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Térahertz : l'exploitation du filon commence

Jean-Charles Guézel

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- Des ondes aux propriétés bien particulières ; des applications potentielles dans tous les domaines ; des composants qui arrivent à maturité : il n'en faut pas plus pour donner naissance, peut-être, à une nouvelle industrie.

Une véritable explosion... Pratiquement aucun article dans les revues scientifiques jusqu'en 1980 ; une cinquantaine en 1995 ; près de cinq cents l'an dernier. Les ondes térahertz, aussi appelées rayons T, sont l'un des sujets technologiques du moment. Et, selon le Massachusetts Institute of Technology, « l'une des dix technologies émergentes qui changeront le monde » !

Pourquoi cet engouement ? Sans doute, déjà, par curiosité. Un peu comme à l'égard de la radioactivité au début du siècle dernier. Car beaucoup de choses restent encore à découvrir sur cette portion du spectre électromagnétique située, comme son nom l'indique, aux environs du térahertz (1012 Hz). Ni tout à fait de la radio, pas encore de l'optique. Un peu des deux en fait... Et c'est ce qui en fait toute la richesse. Mais cet engouement s'explique, bien sûr et surtout, par les perspectives scientifiques et industrielles qui s'y raccrochent. La radioactivité a été mise à toutes les sauces : les ondes térahertz le seront, elles aussi ! Médecine, environnement, agriculture, sécurité, qualité... : pratiquement aucun champ de l'activité humaine n'échappera à leur emprise.

Communications à très haut débit

À l'occasion d'un séminaire de l'Observatoire des micro et nanotechnologies (OMNT) qui leur a été récemment consacré, un représentant de Thales Airborne Systems en a listé les applications liées à la défense et à la sécurité. Les communications à courte distance et à très haut débit en font partie, a-t-il précisé, ainsi que la vision "tout temps". Le débit s'explique par la valeur des fréquences mises en jeu - des dizaines de fois supérieures à ce qui se pratique habituellement -, tandis que l'application à la vision tire profit des propriétés des rayons T. Traversant aussi bien le brouillard que les fumées, ils permettent, par exemple, au pilote d'un avion d'atterrir quelles que soient les conditions atmosphériques.

En matière de sécurité, les ondes térahertz peuvent également être utilisées pour la détection d'explosifs, d'agents chimiques ou même bactériologiques. C'est l'absorption du rayonnement térahertz à des fréquences bien précises, selon les molécules recherchées, qui leur donne cette capacité. Et ce principe vaut aussi pour la surveillance des pollutions industrielles ou encore la détection de polluants atmosphériques. Un domaine auquel s'intéresse notamment l'Université du littoral Côte d'Opale. Le trioxyde d'azote, difficilement repérable au moyen des techniques classiques, présente ainsi des raies d'absorption très facilement détectables dans l'infrarouge lointain, autrement dit dans la zone térahertz. La chimie, pour tout ce qui est caractérisation, de même que la pharmacie, pour identifier les différentes conformations possibles d'une même molécule, seront aussi, de toute évidence, d'excellents clients pour la filière térahertz...

Sans risque notable pour la santé

Dans l'agriculture, elles pourront aider à faire la chasse aux nitrates, à mesurer le niveau de maturation d'un fruit en fonction de ses émanations gazeuses, ou à jauger sa teneur en eau. L'eau, en effet, absorbe très fortement les rayons T, contrairement aux métaux qui les réfléchissent, ou aux textiles (et papiers) qui se révèlent pratiquement transparents à ces fréquences. Un phénomène qui ouvre la voie à toute une série d'autres applications, comme l'examen des colis et des enveloppes dans les services de messagerie, ainsi que l'inspection des bagages et les contrôles de sécurité dans les aéroports. À la façon de ce qui se pratique avec les rayons X, mais sans inconvénient sur la santé. C'est là l'un de leurs principaux atouts : les investigations menées pour évaluer les interactions des rayons T avec les protéines, et donc le corps humain, n'ont mis en évidence aucun risque notable.

Le secteur médical se montre même particulièrement enthousiaste à l'idée d'exploiter les ondes térahertz dans le cadre de certains examens de santé. Un créneau dans lequel s'est engouffrée la start-up britannique Teraview, en proposant des équipements d'imagerie étonnamment compacts et performants dans le dépistage précoce de cancers. En odontologie, les cavités dentaires et autres anomalies sont, elles aussi, très facilement visualisées. L'imagerie térahertz distingue très nettement les tissus malades des tissus sains et, plus généralement, tous les défauts qui peuvent exister au sein d'un matériel, tant vivant qu'inerte.

