De gauche à droite : Kathirvel Nallappan, doctorant en génie électrique; Maksim Skorobogatiy; professeur titulaire en génie physique; Hichem Guerboukha, doctorant en génie physique; Yang Cao, doctorant en génie physique.

Les doctorants en génie physique Hichem Guerboukha et Yang Cao, le doctorant en génie électrique Kathirvel Nallappan et le professeur titulaire en génie physique Maksim Skorobogatiy, à Polytechnique, ont mené des recherches sur les matériaux poreux pour la fabrication de composants optiques térahertz de haute performance, en collaboration avec le professeur José Azaña et le stagiaire postdoctoral Mohamed Seghilani, du Centre Énergie, Matériaux et Télécommunications de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS).

Ces travaux réalisés portent sur l’utilisation d’inclusions de sous-longueur d'onde à faible indice de réfraction dans un matériau solide, lors de la conception de composants optiques destinés à des applications impliquant des ondes de la gamme des térahertz. Ces composants optiques présentent ainsi des pertes de puissance d’onde plus faibles en comparaison avec des composants entièrement solides, tout en ayant des propriétés optiques identiques.

Un tel résultat est possible en raison du renforcement du champ électrique dans les trous de sous-longueur d'onde, ce qui entraîne une diminution plus rapide des pertes effectives du matériau par rapport aux changements de son indice de réfraction efficace, au gré de l’augmentation de la porosité.

Un article portant sur les travaux des chercheurs de Polytechnique et de l’INRS a été publié en août 2019 dans la revue Advanced Optical Materials. L’équipe éditoriale de la revue Optics and Photonics News, de la société savante Optical Society, a sélectionné l’article aux fins d’un numéro spécial, paru en décembre 2019, qui est consacré aux percées scientifiques d’intérêt de l’année.

« Il s’agit d’une reconnaissance importante pour nous, car elle montre que nos travaux ont intéressé plus largement la communauté optique », déclare Hichem Guerboukha, le meneur du projet au sein de la Chaire de recherche du Canada en photonique térahertz omniprésente à Polytechnique Montréal.

Exemple d’une lentille poreuse où le champ électrique est renforcé dans les trous de sous-longueur d'onde.

Porosité haute performance

Le doctorant Hichem Guerboukha explique que les ondes térahertz offrent un grand potentiel dans des domaines tels que les communications et l’imagerie. Cependant, les pertes d’absorption des composants optiques au sein des systèmes d’instrumentation térahertz constituent un problème récurrent. « Idéalement, une lentille térahertz devrait transmettre 100 % de la puissance d’une onde de la gamme des térahertz. Or, ce n’est pas le cas aujourd’hui, surtout à haute fréquence », indique-t-il.

Dans le cadre de travaux impliquant l’utilisation de métamatériaux poreux, les chercheurs de Polytechnique et de l’INRS ont démontré qu’utiliser une lentille poreuse plutôt qu’une lentille d’épaisseur variable permettait de diminuer les pertes de transmission des ondes à haute fréquence.

« Des composants optiques, dont la position et la grandeur des pores ont été soigneusement contrôlées, ont été fabriqués par gravure laser sur un polymère de plexiglas. Ces travaux de fabrication ont été réalisés à l’atelier de fabrication PolyFab Normand-Brais, démontrant ainsi leur coût minime de réalisation », relate le doctorant.

Le recours à des matériaux poreux ouvre la porte à la fabrication de composants optiques aux fonctionnalités nouvelles. Ce procédé pourrait trouver des applications dans des dispositifs de communication sans fil de sixième génération, mais aussi en imagerie où les ondes térahertz serviraient à « voir » à travers la plupart des matériaux diélectriques, comme du papier, du carton, du textile ou du plastique, permettant ainsi des applications de contrôle de qualité, en biomédical, en pharmaceutique, en sécurité, en agriculture, etc.

« En principe, il est possible d’étendre notre méthodologie aux autres bandes de fréquences, en ajustant la taille des pores : cela permettrait des opportunités uniques quant à la fabrication de composants optiques avec des matériaux exotiques », ajoute Hichem Guerboukha.

Soulignons que Hichem Guerboukha et Yang Cao réalisent leurs études doctorales en génie physique sous la supervision du professeur Maksim Skorobogatiy. Kathirvel Nallappan, pour sa part, est supervisé par le professeur Skorobogatiy et par le professeur titulaire en génie électrique Chahé Nerguizian.

Félicitations à nos chercheurs pour cet honneur!

En savoir plus

Article publié dans la revue Advanced Optical Materials
Article publié dans la revue Optics and Photonics News
Article « L’ère des térahertz, c’est pour bientôt!» publié dans le magazine Poly
Fiche d’expertise du professeur Maksim Skorobogatiy
Site du Département de génie physique