I. Autoroutes de l'information

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Les autoroutes de l'information. Physique des matériaux. La matière. L'électronique. L'optoélectronique. Informatique et physique. Traitement de signal et information. Télécommunications et RD.

1. Autoroutes

En 1990 – 1991 [NB : Cet article a été écrit en 1994.], à Bruxelles, deux directions générales (Recherche et télécommunications) lançaient un programme communautaire concerté : les autoroutes de l’information.

Nous devenions société de l’information et de la communication : le titre idéal.

Les autoroutes ! Un trafic intense ! Des centaines de destinations et d’échangeurs ! Des milliers de véhicules ! Des millions de passagers, plus ou moins pressés !

Les transmissions deviennent numériques, continuité du principe de numérisation du signal, de la commutation électronique des centraux téléphoniques des années 1970.

Objectif : transmettre ! le plus possible et le plus rapidement possible !

  • le texte numérisé,

  • le son à haute fidélité ,

  • l’image (fixe ou animée) à haute définition,

  • avec les exigences d’une fiabilité croissante (à partir d’un poste fixe ou mobile) ;

  • des obligations non-stop de découvertes scientifiques et techniques, le challenge des opérateurs et industries de télécommunications modernes ;

  • en injectant ces éléments binaires dans les réseaux, les identifiant, les extrayant, les redistribuant ;

  • par un signal le plus pur possible et une rapidité de génération en même temps avec une résistance extrême aux bruits des voisins indésirables : les signaux parasites ;

  • sur des supports adaptables (transmission et commutation) et deux circonstances heureuses :

    • la lumière, signal providentiel, le meilleur sur sa fibre optique,

    • la voie atmosphérique, largement ouverte.

La fréquence des signaux a pris une importance croissante, son spectre devenant une ressource rare, à économiser et partager, avec le développement des communications radio.

Le numérique a supplanté l’analogique, mais sans le tuer pour autant.

L’avenir est à la généralisation de l’image numérisée, diffusée grâce aux progrès des systèmes de compression, aux possibilités techniques des réseaux large bande et des services de communication interactive.

Quelles exigences raisonnables sur la physique des matériaux, la matière, l’électronique et l’optique, l’informatique et la physique, le traitement du signal et de l’information ?

Nous allons donc essayer d’entrevoir cette évolution – révolution avec nos projets de RBC (recherches bibliographiques commentées).

2. Physique des matériaux

Quelques faits technologiques marquants :

  1. le contrôle des dépôts (épitaxie) à l’échelle de la monocouche atomique autorise une réalisation de plus en plus miniaturisée ;

  2. le supraconducteur permet la réalisation de composants passifs performants : résonateurs, filtres et lignes à retard en technologie microruban et coplanaire ;

  3. le dopage des fibres en silice par des ions, dont l’erbium, conduit à des fibres amplificatrices indispensables aux transmissions grandes distances sans répéteurs ;

  4. les matériaux photoréfractifs aux effets surprenants : amplification cohérente, conjugaison de phase, déflexion de faisceaux... ;

  5. la conception et la synthèse de composants moléculaires : des molécules appelées à réaliser des opérations élémentaires comme les diodes, transistors ou portes logiques moléculaires;

  6. l’écluse à électron capable de manipuler des électrons un par un.

3. Matière

Quelques faits marquants :

  1. De l’étude des phénomènes chaotiques sont nées les fractales et les ondelettes.

    • L’approche perturbatrice décrivait l’évolution linéaire autour d’un point d’équilibre.

    • La nouvelle approche par contre assimile le milieu hétérogène à un milieu homogène, avec quelques défauts volontairement gardés apparents.

    D’où la possibilité de suivre l’évolution des instabilités jusqu’à la formation de la structure.

  2. Les microscopies à champ proche pour les objets de taille atomique et moléculaire.

  3. Le dépassement de la notion d’ordre cristallin :

    • La matière peut revêtir des formes intermédiaires entre l’ordre cristallin tridimensionnel et le liquide isotrope (cristaux liquides).

    • Les molécules dotées d’un fort moment dipolaire s’associent suivant un certain ordre : c’est le cas des afficheurs à commutation rapide, d’un grand intérêt en TV HD.

  4. L’application d’un champ électrique à un fluide contenant des particules en suspension, créateur d’amas filiformes alignés selon le champ.

  5. Écrans plats à cristaux liquides.

    Le cristal est placé entre deux lames de verre recouvertes d’un conducteur transparent (épaisseur d’une dizaine de microns). Le matériau est transparent ou opaque, à la demande.

    En appliquant une tension de l’ordre de 2 V, les molécules s’orientent selon le champ électrique de commande. Une lumière incidente polarisée est absorbée et la cellule devient opaque.

  6. Analyse de Fourier.

    • Optique classique (ou linéaire). Les ondes sont considérées comme monochromatiques et unidirectionnelles, l’onde ne perturbant pas le milieu.

    • Optique non linéaire. Le champ lumineux n’est plus négligeable devant les champs atomiques (sources lasers).

    Il est alors possible de développer en série l’indice de réfraction du matériau en fonction du champ électromagnétique. Il faut alors tenir compte des couplages perturbatifs entre les différentes composantes ou les différents modes.

  7. Dans le cas de phénomènes plus rapides que la nanoseconde, le temps de réponse fini des non-linéarités n’est plus négligeable : la matière acquiert la mémoire des perturbations.

