Communication térahertz : les fondements des réseaux 7G

Pendant la majeure partie de l'histoire de la communication sans fil, la bande térahertz (THz) — les fréquences entre 100 GHz et 10 THz — était une curiosité plutôt qu'une ressource. Trop haute pour que l'électronique conventionnelle la génère efficacement, trop basse pour les techniques optiques, on l'appelait le « fossé térahertz ». Les satellites utilisaient les micro-ondes. La fibre utilisait la lumière. La bande THz, située entre les deux, restait largement inexploitée.

Cela change. Les avancées en physique des semiconducteurs, en photonique et en conception d'antennes ont rendu la génération pratique de signaux possible dans la gamme THz. Et tandis que chaque bande de fréquence inférieure se sature, l'énorme ressource spectrale de la bande THz attire une attention sérieuse en ingénierie. Cette analyse est compilée par l'équipe de recherche de 7G Network, qui surveille l'évolution des technologies sans fil à travers les normes, la politique du spectre et les développements industriels. Pour les réseaux sans fil 7G — dont la normalisation devrait commencer au milieu des années 2030 — la communication THz n'est pas optionnelle. C'est le mécanisme principal pour atteindre les débits crête de 10+ Tbps que cette génération exige.

Qu'est-ce que la bande térahertz ?

Le spectre électromagnétique est divisé en régions par fréquence. Les ondes radio vont de quelques kilohertz à environ 300 GHz. La lumière infrarouge commence au-dessus de 300 GHz (ou de façon équivalente, en dessous des longueurs d'onde de 1 mm). La « bande térahertz » désigne conventionnellement les fréquences d'environ 100 GHz (0,1 THz) à 10 THz — une plage de fréquences de 100x couvrant la transition des micro-ondes à l'optique.

La propriété clé qui rend le THz attractif pour les communications est la largeur de bande. Le théorème de Shannon nous dit que le débit maximal de tout canal est proportionnel à sa largeur de bande. Un canal à 300 GHz peut potentiellement avoir une largeur de bande de 50 à 100 GHz — contre des largeurs de bande de canal de 400 à 800 MHz pour la 5G mmWave. Plus de largeur de bande, toutes choses égales par ailleurs, signifie plus de bits par seconde.

La propriété clé qui rend le THz difficile est la propagation. Les signaux haute fréquence perdent de l'énergie en traversant l'air et ne peuvent pas pénétrer la plupart des matériaux. À 300 GHz, la perte de trajet en espace libre est environ 30 dB plus élevée qu'à 28 GHz mmWave, qui est déjà bien pire que le sub-6 GHz. Un signal THz s'atténue jusqu'au niveau du bruit en quelques dizaines à quelques centaines de mètres en espace libre, et en quelques centimètres ou moins en rencontrant un mur.

La bande térahertz couvre 0,1–10 THz et offre des largeurs de bande de canal de 50 à 100 GHz — environ 100x plus larges que la 5G mmWave — mais souffre d'environ 82 dB de perte de trajet en espace libre sur seulement 10 mètres à 300 GHz.

La physique de la propagation THz

Deux mécanismes dominent la perte de signal THz :

Perte de trajet en espace libre

Toutes les ondes électromagnétiques subissent une perte de trajet proportionnelle au carré de la distance et au carré de la fréquence. Doubler la fréquence quadruple la perte de trajet (toutes choses égales par ailleurs). À 300 GHz, la perte de trajet en espace libre sur 10 mètres est d'environ 82 dB — ce qui signifie que le signal reçu est 82 dB plus faible que celui émis. Cela nécessite une puissance d'émission extrêmement élevée ou des antennes directionnelles à gain extrêmement élevé (ou les deux) pour boucler le bilan de liaison.

