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Des lasers torsadés pour transmettre de l’information

Crédits : University of Vienna

Nous utilisons tous des lasers pour communiquer. Ce sont les sources de lumière utilisées dans les fibres optiques, par lesquelles toute conversation téléphonique, ou donnée sur internet est transmise, et les scientifiques cherchent sans cesse de nouveaux moyens d’exploiter les étranges propriétés de la lumière pour faire passer toujours plus d’informations dans ces tubes de verre ultra transparents.

Ici, les chercheurs autrichiens de l’Université de Vienne ont mis au point un système capable d’envoyer des informations à travers l’air à 3 kilomètres, en établissant une transmission à un sens entre la tour radar du siège du ZAMG, le service météorologique national autrichien, et le toit de l’IQOQI, l’institut d’optique et d’information quantique viennois, qui ont même réalisé une petite vidéo pour expliquer leurs travaux.

Pour ce faire, ils ont utilisé une propriété particulière de la lumière appelée le moment orbital angulaire. Pour imaginer ce que cela représente, pensez à des vagues sur l’océan. Ce que l’on voit comme la crête d’une vague, la ligne le long de laquelle le niveau de l’eau est au plus haut est, dans le langage des physiciens un front d’onde. Cet exemple prend le cas de vagues sur une surface en deux dimensions, alors que la lumière est une onde qui se propage dans un espace tridimensionnel. Les « crêtes » des vagues de lumière ne sont donc pas de simples lignes, mais des surfaces, à la géométrie parfois complexe. Dans le cas de ce que l’on appelle les modes optiques avec moment angulaire orbital, la surface du front d’onde est torsadée comme une nouille, et si on inflige ce traitement à un laser projeté sur un écran, on obtient non pas une simple tâche circulaire, mais des figures de formes variées, chacune correspondant à un mode particulier.

Les physiciens viennois ont utilisé ces modes pour transmettre de l’information à travers 3 kilomètres de turbulences atmosphériques, démontrant la faisabilité de cette approche. Plutôt que d’utiliser chaque mode comme un canal distinct, ils ont directement encodé l’information dans ces modes, chaque forme sur l’écran correspondant à une série binaire de 0 et de 1 prédéterminée. Avec 16 modes, ce sont 4 de ces bits d’information qu’ils ont pu transmettre de cette façon. Pour chaque paquet d’information, un dispositif plaçait le faisceau laser dans une configuration particulière, qui était ensuite dirigé vers un télescope, très précisément pointé vers un écran au point de réception. Une caméra pointée sur cet écran, couplée à un logiciel permettait de reconnaitre le motif projeté, et d’en déduire la série binaire correspondante.

Ils ont ainsi pu transmettre à travers la ville des images numériques des célèbres Autrichiens Mozart, Boltzmann et Schrödinger, en encodant 16 niveaux de gris pour chaque pixel de chaque image, chaque niveau de gris correspondant à une forme particulière du faisceau. Ils n’ont pas battu de records de vitesse, il a fallu 3 minutes pour envoyer chaque image de 3500 pixels chacune. Bien sûr, la manipulation vise uniquement à être une étude de faisabilité, pas à battre des records de vitesse, et il serait intéressant de voir ce dont un tel système est capable dans des implémentations ultérieures.

Ce résultat pourrait être une avancée significative dans le domaine des communications optiques en espace libre, qui sont un enjeu important dans le domaine des liaisons avec des sondes spatiales distantes, ou la création de réseaux sans fil rapides sur des portées de quelques kilomètres. L’utilisation de ces modes est aussi envisagée dans les fibres optiques, et pourrait encore multiplier la vitesse des réseaux existants quelques dizaines de fois.

Source : New Journal of Physics

– Illustration :  À chaque mode son motif. L’expérience viennoise en a utilisé 16