    La séparation conceptuelle entre l’onde électromagnétique et le matériau devient impossible de sorte que la décomposition de Fourier perd alors son sens physique.

4. Électronique

Trois tendances ne cessent de s’affirmer en commun :

  • miniaturisation poussée à l’extrême ;

  • augmentation des fréquences de fonctionnement (débit d’information) ;

  • augmentation des puissances de fonctionnement.

Avec la densité d’intégration des composants, les performances sont améliorées : temps de transit, temps de charge-décharge (commutation), fréquences maximales de fonctionnement.

Mais la réduction des dimensions induit des effets nouveaux à prendre en compte dans la modélisation : les couplages apparus entre les différents éléments ne peuvent plus être considérés comme indépendants.

Il faut alors coupler les modélisations électriques et les modélisations électromagnétiques, thermiques, mécaniques ou magnétiques et tenir compte de l’aspect tridimensionnel.

L’un des moyens d’obtenir une montée en fréquence est la réduction des dimensions des zones actives des composants.

5. Optoélectronique

L’association de l’électronique et l’optique, a conduit à des conceptions aux performances que ni l’optique, ni l’électronique, seules, ne pourraient atteindre : traitement d’image, commande automatique, transmission et stockage de l’information, détection.

  1. Les lasers

    • Les lasers saphir-titane, puissants et accordables jusqu’au proche infrarouge peuvent fonctionner en continu ou impulsionnel (\(10^{-15}\) s).

    • Les diodes laser à semiconducteur : puissance, pureté spectrale, impulsions courtes, accordables, longueurs d’onde d’émission depuis le visible à l’infra-rouge moyen.

  2. Les photodétecteurs

    En progression depuis la réalisation de matrices de détecteurs et la miniaturisation de détecteurs. La matrice de pixels se substituant à la diode devient un détecteur sensible à la localisation du seul photoélectron.

  3. Les fibres et les guides d’onde optiques

    Du fait de grandes longueurs d’interactions et de fortes densités de puissance, ils constituent un outil idéal pour l’étude des interactions non linéaires.

  4. Bruit quantique

    Les mesures d’intensité lumineuse étant limitées par les fluctuations quantiques du champ électromagnétique, d’importantes recherches sont faites sur la réduction du bruit quantique.

    Le bruit de photon (grenaille) a longtemps été une limite infranchissable. Pour s’en affranchir, des résultats sont attendus pour leurs retombées en traitement optique du signal.

  5. Puissance

    La nécessité de sources de faible largeur de raie et accordables en longueur d’onde a conduit à la réalisation de structures sophistiquées. Ainsi, l’augmentation de puissance peut être obtenue par une émission de surface à l’aide de miroirs intégrés.

  6. Stockage optique

    Le stockage optique, déjà implanté dans l’électronique audio et vidéo, commence à être utilisé en informatique professionnelle et bureautique.

    Densité de stockage et absence de contact mécanique sont des avantages incontestables sur le stockage magnétique.

6. Informatique et physique

L’optique permet déjà d’augmenter la capacité des systèmes de traitement de l’information et des calculateurs. Un autre point sensible est l’accès à la mémoire.

En ajoutant au volume de stockage la dimension fréquence, les dispositifs à Hole Burning Spectral (HBS) pourraient stimuler le développement des mémoires holographiques.

Avec l’adressage temporel d’hologrammes spectraux, le phénomène HB devrait permettre la mise au point de pages mémoires à accès rapide.

7. Traitement de signal et de l’information

Les signaux \(s(t)\) deviennent multidimensionnels (images et signaux d’antenne).

Alors que les hypothèses classiques (stationnaire, linéaire, gaussien, continu) représentent, au premier ordre, une bonne approximation de la réalité, la tendance actuelle est aux approches (non-stationnaires, non linéaires, non gaussiennes, discontinues).

Cette non stationnarité fait la richesse informationnelle (ruptures, segmentation), ainsi que les représentations dans lesquelles l’analyse du signal se fait à chaque fréquence ou à chaque échelle de résolution (théorie des ondelettes).

Génération et caractérisation des signaux fractal ou chaotiques sont des intermédiaires entre les signaux déterministes et aléatoires.

Des approches non gaussiennes, basées sur la généralisation des fonctions de corrélation à des ordres supérieurs à deux conduisent à l’élaboration d’une grande variété de modèles statistiques.

8. Télécommunications et RD

Les progrès techniques sont rapides. Chaque génération de matériels et de services nécessite des investissements R & D toujours plus importants, d’abord à cause de l’augmentation de la part de logiciel dans les systèmes et ensuite du fait du coût de plus en plus élevé du développement des composants électroniques ou optoélectroniques.

9. Sources bibliographiques

  1. Document CNRS

    Rapport de conjoncture 1993

  2. France Telecom

    Les télécommunications (Berger-Levrault International, Paris, 1993)

  3. M. Feynerol, A. Guerard

    Écho des recherches (Paris, 1993,numéro 3)

  4. E. Giacobino, E. Launay, J.P Weisbuch

    L’état des sciences et des techniques (Collectif la Découverte, F.P.L, 1991)

  5. O. Macchi, J.M Chassery

    Conseil scientifique France Telecom (Mémento technique numéro 3, 1993)

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