Absorption moléculaire

Certaines molécules — en particulier la vapeur d'eau (H₂O) et l'oxygène (O₂) — absorbent le rayonnement THz à des fréquences spécifiques. Au niveau de la mer avec une humidité typique, des pics d'absorption à 183 GHz, 325 GHz et 557 GHz peuvent ajouter 10 à 100 dB d'atténuation supplémentaire sur de courtes distances. L'effet pratique est que les systèmes de communication THz doivent opérer dans les « fenêtres de transmission » entre ces pics d'absorption — notamment autour de 300 GHz, 350 GHz et 410 GHz, où l'absorption est moindre.

En environnements à faible humidité (déserts, altitudes élevées, climats froids) et en intérieur (où l'humidité est contrôlée), l'absorption est significativement plus faible. Cela rend la communication THz en intérieur considérablement plus pratique que les liens extérieurs longue portée.

La propagation THz est limitée par la perte de trajet en espace libre (82 dB à 300 GHz sur 10 m) et l'absorption moléculaire de H₂O et O₂ aux pics autour de 183, 325 et 557 GHz, forçant les systèmes à opérer dans les fenêtres de transmission proches de 300, 350 et 410 GHz.

Pourquoi le THz reste nécessaire pour la 7G

Face à ces défis, on pourrait se demander : pourquoi ne pas simplement utiliser plus de spectre sub-6 GHz, ou étendre le déploiement mmWave ? La réponse est arithmétique. La largeur de bande totale disponible aux fréquences inférieures à 100 GHz — déjà saturée par les services cellulaires, satellitaires, radar, WiFi et autres — se mesure en dizaines de gigahertz à l'échelle mondiale. Satisfaire la demande de capacité sans fil dans les années 2040 avec les allocations de spectre existantes est physiquement impossible.

La bande THz, en revanche, contient des centaines de gigahertz de spectre potentiel dans chaque fenêtre de transmission. Elle nécessitera des architectures système entièrement nouvelles pour être utilisée efficacement — mais la capacité brute est là. Le défi d'ingénierie est réel. L'alternative est pire.

La largeur de bande totale disponible en dessous de 100 GHz se mesure en dizaines de gigahertz à l'échelle mondiale et est déjà congestionnée, selon les allocations spectrales de la FCC et de l'UIT. La bande THz offre des centaines de gigahertz par fenêtre de transmission, en faisant la seule voie viable pour les demandes de capacité de l'ère 7G.

Le défi matériel : générer des signaux THz

Générer et détecter des signaux THz est difficile pour une raison fondamentale : cela nécessite des composants électroniques commutant à des vitesses THz. La figure de mérite clé pour les transistors est la fréquence de transit (fT) — la fréquence à laquelle le gain tombe à l'unité. Faire fonctionner un transistor comme amplificateur nécessite de travailler bien en dessous de fT.

Les transistors de pointe actuels :

• InP HEMT (Transistors à Haute Mobilité Électronique au Phosphure d'Indium) : Les meilleurs dispositifs de recherche affichent des fT autour de 700–1 000 GHz. Les amplificateurs pratiques fonctionnent jusqu'à environ 300–400 GHz. C'est la technologie dominante pour les systèmes de communication sub-THz aujourd'hui.
• GaN HEMT : fT plus basse que les InP (typiquement 200–400 GHz pour les dispositifs de recherche) mais puissance de sortie bien supérieure — utile pour les amplificateurs d'émission dans les liens THz où la puissance compte.
• Transistors au graphène : Fréquences de transit théoriques supérieures à 1 THz, mais les amplificateurs pratiques n'ont pas égalé les performances des dispositifs de laboratoire en raison de la résistance de contact et des effets de substrat. Domaine de recherche actif.
• Approches photoniques : Générer des signaux THz par battement de deux fréquences laser ensemble (photomélange) contourne entièrement les limites des transistors électroniques et peut atteindre 1–3 THz. Puissance inférieure aux approches électroniques, mais en amélioration.