Un spectre difficile à générer et à détecter

La technologie TPI (Terahertz Pulse Imaging) de Teraview s'applique ainsi parfaitement au contrôle du dopage dans l'industrie des semi-conducteurs : une partie de l'onde térahertz est réfléchie par la surface du matériau, tandis que le reste pénètre à l'intérieur et est à son tour réfléchie (en fonction de ses caractéristiques physico-chimiques) par les différentes couches internes du semi-conducteur. Dans le même registre, mais dans un tout autre domaine, le Microsystem Technology Group de l'université de Glasgow (Écosse) a conçu une étiquette anticontrefaçon dont la lecture et l'authentification ne sont possibles que sous l'exposition aux rayons térahertz. Alors pourquoi s'être privé si longtemps des rayons T ? Tout simplement parce qu'il était jusqu'à présent difficile à la fois de les générer et de les détecter. Les spécialistes parlaient de "gap Térahertz" : un espace où on ne savait pas très bien s'il fallait miser sur les composants optoélectroniques ou sur les composants hyperfréquences. Ces derniers (transistors, diodes Gunn, Impatt, Schottky varactor, ou diodes à effet tunnel résonant) ne montaient pas suffisamment haut en fréquence, ou avec un trop faible rendement, alors que les diodes laser étaient, pour leur part, pénalisées à ces très grandes longueurs d'onde. Pendant longtemps, l'exploration de cet espace a en fait nécessité la mise en oeuvre du rayonnement synchrotron ou des lasers à électrons libres. Du matériel de laboratoire...

Des sources optiques de pointe

Les choses ont commencé à bouger avec l'arrivée des lasers femtosecondes. Utilisés en caractérisation chimique, notamment, ces appareils émettent de très courtes impulsions à des cadences de quelques dizaines de MHz, impulsions dont la résultante est traitée mathématiquement par transformée de Fourier afin d'en établir la signature spectroscopique dans la zone térahertz. Une technologie disponible chez Tochigi Nikon par exemple, et dont le Laboratoire d'hyperfréquences et caractérisation (LAHC), de l'Université de Savoie, est l'un des meilleurs spécialistes en France.

L'autre grande avancée en matière de source optique concerne les lasers à cascade quantique : des dispositifs lasers à semi-conducteurs émettant directement dans l'infrarouge lointain. Par exemple le module Quanta Tera, disponible auprès de Laser Components (en partenariat avec Alpes Lasers). Refroidi à la température de l'azote liquide, il délivre une puissance de l'ordre du milliwatt à 86 micromètres de longueur d'onde. Expérimentalement, on atteint quelques dizaines de milliwatts avec certaines réalisations.

La génération optique d'une onde térahertz peut aussi être basée sur le photomélange, c'est-à-dire l'aménagement d'un battement fréquentiel à relativement basse fréquence par la mise en oeuvre de deux lasers ordinaires opérant à haute fréquence. Ces montages s'avèrent toutefois assez complexes, alors que l'idéal serait de disposer de sources cohérentes, stables, intenses et accordables, mais peu volumineuses et bon marché. Autrement dit, des composants électroniques...

Pour dépasser les 600 GHz auxquels sont, grosso modo, limités les transistors conventionnels, les chercheurs sont en train de mettre au point des nanodispositifs à base de semi-conducteurs caractérisés par un mode de transport particulier, dit balistique, des électrons. « Dans de telles structures, les électrons libres ne subissent plus d'interactions en deçà d'une certaine dimension appelée libre parcours moyen, qui peut atteindre une valeur de 100 à 200 nanomètres à température ambiante dans les matériaux à haute mobilité électronique. Des composants passifs ou actifs basés sur un transport balistique pourraient atteindre des fréquences de l'ordre du térahertz », peut-on lire dans la présentation d'un sujet de thèse récemment proposé par l'Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN) de Lille.

Un autre problème est de véhiculer ces ondes, autrement dit de réaliser des guides. Or aux fréquences considérées, ni les câbles coaxiaux utilisés pour les signaux radio ni les fibres utilisées en optique ne conviennent... Un souci de taille, jusqu'à ce que des chercheurs de la Rice University (Houston, Texas), observent que ces ondes se propageaient en fait très bien à la surface de vulgaires conducteurs métalliques nus, et cela pratiquement sans dispersion ni atténuation.

