Les caméras infrarouges peuvent être utilisées pour repérer des informations utiles que nos yeux ne voient pas, comme des gaz s’échappant d’un pipeline, des produits chimiques dans l’atmosphère ou de la chaleur s’échappant d’un bâtiment. Mais détecter la lumière infrarouge de manière sophistiquée nécessite encore des systèmes coûteux et encombrants.
Des chercheurs du MIT ont désormais créé un dispositif optique à base de puce capable de contrôler dynamiquement la lumière infrarouge entrante, agissant comme une lentille accordable qui recueille des informations supplémentaires pour les caméras infrarouges. Chaque pixel microscopique de la lentille de l’appareil peut contrôler indépendamment la lumière infrarouge, ce qui lui permet de modifier sa mise au point et d’aider les caméras à détecter différents signaux sans pièces mobiles.
Le système est décrit dans un article publié dans Nature Communications. Les chercheurs expliquent également comment ils ont construit une démonstration à l’échelle du laboratoire en utilisant principalement des processus de fabrication conventionnels dans une usine de puces semiconductrices, suggérant que l’approche pourrait être mise en œuvre à l’échelle industrielle.
La technologie pourrait permettre de créer des caméras infrarouges compactes et accordables pour une imagerie thermique plus dynamique, une détection chimique, une surveillance de la pollution, et même de nouveaux types de calcul optique.
« Cela pourrait nous donner plus d’informations lors de l’étude de l’espace, ou aider à la protection de l’environnement lorsque vous souhaitez surveiller des composés spécifiques dans l’atmosphère », explique l’auteur principal Cosmin-Constantin Popescu, PhD ’25. « L’imagerie thermique est une autre application, et vous pouvez penser aux applications militaires où les lunettes de vision nocturne sont actuellement utilisées. Fondamentalement, de nombreuses molécules organiques absorbent dans la longueur d’onde infrarouge moyen, et vous pourriez utiliser ce système pour les détecter. »
Lentilles à base de puce
Ces dernières années, les chercheurs ont développé des moyens de contrôler dynamiquement la lumière en gravant de minuscules motifs précis sur des matériaux transparents appelés « métasurfaces », ce qui pourrait permettre des caméras plus compactes et programmables ainsi que d’autres dispositifs optiques avancés.
Le groupe de recherche de Hu au MIT a expérimenté une classe de métasurfaces qui passent de l’état solide à liquide après application de chaleur. Les changements de phase peuvent être exploités pour contrôler la manière dont les matériaux interagissent avec la lumière. En 2021, Hu et ses collaborateurs ont créé une lentille miniature capable d’ajuster sa mise au point à différentes profondeurs grâce à de tels changements de phase.
L’appareil fonctionnait de manière fiable, mais il ne pouvait ajuster la mise au point que d’un seul coup sur l’ensemble du matériau, ce qui est le mode de fonctionnement de la plupart des métasurfaces. Pour leur nouvelle étude, les chercheurs ont voulu s’appuyer sur cette approche pour contrôler indépendamment la lumière à chaque pixel microscopique du matériau.
« La plupart des métasurfaces actives qui tentent un réglage par pixel unique nécessitent des fils allant à chaque pixel, et la façon dont vous acheminez les fils devient un gros problème », explique Hu. « La meilleure approche jusqu’à présent a été un contrôle de pixels unidimensionnel avec un tas de fils. »
Les chercheurs voulaient également créer un système fonctionnant avec la longueur d’onde infrarouge moyen de la lumière, que l’œil humain ne voit pas mais qui est utile pour détecter les signatures thermiques et les molécules, notamment le méthane et le propane. Les dispositifs de détection infrarouge moyen sont déjà utilisés pour détecter les fuites de gaz et étudier l’atmosphère terrestre, ainsi que pour un certain nombre d’applications de défense et aérospatiales.