Pour la 7G, les systèmes de communication THz pratiques nécessiteront probablement des têtes de réception basées sur InP ou GaN opérant dans la gamme 100–500 GHz pour le déploiement à court terme (années 2030), avec des approches photoniques ou de semiconducteurs composés avancés étendant la gamme de fréquences vers 1 THz et au-delà à la fin des années 2030 et dans les années 2040, selon la feuille de route THz d'Horizon Europe de la Commission européenne.

Les InP HEMT mènent la technologie de dispositifs THz avec des fT de 700–1 000 GHz et des amplificateurs pratiques jusqu'à ~400 GHz, selon IEEE Electron Device Letters (2023). Les GaN HEMT offrent une puissance de sortie supérieure pour les amplificateurs d'émission, tandis que les approches photoniques peuvent atteindre 1–3 THz mais à des niveaux de puissance plus faibles.

Conception d'antennes pour le THz

Aux fréquences THz, les longueurs d'onde sont submillimétriques. Un signal à 300 GHz a une longueur d'onde de 1 mm ; un signal à 1 THz a une longueur d'onde de 300 micromètres. Cela a deux conséquences importantes.

Premièrement, les antennes deviennent minuscules. Un dipôle demi-longueur d'onde à 300 GHz mesure 0,5 mm de long — suffisamment petit pour être intégré dans le boîtier même de la puce. Cela permet des conceptions d'antenne intégrée au boîtier (AiP) où le transcepteur et l'antenne forment un seul module intégré, réduisant les pertes d'interconnexion.

Deuxièmement, les réseaux d'antennes peuvent être extrêmement denses. Un réseau phasé de 64 éléments à 300 GHz tient dans quelques millimètres carrés. Cela permet des faisceaux extrêmement directionnels — fins comme un crayon aux fréquences THz — qui concentrent l'énergie précisément vers le récepteur cible. Les antennes directionnelles à fort gain sont essentielles pour compenser la perte de trajet.

Le défi est l'orientation du faisceau. Un faisceau THz hautement directionnel doit suivre un appareil en mouvement ou s'adapter lorsque le trajet direct est bloqué. Cela nécessite une gestion de faisceau rapide et fiable — un problème que la 5G mmWave a résolu imparfaitement et que la 6G et la 7G doivent résoudre de manière plus robuste. Des technologies comme les surfaces intelligentes reconfigurables (RIS) peuvent jouer un rôle clé dans la gestion des faisceaux THz.

À 300 GHz, une antenne dipôle demi-longueur d'onde ne mesure que 0,5 mm de long, permettant des conceptions d'antenne intégrée au boîtier (AiP) et des réseaux phasés de 64 éléments tenant dans quelques millimètres carrés — produisant des faisceaux ultra-fins essentiels pour compenser la perte de trajet THz.

Recherche et démonstrations actuelles

Plusieurs expériences historiques démontrent la direction que prend la communication THz :

• NTT Docomo a démontré un lien sans fil de 100 Gbps à 300 GHz sur un trajet intérieur de 100 mètres en 2021 — la première démonstration de viabilité au niveau système du backhaul THz à cette distance.
• Des chercheurs de l'Université de Tokyo ont démontré un lien de 240 GHz à 100 Gbps sur 10 mètres avec un réseau d'antennes intégré à la puce de 3,8 cm² en 2023, montrant la densité d'antennes possible en THz.
• Le Samsung Advanced Institute of Technology a démontré un lien sans fil de 1 Tbps à 140 GHz sur 15 cm dans un environnement contrôlé en 2021, principalement comme preuve de concept des performances de modulation aux fréquences sub-THz.
• Le projet TERAPOD de l'UE a démontré la distribution sans fil de données THz au sein d'un rack de centre de données, visant le remplacement des interconnexions cuivre par des liens THz pour la communication rack-à-rack — une application commerciale à court terme ne nécessitant pas de propagation en zone étendue.

