Dans notre monde numérique et avec le développement rapide de l’Internet des objets et de l'électronique portable, la quantité de données transmises sans fil est en constante augmentation. Cela impose des débits de données de plus en plus élevés. Les technologies de la communication nécessitent donc le développement d'outils performants de mesure, capables d'une analyse spectrale rapide afin de mettre au point les éléments de base de la communication à haut débit entre objets connectés.
L'élément clef d'un analyseur de spectre est un oscillateur interne dont la fréquence peut être balayé
via un signal de contrôle, variant linéairement pendant un temps
T. Afin d'analyser un signal dont le contenu spectral peut changer rapidement dans le temps, il faut être capable de balayer la gamme de fréquence de cet oscillateur sur un temps T le plus court possible. Habituellement on utilise des oscillateurs contrôlés en tension (VCO, pour
voltage control
oscillator) qui ont des vitesses de balayage limitées (T > 1 microseconde) découlant des dimensions macroscopiques des composants utilisés. Des chercheurs de l’Irig travaillent sur des nano-oscillateurs à couple de transfert de spin ou STNO (Figure) dont la fréquence peut être balayée sur des échelles de temps en dessous de 100 ns, donc beaucoup plus courtes que le VCO. C'est grâce à leurs dimensions nanométriques, et aux propriétés non-linéaires de la dynamique de l'aimantation que l'on peut réduire drastiquement ce temps de balayage.
Figure : Schématisation d’un nano-oscillateur à couple de transfert de spin (STNO). L’injection d’un courant, polarisé par la couche fixe (bleue), met en auto-oscillation l’aimantation de la couche libre (jaune). Les STNO sont des empilements de couches ferromagnétiques de quelques nanomètres d'épaisseur et de quelques dizaines de nanomètres de diamètres.
C’est la première fois que des chercheurs démontrent expérimentalement (Pour en savoir plus, voir encadré) que l'utilisation de tels STNO dans des analyseurs de spectre peuvent repousser les limites habituelles de vitesses de balayage. Les chercheurs ont également démontré qu'il est possible de résoudre plusieurs composantes de fréquence simultanément ou de suivre les changements rapides de fréquence d'un signal. Cela fait des analyseurs de spectre ultra-rapides basés sur les STNO une technologie très prometteuse qui leur ouvre un nouveau champ d'applications.
Pour en savoir plus : Schéma expérimental de l’analyseur de spectre à balayage en fréquence avec STNO.
Un courant DC IDC induit une oscillation entretenue d’une couche magnétique, ce qui crée un signal microondes aux bornes du STNO. Grâce aux propriétés non-linéaires de l’aimantation, la fréquence du STNO fSTNO est balayée par un signal VSW en dents de scie à période T. Le signal micro-onde modulé est ensuite mélangé avec le signal externe Vin à fréquence inconnue. Le signal mélangé passe dans un filtre adapté, induisant un pic étroit Vspec dont la position en temps to 0 < to < T indique la fréquence du signal Vin. Les deux graphes montrent un exemple pour lequel la fréquence du STNO est balayée entre 8,8 et 9,4 GHz et la fréquence du signal Vin varie en forme de dents de scie. Graphe du haut : pics Vspec pour 14 périodes consécutives de balayage à T = 50 ns. Graphe du bas : représentation, sous forme d’un spectrogramme fréquence-temps, de l’évolution temporelle de la fréquence pour les 14 périodes consécutives, montrant que l’analyseur de spectre à base d’un STNO peut résoudre et détecter, sur une échelle de 50 ns, la variation en fréquence du signal externe Vin.
Collaboration : Université d’Oakland, Rochester, USA & INL, Braga, Portugal.
Financement : ERC Magical.