De la préservation du climat à l’éthique du climat : la consommation énergétique élevée des datacenters prend lentement mais sûrement un tour politique. Le 1er avril dernier, le Royaume-Uni a adopté la première loi européenne contraignant les entreprises à examiner activement la question des rejets de CO2 de leur datacenter. Celles dont la consommation énergétique annuelle dépasse 6.000 MW/h – soit quelque 3.425 tonnes par an de rejets de CO2 – doivent désormais acheter des certificats couvrant leurs rejets. Le volume de ces émissions entraînera donc selon les cas, soit des incitations sous forme de primes, soit des amendes si elles sont trop importantes, sans parler de la mauvaise réputation des pollueurs. La loi, le  » Carbon Reduction Commitment (CRC) Energy Efficiency Scheme  » (Programme d’efficacité énergétique avec engagement de réduction des rejets de carbone) entend contribuer à réduire les rejets de gaz à effet de serre à hauteur de 80 % à l’horizon 2050.

Le projet européen AMARSi (Adaptive modular architecture for rich motor skills) vient d’être lancé. A ce jour, les responsables du projet n’ont pas encore ouvert de site d’information à ce nom. Indiquons seulement que le coordinateur du projet est le Dr Jochen Steil, directeur du Cognitive robotics and learning laboratory (CoR-Lab), à l’université de Bielefield. L’article de Wired référencé ci-dessous donne de ce projet une première description intéressante. Pour résumer sommairement, il s’agit d’un programme de 4 ans, doté de la somme relativement modeste (compte-tenu des ambitions affichées) de 7 millions d’euros, visant à développer des robots capables de développer des compétences manufacturières, ou autres, en interagissant dans un espace équipé de divers matériels. L’idée est d’imiter ce qui se produit entre humains dans un atelier où des travailleurs acquièrent progressivement de nouvelles compétences en imitant celui d’entre eux qui résout le mieux les problèmes posés à l’atelier. Des humains pourront intervenir au sein du groupe pour suggérer, le cas échéant, de nouveaux comportements que les capacités évolutionnaires encore limitées des robots ne leur permettraient pas d’acquérir avant de trop longs tâtonnements. Le projet se fixe deux objectifs. Le premier est d’ordre pratique. Il s’agit d’obtenir de la part d’une équipe de robots adaptatifs engagés dans une tâche donnée, des réponses rapides à un changement dans les contraintes ou dans les demandes. Le travail en équipe est censé en ce cas renforcer les capacités auto-adaptatives des robots individuels, par la création d’une « intelligence » collective.

Le térahertz est une partie du spectre pauvre en sources et détecteurs, notamment à des puissances élevées. C’est pourquoi des physiciens du laboratoire Pierre Aigrain de l’ENS, en collaboration avec le laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques et l’université de Leeds ont mené des recherches pour mettre au point un amplificateur.  « Pour créer un amplificateur, on peut songer à utiliser les lasers à cascade quantique térahertz, qui présentent un gain important à ces fréquences. Cependant, le gain obtenu est toujours limité, bloqué au niveau des pertes de la cavité laser », explique Jérôme Tignon, enseignant-chercheur, qui a dirigé le projet avec le chercheur Sukhdeep Dhillon. Lorsqu’un laser fonctionne en régime stationnaire, il n’est pas possible de tirer profit de tout le gain disponible pour une amplification optimale. Or, contrairement à ce qui peut se faire en optique, il est très difficile de réaliser dans le domaine térahertz des traitements antireflets de qualité pour éliminer les réflexions dans la cavité et supprimer les oscillations laser.« Le phénomène de blocage du gain n’intervient qu’en régime stationnaire, poursuit-il. Nous avons donc eu l’idée d’utiliser un commutateur très rapide pour déclencher le laser. » Le commutateur est ouvert une picoseconde avant l’arrivée de l’impulsion térahertz que l’on souhaite amplifier. Si la synchronisation est bien réalisée, l’oscillation laser n’a pas le temps de s’établir avant l’arrivée de l’impulsion et l’énergie stockée sert intégralement à amplifier le signal. Dans la pratique, l’impulsion effectue quelques allers-retours dans la cavité laser (par réflexion sur les miroirs), ce qui augmente d’autant le gain de l’amplification et a permis d’obtenir un facteur 400 après 7 passages.

Chargé de recherche CNRS au laboratoire d’optique et biosciences de l’Ecole Polytechnique, Guilhem Gallot développe de nouveaux outils pour étudier les systèmes biologiques grâce au rayonnement térahertz. Responsable du réseau Téranaute, c’est un observateur privilégié d’un secteur en pleine évolution. 

