Un GPS amélioré avec une puce à 15 femtosecondes

L’innovation technologique continue de façonner notre quotidien, améliorant la précision et l’efficacité des systèmes sur lesquels nous comptons chaque jour. Un développement récent dans le domaine de la technologie de synchronisation illustre parfaitement cette évolution, promettant d’améliorer significativement des applications allant de la navigation GPS à la qualité des connexions téléphoniques et Internet. Une puce compacte, fruit d’une collaboration internationale, est sur le point de transformer notre rapport à la technologie de communication.

L’Institut National des Standards et de la Technologie (NIST) et ses collaborateurs ont mis au point une technologie capable de convertir la lumière en signaux micro-ondes de manière compacte et efficace. L’avancée pourrait non seulement améliorer le GPS et la qualité des connexions téléphoniques et Internet, mais aussi accroître la précision des systèmes de radar et de détection, ainsi que d’autres technologies dépendant d’une synchronisation et d’une communication de haute précision.

La technologie en question réduit ce que l’on appelle la secousse de synchronisation, de petites variations aléatoires dans le timing des signaux micro-ondes. Les chercheurs ont réussi à réduire ces variations à une fraction très minime d’une seconde — précisément 15 femtosecondes, marquant une nette amélioration par rapport aux sources micro-ondes traditionnelles. Cette stabilisation des signaux pourrait augmenter la sensibilité des radars, la précision des convertisseurs analogique-numérique et la clarté des images astronomiques capturées par des groupes de télescopes.

Vers une intégration sur puce

La particularité de cette démonstration réside dans la conception compacte des composants générant ces signaux. Pour la première fois, les chercheurs ont réussi à miniaturiser un système qui occupait auparavant l’espace d’une table de laboratoire en une puce de la taille d’une carte mémoire d’appareil photo numérique. Cette réduction de l’encombrement et de la consommation d’énergie rend la technologie plus pratique pour une utilisation quotidienne dans des appareils portables.

Actuellement, plusieurs composants de cette technologie sont situés à l’extérieur de la puce, tandis que les chercheurs testent leur efficacité. L’objectif ultime est d’intégrer tous les éléments, tels que les lasers, modulateurs, détecteurs et amplificateurs optiques, sur une seule puce. Cela permettrait de réduire à la fois la taille et la consommation d’énergie du système, facilitant son incorporation dans des dispositifs compacts sans nécessiter une grande quantité d’énergie ni une formation spécialisée.

Applications et implications

Dans des systèmes de navigation tels que le GPS, le timing précis des signaux est essentiel pour déterminer la localisation. Dans les réseaux de communication, comme les systèmes de téléphonie mobile et Internet, une synchronisation précise des signaux multiples assure que les données sont transmises et reçues correctement.

Par exemple, la synchronisation des signaux est cruciale pour que les réseaux cellulaires chargés puissent gérer plusieurs appels téléphoniques. Cette alignement précis des signaux dans le temps permet au réseau cellulaire d’organiser et de gérer la transmission et la réception des données de multiples appareils, assurant ainsi que plusieurs appels téléphoniques peuvent être effectués simultanément sans retards ou interruptions significatifs.

« Il existe toute une gamme d’applications pour cette technologie. Par exemple, les astronomes qui imagent des objets astronomiques distants, comme les trous noirs, ont besoin de signaux à faible bruit et d’une synchronisation d’horloge », a déclaré Frank Quinlan, scientifique physique au NIST. « Et ce projet aide à sortir ces signaux à faible bruit du laboratoire et à les mettre entre les mains des techniciens radar, des astronomes, des scientifiques environnementaux, de tous ces différents domaines, pour augmenter leur sensibilité et leur capacité à mesurer de nouvelles choses. »

Cette avancée technologique, fruit d’une collaboration entre des chercheurs de plusieurs institutions de renom, souligne l’importance de la recherche interdisciplinaire dans le progrès technologique. Elle promet d’ouvrir de nouvelles voies pour l’utilisation pratique de la lumière et des micro-ondes, améliorant ainsi la précision et l’efficacité des technologies sur lesquelles nous comptons chaque jour.

Légende illustration : Des chercheurs du NIST testent une puce permettant de convertir la lumière en signaux micro-ondes. La photo montre la puce, c’est-à-dire le panneau fluorescent qui ressemble à deux minuscules disques vinyles. La boîte dorée à gauche de la puce est le laser semi-conducteur qui émet de la lumière vers la puce. Source : K. Palubicki/NIST

Article : « Photonic chip-based low-noise microwave oscillator » – DOI: 10.1038/s41586-024-07058-z