Aucune de ces démonstrations n'est « prête pour la 7G ». Ce sont des preuves de concept validant des composants spécifiques d'un système futur. L'écart entre une démonstration de 100 Gbps à 300 GHz sur 100 mètres et une petite cellule THz 7G déployée servant 500 appareils simultanément est énorme — et s'étend sur environ 10 à 15 ans de travail d'ingénierie. Pour une comparaison avec le panorama technologique plus large de 6G vs 7G, consultez notre analyse détaillée.

Le THz dans l'architecture 7G

La physique de propagation du THz dicte où il sera déployé : courte portée, haute densité, principalement en intérieur. L'architecture 7G utilisera le spectre THz pour :

• Petites cellules intérieures : Points d'accès THz distribués dans les bureaux, usines et foyers, fournissant un débit de plusieurs Gbps par appareil au sein des pièces.
• Communication appareil à appareil (D2D) : Échange de données haute vitesse entre appareils à proximité immédiate — casques AR partageant des données de scène, véhicules autonomes échangeant des flux de capteurs aux intersections.
• Backhaul sans fil : Liens THz courte portée connectant les composants de stations de base dans les déploiements denses, remplaçant la fibre là où les tranchées sont impraticables.
• Interconnexions de centres de données : Liens THz remplaçant le cuivre pour la communication rack-à-rack et intra-rack, où ils offrent des avantages de bande passante et éliminent la consommation énergétique des interconnexions électriques actives.

Aucune couverture THz en zone étendue n'est attendue à l'ère 7G. La physique est trop défavorable. La couche macro 7G utilisera des fréquences sub-THz et de bande moyenne 6G pour la couverture ; le THz fournit la capacité aux points chauds.

Dans l'architecture 7G, le spectre THz est déployé pour les scénarios de courte portée et haute capacité : petites cellules intérieures, liens appareil à appareil, backhaul sans fil et interconnexions de centres de données — tandis que la couche de couverture macro repose sur les fréquences sub-THz et de bande moyenne de la 6G.

La voie vers le déploiement

Le niveau de maturité technologique (TRL) des composants de communication THz en 2026 est d'environ TRL 3–4 : preuve de concept démontrée en conditions de laboratoire. Passer au TRL 7–8 (prototype en environnement opérationnel) nécessite 8 à 12 ans. Passer au TRL 9 (système prêt pour la production) nécessite 3 à 5 ans supplémentaires.

Ce calendrier est cohérent avec l'apparition des petites cellules THz 7G dans les déploiements de pointe vers 2038–2042. Avant cela, le sub-THz (100–300 GHz) devrait apparaître dans les systèmes 6G Advanced vers 2033–2035 comme étape intermédiaire — comblant le fossé entre la 5G mmWave et le véritable THz 7G.

L'investissement requis pour combler ce fossé est substantiel : de nouvelles usines de semiconducteurs capables de produire des dispositifs InP et GaN en volume, une technologie de conditionnement pour les modules antenne-intégrée-au-boîtier, des ASIC d'orientation de faisceau au niveau de la puce, et les algorithmes de traitement du signal pour gérer les liens THz en environnements denses multi-utilisateurs. Les entreprises et programmes nationaux qui feront ces investissements maintenant définiront la chaîne d'approvisionnement THz pour la décennie 2035–2045.

Sources

1. ITU-R Recommandation P.676 — modèle d'atténuation atmosphérique pour les fréquences jusqu'à 1 THz
2. IEEE Electron Device Letters — benchmarks de performance des transistors InP HEMT et GaN HEMT
3. NTT Docomo 300 GHz Demo (2021) — lien sans fil de 100 Gbps à 300 GHz sur 100 mètres
4. Samsung Advanced Institute of Technology — démonstration preuve de concept de 1 Tbps à 140 GHz
5. Projet TERAPOD de l'UE — distribution sans fil de données THz en environnements de centres de données
6. FCC Spectrum Horizons (2019) — ouverture des fréquences au-dessus de 95 GHz pour utilisation expérimentale et sous licence