Des chercheurs du service OPERA, en Faculté des Sciences appliquées de l’Université Libre de Bruxelles (ULB), ont conçu et réalisé un prototype de mémoire tampon optique, simple et ultrarapide, composée d’une simple fibre optique bouclée sur elle-même. Dans cette boucle, de l’information codée circule sous forme d’impulsions lumineuses. Le codage binaire est réalisé en associant les 1 et les 0 respectivement à la présence et à l’absence d’impulsions. Ces impulsions sont particulières dans la mesure où leur durée n’est que de quelques picosecondes et qu’elles résultent d’un processus d’auto-structuration complexe, raison pour laquelle elles portent le nom de « soliton dissipatif » ou « soliton de cavité ».

Les résultats obtenus par ces chercheurs constituent une première étape dans le développement d’une nouvelle technique de stockage de l’information à ultra haut débit dans les systèmes de télécommunications.

Le principe

Le fonctionnement de cette mémoire tampon optique est basé sur une propriété remarquable des impulsions lumineuses de type soliton : celle de conserver leur forme au cours de leur propagation au sein d’une fibre optique. Ces impulsions peuvent, au sein d’une fibre, parcourir sans déformation une distance quasi illimitée. Ceci est remarquable, car une impulsion lumineuse brève traditionnelle (flash de lumière de quelques picosecondes) envoyée dans une fibre optique s’étale toujours dans le temps en raison du phénomène de dispersion chromatique inhérent à la propagation en milieu matériel. Cet étalement est fortement dommageable pour les applications aux télécommunications, car il perturbe, voire détruit, l’information codée par les impulsions. Mais si une impulsion a une intensité suffisamment élevée, elle modifie sur son passage l’indice de réfraction du milieu dans lequel elle se propage. Dans ces conditions, il est possible de donner à l’impulsion une forme bien précise qui est telle que la modulation de l’indice de réfraction compense exactement l’effet de la dispersion chromatique. Ceci résulte en une impulsion se propageant sans distorsion, c’est-à-dire, un « soliton optique ». De façon remarquable ces impulsions « soliton » se forment spontanément dans le dispositif de fibre en boucle étudié à l’ULB.

Le processus d’autostructuration qui est mis en œuvre trouve son origine dans le principe de formation de « structures dissipatives », le concept physique introduit par Ilya Prigogine et pour lequel il reçut le prix Nobel en 1977. Cette étude s’inscrit donc de façon très générale dans la lignée des travaux fondamentaux, entrepris par l’Ecole de Prigogine sur les systèmes dissipatifs. Elle se base notamment sur un modèle théorique développé par René Lefever, à la fin des années 1980, pour décrire les cavités optiques non linéaires. L’étude ultérieure de ce modèle par Mustapha Tlidi a montré l’existence dans ces cavités de solutions localisées autostructurées, ce qui indiquait indirectement la possibilité de faire circuler des impulsions « solitons » dans une cavité optique fibrée. Les travaux qui font l’objet de la publication de Nature Photonics ont permis de confirmer expérimentalement ces prédictions théoriques.

Prochaine étape : la miniaturisation sur une puce en silicium

La mémoire tampon étudiée par les chercheurs de l’ULB, est essentiellement constituée d’une boucle de fibre optique refermée sur elle-même au moyen d’un dispositif appelé coupleur. Le coupleur possède une entrée par laquelle la lumière peut être injectée dans la boucle et une sortie par laquelle une fraction de la lumière circulant dans la boucle peut être récupérée. Une telle boucle est appelée « cavité optique » par la communauté des physiciens, car la lumière peut parcourir la boucle un très grand nombre de fois avant d’en ressortir. Les pertes subies par une impulsion soliton lors de la propagation dans cette cavité optique (qui pour l’essentiel sont causées par la sortie de lumière au niveau du coupleur) sont compensées par une onde continue injectée en permanence à l’entrée. Cette compensation assure la persistance de l’impulsion sur un nombre de tours a priori illimité ; un soliton optique, une fois formé dans la cavité y circulera donc indéfiniment.

Du point de vue des applications, on peut imaginer créer une séquence de solitons optiques codant un message, l’injecter dans la boucle, et la récupérer inchangée, à tout moment, ultérieurement. On réaliserait de cette manière une « mémoire optique » qui permettrait de remplacer les mémoires électroniques qui sont utilisées actuellement et qui ont des capacités beaucoup plus faibles que ce que l’optique permet. Effectivement, dans le contexte du traitement tout optique ultra rapide du signal, il est important de disposer de mémoires et de délais capables de travailler à des cadences très élevées. En plus de sa grande capacité, la mémoire tout optique mise en œuvre au laboratoire OPERA n’est pas sujette à l’accumulation de bruit (parasite se rajoutant au signal), contrairement aux dispositifs concurrents qui sont soumis à l’accumulation progressive de bruit détruisant l’information et limitant, de ce fait, la durée maximale de stockage.

