipes dans le monde, notamment la nôtre, à l’Institut Langevin à Paris, se sont passionnées pour ces petits outils magiques. Plusieurs démonstrations ont été proposées pour contrôler la lumière de façon très efficace dans ou au travers de milieux très complexes, tels que des échantillons diffusants, des fibres optiques multimodes et des tissus biologiques. La boîte de Pandore était ouverte. Pour dompter la lumière, pas besoin d’un ensemble ultra-complexe de lasers indépendants et maîtrisés, il suffit d’une unique source de lumière et d’un jeu de miroirs intelligents !

3. De l’optique aux RF - des cavités résonnantes pour miroirs

Nous sommes en 2012 lorsque l’un d’entre nous, Mathias Fink, en vacances en Bretagne dans une maison typique aux murs épais, s’agace de la connexion ridiculement mauvaise que son téléphone portable lui procure. Il tente alors de l’améliorer en jouant avec des feuilles d’aluminium pour dévier les ondes, mais sans succès. S’ensuit au sein de l’équipe une discussion de plusieurs mois sur la façon la plus élégante et la plus efficace de contrôler simplement et à moindre coût les ondes électromagnétiques. L’idée est née : plutôt que de subir les réflexions des ondes électromagnétiques, nous allons rendre l’environnement intelligent, capable de s’ajuster en temps réel pour maximiser la qualité des communications sans fil. Pour cela, nous allons utiliser de nouveaux matériaux : des miroirs intelligents radiofréquences, similaires à ceux que nous avons utilisés dans le domaine de l’optique.

Prenons une plaque de métal, qui constitue un excellent réflecteur pour les ondes électromagnétiques jusqu’à de très hautes fréquences. Et disons que celle-ci réfléchit une onde incidente sans la déphaser (sans la « retarder »). Si on place, quelques millimètres au-dessus de cette plaque de métal, un carré de cuivre, très fin et de 6 cm de côté, l’ensemble se met à piéger les ondes pendant un certain temps, à condition que leur fréquence respecte certains paramètres (leur demi-longueur d’onde doit être commensurable avec la dimension du carré).

On a en réalité créé, à l’aide de méthodes issues du monde des antennes, une cavité (ou résonateur) pour les ondes électromagnétiques. Une onde incidente peut l’exciter et y résonner un certain temps. Or, tout phénomène résonant étant associé à un changement de phase, l’onde réfléchie par cet ensemble repart avec un déphasage (l’équivalent d’un décalage temporel) qui dépend de la fréquence de résonance du résonateur, donc de ses dimensions. Il suffit d’ajuster ces dimensions pour que le résonateur réfléchisse les ondes avec un déphasage donné, pouvant varier continûment de 0 à 360°.

Une matrice de carrés de cuivre de dimensions différentes et positionnés quelques millimètres au-dessus d’une plaque de cuivre permet donc de sculpter, de façon statique, la phase d’un front d’ondes en réflexion : c’est le principe des reflect-arrays (antennes à réseau de réflexion) développées par l’armée américaine dans les années 1970, et des métasurfaces plus récemment (re)découvertes, notamment à Harvard, par Federico Capasso.

4. Dynamique - un modulateur spatial de micro-ondes

Comment passer d’un outil qui sculpte les ondes de façon statique à quelque chose de dynamique ? Il suffit de faire appel cette fois à l’électronique. En ajoutant une capacité ou une inductance à notre carré de cuivre, c’est-à-dire en modifiant son impédance électrique. Celui-ci est en effet vu par les ondes électromagnétiques comme étant de dimension un peu plus grande ou un peu plus petite. C’est le principe qui est utilisé dans les vieux postes radio pour changer de fréquence de réception en modifiant les propriétés de l’antenne. Or il existe des composants électroniques qui peuvent présenter des capacités variables lorsqu’on les polarise avec une tension de contrôle : les diodes et les transistors par exemple. Connecter le carré de cuivre à la plaque métallique via une diode permet par exemple, en jouant sur la différence de potentiel aux bornes de la diode, de faire basculer sa fréquence de résonance d’une valeur à une autre, selon que la diode est passante ou bloquante.

Autrement dit, de faire basculer le déphasage, qu’il induit à une onde qui s’y réfléchit, d’une valeur[…]

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