Les appareils basés sur la photonique remplaceront presque complètement notre électronique habituelle au fil du temps, assurent des scientifiques. La communication sans fil à une vitesse de plusieurs dizaines de térabits par seconde, le traitement des données à une vitesse de plusieurs dizaines de gigabits par seconde, des hologrammes créant des images en volume «dans l'air» - ce ne sont là que les objectifs les plus proches de la photonique moderne. Les chercheurs de l’université nationale de recherche nucléaire (MEPhI) ont dévoilé à Sputnik des avancées russes qui accélèrent le développement de ce domaine.
Quand les appareils électroniques habituels deviendront-ils obsolètes?
La photonique est un volet de la science et de la technologie qui traite des processus d'émission de la lumière, de son enregistrement et de la modification de ses propriétés. Les appareils basés sur la photonique ne sont pas seulement les disques optiques de communication et les disques laser habituels, mais aussi de nombreux autres appareils prometteurs. Le XXIe siècle est celui de la photonique, assurent les scientifiques du Laboratoire de photonique et de traitement optique de l'information du Département de physique des lasers de l'Institut des technologies laser et plasma (LaPlas) du MEPhI.
Selon eux, dans les 10 à 20 ans à venir, la photonique permettra une révolution dans le développement des anciens systèmes techniques ainsi que dans l'émergence de systèmes fondamentalement nouveaux. Tout d'abord, il y aura une connexion numérique accessible au public à un débit de térabit par seconde, des systèmes de traitement des données avec une bande passante de plusieurs dizaines de gigabits par seconde, ainsi que des écrans gigapixels holographiques en 2D comme en 3D.
Les principaux avantages de la technologie photonique dans les propriétés informatives de la lumière. Les signaux optiques ont une fréquence de vibration naturelle 1.000 fois plus élevée que les signaux radio, leurs paramètres peuvent donc être modifiés beaucoup plus rapidement, expliquent les scientifiques du MEPhI. Grâce à cela, la gamme des fréquences transmises par le signal lumineux est extrêmement large: un seul canal optique peut transmettre, par exemple, un signal de toutes les bandes radio.
«Lors de la transmission de la lumière, peuvent se former des distributions spatiales à deux et trois dimensions (qui représentent des données), tandis que le signal électrique provenant d'un conducteur est unidimensionnel. De ce fait, les systèmes photoniques, entre autres, peuvent avoir une vitesse et une efficacité énergétique supérieures à celles de leurs prédécesseurs électroniques que nous utilisons aujourd'hui», a fait savoir Rostislav Starikov, professeur à l'Institut national de recherche en photonique et en mathématiques.
La vidéo holographique est une réalité de demain
Les technologies de traitement des signaux lumineux permettent déjà l'enregistrement et la reproduction de vidéos holographiques. Toutefois, selon les scientifiques du MEPhI, ces systèmes sont encore assez coûteux et imparfaits, et pour leur mise en œuvre massive, il est nécessaire de résoudre toute une série de problèmes. En particulier, il y a des difficultés avec la lecture rapide des hologrammes, ainsi qu'avec leur transmission par les réseaux de communication numérique existants.
Des méthodes intellectuelles de transmission et de lecture rapide de vidéos tridimensionnelles à partir d'hologrammes numériques sont en cours d'élaboration au Département de physique des lasers du MEPhI, avec le soutien de l'Académie des sciences de Russie, projet numéro 20-79-00291. Les travaux dans ce domaine rendront familiers les systèmes holographiques commerciaux de vidéo tridimensionnelle d'ici le milieu des années 2030, affirment les scientifiques.
«Nous avons proposé et testé avec succès une nouvelle méthode de représentation binaire des hologrammes numériques, qui permet de les recoder dans une forme plus adaptée à la transmission, ainsi que de nouvelles méthodes de compression, qui sont presque d'un degré supérieur à celles des analogues et fournissent un niveau acceptable de perte de qualité des images résultantes», a déclaré le responsable de la recherche dans ce domaine, un jeune spécialiste, chargé de cours au MEPhI, Pavel Cheryomkhine.
Que va apporter la radio à photons?
Une autre direction prometteuse est la photonique à micro-ondes, ou radiophotonique, qui explore la transmission et le traitement des signaux radio à l'aide de la lumière. Ces systèmes dépassent de loin les systèmes radio conventionnels en termes de résistance aux interférences, de caractéristiques de bruit et de masse, et surtout - ont une bande de signaux extrêmement large, supérieure à 100 GHz.
Les échantillons expérimentaux existants de systèmes radiophotoniques démontrent une vitesse de traitement des signaux impossible à atteindre par les moyens électroniques conventionnels. Par exemple, ils effectuent des transformations analogique-numériques 1.000 fois plus vite que l'électronique existante.
La recherche théorique et expérimentale dans le domaine des systèmes analogiques-numériques de la photonique des micro-ondes est menée avec succès au département de physique des lasers du MEPhI sous la direction du professeur Starikov. En particulier, les spécialistes du Laboratoire de traitement optique de l'information du Département ont récemment créé un système photonique pour le traitement analogique-numérique des signaux radio d'une portée de quelques centimètres.
Sur la base de ce dispositif, les spécialistes du MEPhI, en collaboration avec des scientifiques d'autres organisations russes, ont créé le premier système de radiotechnique en Russie et l'un des premiers au monde avec des éléments photoniques à micro-ondes, qui a déjà passé avec succès des tests sur le terrain. Comme l'ont expliqué les scientifiques, ces dispositifs sont beaucoup plus légers et plus efficaces sur le plan énergétique que les analogues électroniques.
Une vitesse incroyable et une qualité superbe
À l'avenir, les systèmes opto-numériques qui utilisent le traitement parallèle des signaux optiques spatiaux pourront fournir des vitesses de traitement des données allant jusqu'à 100 gigabits par seconde - par exemple, lors de la reconnaissance des images ou du codage des informations. Les recherches dans le domaine du traitement des signaux optiques bidimensionnels menées au MEPhI sont axées sur la création de systèmes de diffraction et holographiques utilisant un rayonnement laser cohérent et incohérent.
«Notre équipe développe avec succès des méthodes de formation à haute vitesse et haute précision des distributions lumineuses informatives données, qui permettront de représenter d'énormes réseaux d'informations sans erreurs ni pertes», dévoile Rostislav Starikov.
En particulier, un nouveau type de système de diffraction optique-numérique destiné au codage de l'information est en cours de développement dans le cadre du projet RNF n°19-19-00498 au Département de physique des lasers de l'Université nationale de recherche de mathématiques et de physique, sous la supervision du professeur Nikolaï Evtikhiev. Un système de codage de données binaires a déjà été créé et testé, selon les créateurs, qui permet d'atteindre une vitesse de plusieurs dizaines de gigabits par seconde.
D'autres recherches des experts du département sont orientées sur la création de systèmes intellectuels de reconnaissance d'images visuelles à grande vitesse. Selon les scientifiques, à l'heure actuelle, ont été démontrées expérimentalement des possibilités de reconnaissance d'images mégapixel à une vitesse de plus de 10.000 images par seconde, ce qui est des centaines de fois plus élevé que le potentiel des homologues électroniques.