Les résultats expérimentaux obtenus récemment sont le fruit d’une succession de travaux et de collaborations, ayant débuté par l’étude fondamentale des propriétés d’une cavité optique non linéaire fibrée, au sein du Pôle d’Attraction Interuniversitaire, « photonics@be », programme de recherche financé par la Politique scientifique fédérale belge BELSPO, et développé grâce au soutien récurrent des différents fonds du FRS-FNRS. Le savoir-faire acquis dans ce cadre a récemment permis de s’attaquer à l’objectif plus ambitieux de générer des solitons de cavité.

Bien qu’elle constitue une étape importante, cette démonstration de principe n’est pour OPERA qu’un premier pas dans le développement des mémoires optiques à soliton de cavité. L’étape suivante consistera, entre autres, à miniaturiser le dispositif, par exemple sur une puce en silicium compatible avec d’autres dispositifs de traitement optique de l’information.

;Quand a-t-on commencé à produire des ondes térahertz ?

Surgies de l’oubli dans les années 1990, leur production a été un réel défi. Après dix ans de recherche en technologies semi-conducteurs, les ondes térahertz commençaient à être générées en continu grâce au développement des lasers à cascade quantique. Toutefois, les ondes térahertz émises par cette technique sont fortement absorbées par les molécules de vapeur d’eau, une fois transmises dans l’air… Pour résoudre ce problème et pouvoir transmettre les ondes térahertz sur des centaines de kilomètres sans qu’elles soient absorbées, une nouvelle technique a été développée il y a peu.

Quel est le spectre d’action des ondes Terahertz ?

Le domaine des fréquences térahertz (THz, 1 THz = 10¹² Hz) s’étend de 100 GHz à 30 THz environ, soit environ aux longueurs d’ondes entre 10 pm et 0,3 pm Il est historiquement connu sous la terminologie d’infrarouge lointain mais on le retrouve également aujourd’hui sous l’appellation de rayon T. Il se situe dans le spectre électromagnétique entre l’infrarouge (domaine de l’optique) et les micro-ondes (domaine de la radioélectricité). La bande inférieure à 100 GHz est en général définie comme radioélectrique, alors que les fréquences supérieures à 30 THz sont en général définies comme infrarouge mais ces frontières ne sont pas normalisées, car ce n’est qu’un changement de langage ou de technologie, et non de nature.

Quelles sont les propriétés spécifiques des ondes Terahertz ?

Les rayonnements térahertz ont un fort pouvoir pénétrant. Ils permettent potentiellement de voir à travers de nombreux matériaux non conducteurs (la peau, les vêtements, le papier, le bois (voir illustration ci-dessous), le carton, les plastiques…). Ils sont peu énergétiques et non-ionisants (1 THz correspond à une énergie de photon de 4,1 meV, soit sensiblement moins que l’énergie d’activation thermique à température ambiante) ce qui les rend à priori peu nocifs.

Ci dessus : vis et trou dans du bois : Vision Terahertz au travers 10mm de bois : Applications au CND et mesures en volume (CPMOH; PMounaix & E.Abraham)

Quelles sont les sources ? Les détecteurs ?

Voici une liste de sources possibles pour obtenir des ondes térahertz : les lasers à cascade quantique (lire l’article), les corps noirs, les diodes électroniques, les carcinotrons, les lasers à électrons libres, les lasers moléculaires et les sources optoélectroniques. Les bolomètres sont des détecteurs qui permettent de mesurer l’énergie du rayonnement mais pas sa phase (on les appelle des détecteurs « incohérents »). En revanche, les détecteurs optoélectroniques permettent de mesurer facilement la phase du signal. C’est le plus souvent la même source optique qui déclenche à la fois l’émetteur d’onde et le détecteur. (lire l’article)

Les ondes térahertz sont-elles nocives ?

Comme l’explique Guilhem Gallot, chargé de recherche CNRS : « Nous n’avons pas encore beaucoup d’informations sur la nocivité. L’énergie du photon est comparable à ce que l’on reçoit par rayon thermique dans une pièce à 20 °C. De plus, il n’y a pas de nocivité intrinsèque du photon. L’effet d’échauffement est très faible pour des sources conventionnelles. » (lire l’interview)

Le térahertz est-il sorti des labos ?

La technologie térahertz est en grande partie encore cantonnée aux laboratoires. D’après Optoélectronique térahertz (cf. encadré), l’évolution du nombre de publications dont le titre comporte le terme térahertz a connu une évolution exponentielle depuis 1992. La technologie s’est ainsi progressivement développée dans les laboratoires. Des applications commencent à voir le jour, notamment sous l’impulsion des besoins en sécurité.

Quelles sont les applications ?

