L’avancée peut permettre des dispositifs d’imagerie en temps réel qui sont plus petits, moins chers et plus robustes que d’autres systèmes.
Des chercheurs ont créé un appareil qui leur permet d’orienter et de focaliser électroniquement un faisceau d’énergie électromagnétique térahertz avec une extrême précision. Cela ouvre la porte à des dispositifs d’imagerie haute résolution en temps réel qui sont des centièmes de la taille des autres systèmes radar et plus robustes que les autres systèmes optiques.
Les ondes térahertz, situées sur le spectre électromagnétique entre les micro-ondes et la lumière infrarouge, existent dans un « no man’s land » où ni l’électronique classique ni les dispositifs optiques ne peuvent manipuler efficacement leur énergie. Mais ces ondes radio à haute fréquence ont de nombreuses propriétés uniques, comme la capacité de traverser certains matériaux solides sans les effets des rayons X sur la santé. Ils peuvent également permettre des communications à plus grande vitesse ou des systèmes de vision capables de voir à travers des environnements brumeux ou poussiéreux.
Cette image montre le formateur de faisceaux térahertz à semi-conducteurs, avec près de dix mille éléments intégrés. Illustration par les chercheurs / MIT
Le groupe d’électronique intégrée Terahertz du MIT, dirigé par le professeur agrégé Ruonan Han, cherche à combler ce soi-disant fossé térahertz. Ces chercheurs ont maintenant démontré le réseau d’antennes térahertz le plus précis et orientable électroniquement, qui contient le plus grand nombre d’antennes. Le réseau d’antennes, appelé «réseau réflecteur», fonctionne comme un miroir contrôlable avec sa direction de réflexion guidée par un ordinateur.
Le réseau réflecteur, qui regroupe près de 10 000 antennes sur un appareil de la taille d’une carte de crédit, peut concentrer avec précision un faisceau d’énergie térahertz sur une zone minuscule et le contrôler rapidement sans pièces mobiles. Construit à l’aide de puces semi-conductrices et de techniques de fabrication innovantes, le réseau réflecteur est également évolutif.
Les chercheurs ont démontré l’appareil en générant des images de profondeur 3D de scènes. Les images sont similaires à celles générées par un dispositif LiDAR (détection et télémétrie de la lumière), mais comme le réseau réflecteur utilise des ondes térahertz au lieu de la lumière, il peut fonctionner efficacement sous la pluie, le brouillard ou la neige. Ce petit réseau réflecteur était également capable de générer des images radar avec une résolution angulaire deux fois supérieure à celles produites par un radar à Cape Cod, qui est un bâtiment si grand qu’il est visible depuis l’espace. Alors que le radar Cape Code est capable de couvrir une zone beaucoup plus grande, le nouveau réseau réflecteur est le premier à apporter une résolution de qualité militaire à un appareil pour les machines intelligentes commerciales.
Cette simulation décrit le contrôle précis de l’énergie térahertz produite par le réseau d’antennes, rendue possible par les puces CMOS en mosaïque et les nouvelles avancées dans la conception de circuits et de systèmes térahertz.
Crédits image : Avec l’aimable autorisation des chercheurs / MIT
« Les réseaux d’antennes sont très intéressants car, simplement en changeant les délais qui alimentent chaque antenne, vous pouvez changer la direction dans laquelle l’énergie est focalisée, et c’est complètement électronique », explique Nathan Monroe ’13, MNG ’17, premier auteur de l’article qui a récemment terminé son doctorat au Département de génie électrique et d’informatique (EECS) du MIT. « Donc, il se présente comme une alternative à ces grandes antennes radar que vous voyez à l’aéroport qui se déplacent avec des moteurs. Nous pouvons faire la même chose, mais nous n’avons pas besoin de pièces mobiles car nous ne faisons que changer quelques bits dans un ordinateur.
Les coauteurs incluent l’étudiant diplômé EECS Xibi Chen; Georgios Dogiamis, Robert Stingel et Preston Myers d’Intel Corporation ; et Han, auteur principal de l’article. La recherche est présentée à l’International Solid-State Circuit Conference.
Techniques de fabrication inventives
Avec les réseaux d’antennes typiques, chaque antenne génère sa propre puissance d’onde radio en interne, ce qui non seulement gaspille beaucoup d’énergie, mais crée également des problèmes de complexité et de distribution du signal qui empêchaient auparavant ces réseaux de s’adapter au nombre d’antennes requises. Au lieu de cela, les chercheurs ont construit un réseau réflecteur qui utilise une source d’énergie principale pour envoyer des ondes térahertz aux antennes, qui réfléchissent ensuite l’énergie dans une direction que les chercheurs contrôlent (similaire à une antenne parabolique sur le toit). Après avoir reçu l’énergie, chaque antenne effectue une temporisation avant de la réfléchir, ce qui focalise le faisceau dans une direction spécifique.