Les ondes térahertz : c'est finalement moins compliqué qu'il n'y paraît...

AUX CONFINS DE LA RADIO ET DE L'OPTIQUE

Infrarouge lointain pour les physiciens, domaine submillimétrique pour les spécialistes des hyperfréquences : les ondes térahertz occupent la portion du spectre électromagnétique située entre 10 micromètres et 1 mm de longueur d'onde, c'est-à-dire entre 0,3 et 30 THz. - Aussi appelées rayons T, ces ondes possèdent des propriétés qui empruntent à la fois aux hyperfréquences et à l'optique. Réfléchis par les métaux, absorbés par l'eau, ils peuvent en revanche traverser les textiles, le papier, le bois, les plastiques, la céramique, les semi-conducteurs, les circuits imprimés, les aliments déshydratés... Bref, une foule de matériaux qu'il est très utile de "radiographier", soit pour voir ce qu'il y a derrière (cas des vêtements, des emballages...), soit pour y détecter d'éventuels défauts de fabrication (avec une résolution de l'ordre du millimètre). - Plus simples à mettre en oeuvre que les rayons X, ils sont aussi nettement moins dangereux dans le cadre d'une utilisation médicale (imagerie).

... ET AUSSI

- Matériaux, industrie : contrôle non destructif - Agroalimentaire : mesure du degré de maturation des fruits - Logistique, transport : "radiographie" des colis, des bagages - Environnement : identification de polluants atmosphériques - Télécommunications : transmissions à courte distance et à très large bande passante

ENTREPRISES

Les pionniers Britanniques Dans l'Hexagone, les ondes térahertz n'ont pour l'instant guère franchi les murs des laboratoires. Ce n'est pas le cas outre-Manche, où trois sociétés au moins y exploitent cette technologie. - Teraview (spin-off de Toshiba Research Europe) affirme être la première à avoir développé des systèmes d'imagerie térahertz portables. - Thruvision, qui exploite des procédés développés au sein du Rutherford Appleton Laboratory, propose des équipements destinés à la sécurisation des transports. - Qinetiq a mis au point une caméra térahertz permettant d'identifier les objets présents sous les vêtements.

D'EXTRAORDINAIRES PERSPECTIVES INDUSTRIELLES...

Imagerie médicale : dépistage de cancers de la peau, examens dentaires - Défense, sécurité, police : détection d'armes, d'explosifs, d'agents chimiques ou bactériologiques, de stupéfiants. - Radioastronomie : analyse des gaz de l'espace interstellaire. - Aéronautique : système d'aide à l'atterrissage par "tout temps". - Chimie et pharmacie : caractérisation de molécules.

TROUVER LES BONNES SOURCES...

- On peut parler de paradoxe tant est longue la liste des dispositifs potentiels capables d'émettre et de recevoir les ondes térahertz, et courte celle de ceux qui donnent réellement satisfaction. Une situation qui s'explique par la position intermédiaire de cette gamme de fréquence. D'un côté les micro-ondes, pour lesquelles des composants parfaitement maîtrisés existent, de l'autre les infrarouges, pour lesquels on trouve également quantité de dispositifs. Et un grand vide entre les deux. Les électroniciens tentent de repousser la fréquence de fonctionnement de leurs semi-conducteurs (diodes, transistors...), tandis que les opticiens font le chemin inverse avec leurs lasers. La grande famille des lasers : lasers à cascade quantique, lasers moléculaires submillimétriques. Sans oublier les lasers femtosecondes associés à des dispositifs émetteurs (antenne photoconductrice plane, semi-conducteur, cristal électro-optique...). À côté de cela, les physiciens proposent le rayonnement synchrotron. Mais à quel prix... À l'inverse, on peut miser sur de simples lampes à mercure ou générateurs à étincelles. À condition toutefois de pouvoir se passer de la cohérence de phase. - Côtés détecteurs, la diversité est aussi de mise avec des solutions aussi différentes, selon les applications, que les composants électroniques ou optoélectroniques (poussés aux limites), les bolomètres et microbolomètres (réalisés par micro-usinage), les sondes électro-optiques à effet Pockels, les photodétecteurs à puits quantiques...

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