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Bientôt des mémoires de lumière grâce aux solitons ?

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Depuis des années, on utilise des solitons optiques pour transporter de l'information dans des fibres. Des physiciens néo-zélandais cherchent à en faire des mémoires optiques performantes. Ce faisant, ils ont découvert des interactions à longue portée et particulièrement faibles entre ces solitons. Ce phénomène constitue un obstacle à la réalisation de ces mémoires qui pourrait être contourné. On disposerait alors de mémoires de lumière.

Un faisceau laser circule ici dans une fibre optique enroulée. Dans un futur proche, de tels faisceaux, parcourus de solitons optiques, serviront peut-être à stocker des bits d'information dans des fibres en boucle. La lumière ne sera pas seulement une messagère : elle sera aussi une mémoire. © Laser Zentrum Hannover

Les solitons sont des sortes de paquets d'ondes particulièrement stables qui peuvent garder une forme bien définie pendant des temps assez longs, et donc se propager sur de longues distances. On ne les trouve qu'associés à des équations non linéaires, comme celles de la relativité générale, qui permettent de considérer les trous noirs comme des sortes de solitons, ou encore celles de la mécanique des fluides, les équations de Navier-Stokes. De fait, un soliton, aussi appelé onde solitaire, a été décrit pour la première fois au XIXe siècle par l'Écossais John Scott Russell, qui l'a observé en se promenant le long d'un canal lorsqu'il a suivi pendant plusieurs kilomètres une vague remontant le courant qui ne semblait pas vouloir faiblir.

Le phénomène a été modélisé pour la première fois par le mathématicien français Joseph Boussinesq. Depuis lors, des solitons ont été trouvés dans bien des situations physiques. Il a été proposé que la Grande Tache rouge de Jupiter en était un, ce qui expliquerait son existence depuis plus de 300 ans. On trouve des solitons dans les milieux magnétiques, et on a même tenté de décrire certaines particules élémentaires avec eux.

Solitons optiques pour les réseaux de fibres optiques

De nos jours, les solitons sont particulièrement étudiés dans les fibres optiques. L'une des raisons est qu'ils permettent de simuler le comportement de bien d'autres solitons en physique, ou du moins des effets non linéaires qui ressemblent beaucoup aux solitons, comme les vagues scélérates. Mais ce qui rend l'étude des solitons dans les fibres optiques particulièrement intéressante, ce sont les perspectives qu'elle a ouvertes pour les télécommunications, voire les ordinateurs optiques. En effet, la stabilité des solitons permet d'envisager de transmettre des bits d'information sur de grandes distances dans les fibres optiques, et donc d'améliorer la qualité de ces transmissions.

L'idée est ancienne puisqu'elle a germé dans l'esprit des physiciens Fred Tappert et Akira Hasegawa des laboratoires Bell (Bell Labs) d'AT&T en 1973 lorsqu'ils ont avancé que des solitons pouvaient exister dans des fibres optiques. Mais ce n'est qu'en 1988 que Linn Mollenauer et son équipe démontrèrent vraiment que c'était possible, en transmettant ainsi des solitons sur plus de 4.000 km. En 1991, une équipe des Bell Labs est allée plus loin en transmettant des solitons sur plus de 14.000 km, et en 1998, une équipe de France Telecom menée par Thierry Georges a réussi à faire du multiplexage en longueur d'onde avec des solitons pour réaliser une transmission à un débit supérieur à un térabit par seconde. Finalement, les solitons optiques ont été utilisés dès 2001 pour transporter des informations sur un réseau commercial.

Frédéric Drach Tappert (1940-2002) était un physicien américain dont la contribution la plus célèbre concerne sans doute les solitons optiques utilisés dans la technologie de communication par fibre optique. Il a été membre de l'équipe technique des Bell Labs de 1967 à 1974, et c’est pendant cette période qu’il a collaboré avec Akira Hasegawa sur des questions de propagation des solitons optiques dans des fibres. © Andrewtappert, Wikipédia, cc by sa 3.0

Récemment, des chercheurs néo-zélandais étudiaient une nouvelle idée concernant l'utilisation des solitons dans les fibres optiques lorsqu'ils sont tombés sur un phénomène inattendu. La découverte a fait l'objet d'un article dans le journal Nature Photonics.

Mémoires de lumière avec des solitons optiques

Les solitons sont stables, et ils sont normalement réputés sans interactions, de sorte que deux solitons peuvent se heurter, se traverser et rester inchangés quant à leurs caractéristiques principales. On pouvait donc imaginer stocker des bits d'information sous forme de solitons temporairement piégés dans des fibres optiques en boucle. On disposerait ainsi de mémoires optiques fiables mobilisables de façon ultrarapide, et plus économes en énergie que d'autres dispositifs couplés aux fibres optiques.

Les chercheurs se sont donc mis à étudier la propagation de solitons optiques dans une fibre en boucle d'environ 100 m de long. Ils sont alors tombés sur une surprise désagréable, bien qu'elle ait été anticipée par d'autres chercheurs sur des bases purement théoriques. Les solitons ne se comportaient pas comme s'ils étaient sans interactions. Bien que faibles, ces interactions peuvent à priori dégrader la qualité de la mémoire optique que l'on voulait réaliser.

Interactions entre solitons mises en évidence

Ces interactions ont leur explication. En progressant le long de la fibre optique, le champ électrique d'un premier soliton la déforme. Il s'agit d'un processus connu sous le nom d'électrostriction. Cela crée une petite onde ultrasonore dans le sillage du soliton, qui modifie temporairement et localement l'indice de réfraction de la fibre. Lorsqu'un second soliton traverse l'onde sonore, il est accéléré ou ralenti par rapport au premier. Même si l'effet n'est notable que lorsque les solitons ont parcouru des longueurs équivalentes à la distance Terre-Soleil dans la boucle, l'effet est bien réel et correspond à des interactions entre solitons.

En fait, les physiciens ont découvert que des interactions à longue portée similaires entre solitons étaient déjà connues. Cependant, dans le cas présent, ils en avaient découvert qui étaient de trois à cinq ordres de grandeur plus faibles que celles mentionnées précédemment dans la littérature scientifique, et qui étaient notables pour des distances plus faibles entre solitons. Il s'agissait donc d'un record à plus d'un titre, ce qui pouvait compenser quelque peu leur déception d'avoir rencontré un obstacle pour la réalisation d'une bonne mémoire optique avec des solitons.

Finalement, les chercheurs pensent qu'ils doivent pouvoir contourner cet obstacle. « Nous croyons que nous pouvons résoudre le problème en modulant le faisceau de lumière contenant les solitons, explique le physicien Miro Erkintalo de l'université d'Auckland, l'un des auteurs de la découverte. « Nous y travaillons en ce moment. »

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