Le laboratoire de génie des matériaux optiques de l'École polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich) a développé un nouvel élément d'image multifonctionnel, le « pixel de Fourier », capable de réaliser simultanément des fonctions d'émission et de mesure de la lumière au sein d'une même structure de pixel. Cette recherche, menée par l'équipe du professeur David J. Norris, a été publiée dans la revue Nature sous le titre « Fourier pixels for bidirectional light control ». Contrairement aux pixels conventionnels qui ne peuvent qu'éclairer un écran ou capturer la lumière, les pixels de Fourier combinent la génération et l'analyse du champ lumineux en une seule structure micro-nano, permettant le contrôle et la détection de l'amplitude, de la phase et de la polarisation de la lumière. Ils offrent ainsi une nouvelle base pour les écrans bidirectionnels, l'affichage holographique, les communications optiques et le traitement de l'information quantique. Le cœur du pixel de Fourier ne consiste pas à enregistrer la luminosité d'un point dans une image, mais à traiter la fréquence spatiale de la lumière. Il représente les lois de distribution spatiale des ondes lumineuses, permettant ainsi une description plus complète du champ lumineux.
Ce logo coloré a été réalisé à l'aide de la technologie des pixels de Fourier développée par les chercheurs de l'ETH Zurich. La lettre « E » ne mesure qu'environ 1 millimètre de hauteur sur l'appareil photo.
Les pixels d'un écran standard sont principalement responsables de « l'émission de luminosité », tandis que les pixels d'un capteur d'appareil photo sont principalement responsables de la « réception de la luminosité ». Cette division du travail sous-tend la structure de base des écrans de téléphones portables, des téléviseurs, des caméras et des appareils photo industriels actuels. Cependant, la plupart d'entre eux ne traitent que les informations d'intensité lumineuse et ont du mal à contrôler et à lire simultanément des caractéristiques ondulatoires plus riches, telles que la phase et la polarisation de la lumière. Le pixel de Fourier change cette logique. Il guide la propagation des ondes de surface grâce à un profil micro-nano à la surface d'un métal, et fait en sorte que ces ondes de surface se dispersent en ondes lumineuses à des endroits spécifiques. L'interférence entre plusieurs ondes lumineuses génère ensuite un motif de champ lumineux prédéfini. Inversement, lorsque la lumière externe frappe la même structure, le pixel peut également utiliser les informations d'interférence pour analyser l'état du champ lumineux entrant.
La base de conception de cette technologie provient de l'analyse de Fourier. La transformée de Fourier peut décomposer une forme d'onde complexe en un ensemble de composantes de fréquences différentes. Les ondes sonores, les images et les champs lumineux peuvent tous être décrits de manière similaire. Le pixel de Fourier applique cette méthode mathématique à la conception de structures optiques micro-nano : il détermine d'abord le champ lumineux à générer ou à détecter, puis déduit le profil ondulatoire que la surface du pixel doit avoir. De cette manière, un seul pixel n'est plus simplement un « point lumineux » ou un « point photosensible », mais devient un petit système optique capable de traiter la structure des ondes lumineuses.
Sur le plan technique, l'équipe de recherche utilise les ondes de surface plasmoniques à la surface du métal pour contrôler le champ lumineux. Lorsque l'onde de surface se propage le long de la surface métallique, elle interagit avec la microstructure ondulatoire conçue et se disperse dans l'espace selon une direction prédéfinie. Tant que le profil de surface est suffisamment précis, le pixel peut générer un champ lumineux spécifique en mode émission ; en mode réception, il peut déduire l'amplitude, la phase et la polarisation de la lumière à partir du motif d'interférence provoqué par la lumière incidente. Cette structure permet à « l'émission de lumière » et à la « mesure de la lumière » de ne plus dépendre de deux dispositifs complètement séparés, mais d'effectuer un contrôle bidirectionnel de la lumière sur une même plateforme de pixel.
Ce type de pixel pourrait d'abord modifier la frontière entre les écrans et les appareils photo. Si les futurs dispositifs d'affichage adoptent une matrice de pixels de Fourier, l'écran pourrait potentiellement remplir à la fois les fonctions d'affichage et d'imagerie, formant ainsi un écran-appareil photo bidirectionnel.
L'écran bidirectionnel n'est qu'une des applications. Les pixels de Fourier peuvent également offrir un contrôle plus précis du champ lumineux pour l'affichage holographique, car celui-ci nécessite le contrôle non seulement de la luminosité, mais aussi des informations de phase. Les systèmes de communication optique ont également besoin de capacités de codage et de décodage de champ lumineux plus complexes, en particulier dans les scénarios de transmission multicanal, à haute densité et à faible consommation d'énergie, où l'amplitude, la phase et la polarisation peuvent toutes servir de supports d'information. Le traitement de l'information quantique exige un contrôle encore plus strict de l'état des photons. Des composants optiques miniaturisés, programmables et bidirectionnels comme les pixels de Fourier pourraient offrir de nouvelles orientations de conception pour les circuits optiques sur puce, la mesure d'états quantiques et le contrôle précis du champ lumineux.
Cette recherche en est encore à un stade précoce. Les pixels de Fourier actuels démontrent principalement la capacité de contrôle bidirectionnel du champ lumineux au niveau d'un seul pixel. Pour qu'ils puissent véritablement intégrer les écrans de téléphones portables, les appareils photo grand public ou les grands dispositifs d'affichage, il faudra résoudre des problèmes tels que la mise en réseau des pixels, le rafraîchissement dynamique, la cohérence de fabrication, l'intégration système et le contrôle des coûts. L'équipe de Norris prévoit ensuite d'intégrer les pixels de Fourier dans une structure matricielle pour construire des écrans-appareils photo plus complexes. Si la validation en réseau se déroule bien, les pixels de Fourier passeront du stade d'unité optique unique à celui de dispositif évolutif.
Pour l'industrie optoélectronique, l'importance des pixels de Fourier réside dans le fait qu'ils réunissent l'affichage d'images, la capture d'images et le traitement du champ lumineux au même niveau matériel. Auparavant, les écrans, les appareils photo, les éléments holographiques, les analyseurs de polarisation et les modulateurs de phase étaient généralement des composants séparés, ce qui entraînait une complexité du système, une augmentation du volume et des exigences d'alignement élevées. Si les pixels de Fourier peuvent être mis en réseau et fabriqués de manière stable, les futurs appareils pourront effectuer des tâches d'affichage, d'imagerie, de reconnaissance et de communication optique dans un espace plus réduit. Cela rappelle également à l'industrie que la prochaine génération de compétition en matière de pixels ne tournera pas nécessairement uniquement autour de la résolution, de la luminosité et du taux de rafraîchissement ; la capacité de contrôle complet des informations du champ lumineux pourrait devenir une nouvelle direction technologique.
Les auteurs de l'article incluent Yannik M. Glauser, Sander J. W. Vonk, David B. Seda, Hannah Niese, Boris de Jong, Matthieu F. Bidaut, Daniel Petter, Erwan Bossavit, Gabriel Nagamine, Nolan Lassaline et David J. Norris. Alors que l'affichage, la capture d'images, l'holographie, les communications optiques et l'optique quantique continuent de converger, les pixels de Fourier offrent une voie pour passer des « pixels d'intensité » aux « pixels de champ lumineux », ouvrant ainsi de nouvelles directions expérimentales pour les futurs écrans-appareils photo et les systèmes optiques sur puce.