Pour construire leur système, les chercheurs ont adapté une approche couramment utilisée dans les écrans, dans laquelle deux couches de fils de cuivre soigneusement serrées sont placées perpendiculairement l’une sur l’autre. Sous les fils se trouve une couche de silicium dopé qui génère de la chaleur aux points de croisement des fils et se trouve au-dessus du matériau à changement de phase. La chaleur du silicium est utilisée pour faire passer chaque pixel du matériau entre des structures cristallines et amorphes, ce qui modifie la façon dont le matériau interagit avec la lumière infrarouge entrante. Le silicium comprend également un sélecteur de diode, qui aide à empêcher les courants indésirables de s’infiltrer à travers les pixels voisins.
« Nous avons effectué des calculs montrant que cette architecture nous permet de passer à des millions de pixels potentiellement sans aucun problème de courants [indésirables] », déclare Hu. « L’innovation clé est cette architecture crossbar, qui crée une manière évolutive d’augmenter la commutation au niveau pixel des métasurfaces. Nous n’avons pas inventé cette architecture – elle est utilisée dans les écrans – mais c’est la première fois que quelqu’un l’utilise pour des métasurfaces actives à changement de phase afin de montrer que l’on peut obtenir un contrôle au niveau pixel. Les gens travaillent depuis longtemps sur le contrôle de pixels bidimensionnel, et c’est la première fois que quelqu’un le met en œuvre. »
Les chercheurs ont travaillé avec des équipements dans MIT.nano et avec une usine qui fabrique des puces semiconductrices, créant finalement un système bidimensionnel doté d’un réseau de pixels de métasurface 6 par 6. Ils ont testé leur système et ont constaté qu’il pouvait s’allumer et s’éteindre de manière fiable.
« Nous avons trouvé cette architecture maillée très résiliente », affirme Popescu. « Vous ne voulez pas que ces matériaux commutent une fois et ne fonctionnent plus. Vous voulez qu’ils commutent un grand nombre de fois : peut-être des dizaines de milliers de fois ou plus. »
Mise à l’échelle
Les chercheurs affirment que l’intégration d’une partie de la conception de leur système dans la fabrication existante de semiconducteurs devrait l’aider à dépasser le stade du prototype de recherche.
« Lorsque vous voulez passer à l’échelle supérieure, vous avez besoin de quelque chose qui fait partie d’un processus cohérent, et c’est pourquoi la fabrication en fonderie de puces devient si importante », explique Hu. « Travailler avec une fonderie de semiconducteurs avec un contrôle de processus bien défini est très puissant. Cela permet également de mettre en œuvre chacun des composants en un seul processus efficace. »
Les chercheurs travaillent à ajouter plus de pixels à leur réseau et à développer des versions plus robustes de leur système afin qu’il puisse commencer à capturer plus d’informations infrarouges.
« Dans de nombreux cas, lorsque vous prenez des images, vous avez une connaissance préalable de ce que vous cherchez », déclare Hu. « Vous cherchez peut-être un humain dans une pièce sombre, ou des caractéristiques spécifiques dans une image, comme un arbre, et ces informations préalables peuvent être utiles car vous pouvez maintenant configurer ce système pour mettre spécifiquement en évidence ces caractéristiques. »
Hu note également que des chercheurs ont utilisé des métasurfaces pour émuler des réseaux neuronaux informatiques qui alimentent les systèmes d’IA, bien qu’il note que les applications pourraient être plus éloignées de se concrétiser.
« Cela pourrait permettre un calcul optique plus efficace, où les métasurfaces sont utilisées pour encoder les poids du réseau dans les réseaux neuronaux », explique Hu. « Lorsque la lumière traverse le matériau, elle interagit avec la métasurface, et ces informations sont encodées de manière à ce que vous puissiez déduire les résultats computationnels. Des chercheurs ont déjà utilisé cette approche pour émuler des réseaux neuronaux très complexes. »
Ces travaux ont été soutenus, en partie, par l’US Air Force, la National Science Foundation des États-Unis, la National Research Foundation de Corée, et le Draper Scholar Program.
Écrit par Zach Winn, MIT News
Article : “Two-dimensional pixel-level addressable mid-infrared metasurface spatial light modulator” – Journal : Nature Communications – DOI : Lien vers l’étude
Source : MIT