Les déphaseurs qui contrôlent ce délai consomment généralement une grande partie de l’énergie de l’onde radio, parfois jusqu’à 90 %, explique Monroe. Ils ont conçu un nouveau déphaseur composé de seulement deux transistors, il consomme donc environ la moitié de la puissance. De plus, les déphaseurs typiques nécessitent une source d’alimentation externe telle qu’une alimentation électrique ou une batterie pour leur fonctionnement, ce qui crée des problèmes de consommation d’énergie et d’échauffement. La nouvelle conception du déphaseur ne consomme aucune énergie.
Diriger le faisceau d’énergie est un autre problème – calculer et communiquer suffisamment de bits pour contrôler 10 000 antennes à la fois ralentirait considérablement les performances du réseau réflecteur. Les chercheurs ont évité ce problème en intégrant le réseau d’antennes directement sur les puces informatiques. Parce que les déphaseurs sont si petits, juste deux transistors, ils ont pu réserver environ 99 % de l’espace sur la puce. Ils utilisent cet espace supplémentaire pour la mémoire, de sorte que chaque antenne peut stocker une bibliothèque de différentes phases.
« Plutôt que de dire à ce réseau d’antennes en temps réel laquelle des 10 000 antennes doit orienter un faisceau dans une certaine direction, il vous suffit de lui dire une fois, puis il s’en souvient. Ensuite, vous composez simplement cela et, essentiellement, il extrait la page de sa bibliothèque. Nous avons découvert plus tard que cela nous permettait de penser à utiliser cette mémoire pour implémenter également des algorithmes, ce qui pourrait encore améliorer les performances du réseau d’antennes », explique Monroe.
Pour atteindre les performances souhaitées, les chercheurs avaient besoin d’environ 10 000 antennes (plus d’antennes leur permettent de diriger plus précisément l’énergie), mais construire une puce informatique suffisamment grande pour contenir toutes ces antennes est un énorme défi en soi. Ils ont donc adopté une approche évolutive, en construisant une seule petite puce avec 49 antennes qui est conçue pour communiquer avec des copies d’elle-même. Ensuite, ils ont carrelé les puces dans un réseau 14 x 14 et les ont assemblés avec des fils d’or microscopiques qui peuvent communiquer des signaux et alimenter le réseau de puces, explique Monroe.
L’équipe a travaillé avec Intel pour fabriquer les puces et aider à l’assemblage de la matrice.
« Les capacités d’assemblage avancées à haute fiabilité d’Intel combinées aux transistors haute fréquence de pointe du processus de silicium Intel 16 ont permis à notre équipe d’innover et de fournir une plate-forme d’imagerie compacte, efficace et évolutive à des fréquences inférieures au térahertz. Ces résultats convaincants renforcent encore la collaboration de recherche Intel-MIT », déclare Dogiamis.
« Avant cette recherche, les gens ne combinaient vraiment pas les technologies térahertz et les technologies de puces à semi-conducteurs pour réaliser cette formation de faisceau ultra-nette et contrôlée électroniquement », explique Han. «Nous avons vu cette opportunité et, également avec des techniques de circuit uniques, avons proposé des circuits très compacts mais également efficaces sur la puce afin que nous puissions contrôler efficacement le comportement de l’onde à ces endroits. En tirant parti de la technologie des circuits intégrés, nous pouvons désormais activer certains comportements de mémoire et numériques intégrés, ce qui n’existait certainement pas dans le passé. Nous sommes convaincus qu’en utilisant des semi-conducteurs, vous pouvez vraiment permettre quelque chose d’incroyable.
Un éventail d’applications
Ils ont démontré le réseau réflecteur en prenant des mesures appelées diagrammes de rayonnement, qui décrivent la direction angulaire dans laquelle une antenne rayonne son énergie. Ils étaient capables de focaliser l’énergie très précisément, de sorte que le faisceau n’avait qu’un degré de large, et étaient capables de diriger ce faisceau par pas d’un degré.
Lorsqu’il est utilisé comme imageur, le faisceau d’un degré de large se déplace en zigzag sur chaque point d’une scène et crée une image de profondeur 3D. Contrairement à d’autres réseaux térahertz, qui peuvent prendre des heures voire des jours pour créer une image, le leur fonctionne en temps réel.
Parce que ce réseau réflecteur fonctionne rapidement et est compact, il pourrait être utile comme imageur pour une voiture autonome, d’autant plus que les ondes térahertz peuvent voir à travers le mauvais temps, dit Monroe. L’appareil pourrait également être bien adapté aux drones autonomes car il est léger et ne comporte aucune pièce mobile. De plus, la technologie pourrait être appliquée dans les paramètres de sécurité, permettant un scanner corporel non intrusif qui pourrait fonctionner en quelques secondes au lieu de quelques minutes, dit-il.
Monroe travaille actuellement avec le MIT Technology Licensing Market pour commercialiser la technologie via une startup.
Dans le laboratoire, Han et ses collaborateurs espèrent continuer à faire avancer cette technologie en utilisant de nouvelles avancées dans le domaine des semi-conducteurs pour réduire le coût et améliorer les performances de l’assemblage de la puce.
Écrit par Adam Zewe
La source: Massachusetts Institute of Technology