• Contrôle qualité des chaînes de production

Comme l’explique les auteurs de Optoélectronique térahertz, le térahertz peut permettre de « contrôler l’intégrité ou le positionnement d’un objet ou d’un circuit placé derrière une surface opaque ». L’avantage étant que ce contrôle se fait sans contact. Par exemple, dans l’automobile, on pourrait analyser l’épaisseur de la peinture et le temps de séchage. On peut imaginer des applications dans de nombreux secteurs comme la pharmaceutique (voir illustration ci-dessous), l’agroalimentaire, la microélectronique…

Ci-dessus : Capsule plastique remplie de produit médical .Image spectro-chimique au travers d’encapsulation. (CPMOH ; PMounaix & E.Abraham)

• Maintenance préventive

Le térahertz peut conduire à une analyse volumique sans contact des objets, en profitant de ses deux grandes propriétés : la détection du métal et de la présence d’eau. Par exemple, dans l’aéronautique, on peut détecter de bulles d’air dans des mousses. Des technologies employant le térahertz ont permis de découvrir les causes de l’accident de la navette spatiale Columbia en février 2003. Autres secteurs : les BTP, l’agroalimentaire.

• Sécurité défense

En sécurité, il existe des applications en détection proche (portiques d’accès dans les aéroports pour détecter des explosifs et les armes) et en détection lointaine (check-point, lieux publics). L’objectif est notamment de mettre au point un détecteur portable multi-composants (explosif, gaz, drogue, agent biologique…).

• Télécommunications

L’augmentation des débits de transmissions de données et la densité électromagnétique de la bande 0,5 à 6 GHz font que le térahertz pourrait constituer une solution pour la transmission haut débit. Il s’agit de développer la radio sur fibre, qui combine fibre optique et rayonnement d’une station de base vers les usagers. Autre domaine : l’utilisation de l’optoélectronique THz dans les circuits rapides pour les signaux numériques haut débit

• Biologie et biomédical

La forte absorption de l’eau aux fréquences THz témoigne d’une forte interaction entre les échantillons biologiques et les ondes THz. En effet, ces ondes mettent en vibration/rotation les molécules d’eau polaire et excitent les liaisons de faible énergie intermoléculaires au sein de l’eau, des protéines… Se profilent ainsi de nombreuses applications de la spectroscopie THz au domaine biologique avec par exemple l’étude d’hydratation et de conformation de protéines, d’hybridation de l’ADN, la détection de certaines cellules cancéreuses (anormalement riches en eau).

La rédaction

Optoélectronique térahertz EDP Sciences, avril 2008 Rédigé par 15 chercheurs français sous la direction de Jean-Louis Coutaz, ce livre a pour but de donner les bases et principes de la science et de la technologie des ondes térahertz, en présentant les principales applications entrevues aujourd’hui. L’ouvrage se limite aux techniques optoélectroniques, pour donner une cohérence thématique et lui conserver une taille raisonnable… Il s’adresse à un public d’ingénieurs ou de scientifiques non spécialistes qui voudraient commencer des travaux dans le domaine térahertz, ou tout simplement mieux connaître ce que révèle l’expression « domaine térahertz ». Il sera aussi très utile aux étudiants (masters, dernière année d’écoles d’ingénieurs ou doctorants).

Sommaire cahier térahertz

A la Une :

• « Nous n’avons pas encore trouvé la killer application »
• « Le térahertz suscite beaucoup d’enthousiasme car il faut tout inventer »

Comprendre :

• Le térahertz décrypté
• Sources et détecteurs aux fréquences térahertz

Dans les labos :

• Amplifier les impulsions térahertz grâce à la commutation de gain
• Dotfive, objectif 0.5 térahertz

Les applications aux fréquences térahertz connaissent actuellement un développement sans précédent. Traditionnellement réservées à quelques applications très spécifiques, notamment la radioastronomie millimétrique et submillimétrique, les technologies térahertz s’invitent dans un champ de plus en plus large d’activités allant des techniques de l’environnement aux biotechnologies. Un essor que l’on doit en grande partie à la forte évolution de ces technologies au cours de ces dernières années, et notamment, grâce aux micro et nanotechnologies qui les ont rendu plus accessibles d’un point de vue technique et économique.Le point sur les technologies mises en œuvre et les mécanismes qui les sous-tendent. L’AUTEURDidier LIPPENS, professeur à l’université des Sciences et Technologies de Lille, dirige le groupe Dispositifs Opto et Micro-Électronique quantique (DOME) à l’Institut d’Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN). Il préside également le comité de pilotage du réseau d’excellence Européen MÉTAMORPHOSE sur les métamatériaux.

Sommaire cahier térahertzA la Une :

• « Nous n’avons pas encore trouvé la killer application »
• « Le térahertz suscite beaucoup d’enthousiasme car il faut tout inventer »

Comprendre :

• Le térahertz décrypté
• Sources et détecteurs aux fréquences térahertz

Dans les labos :

• Amplifier les impulsions térahertz grâce à la commutation de gain
• Dotfive, objectif 0.5 térahertz