La détection et la mesure de la lumière (LiDAR) comprend un ensemble de techniques utilisant la lumière laser pour mesurer les distances en multipliant le délai entre les signaux optiques transmis et reçus par la vitesse de la lumière. Les capteurs LiDAR 3D modernes combinent une résolution latérale/verticale et radiale élevée, et sont des éléments clés de l'évolution continue des voitures autonomes de niveau 4 et 5.

L'importance de la détection LiDAR 3D a ses racines dans le défi de conduite autonome de la DARPA en 2007 avec l'introduction des premiers capteurs laser rotatifs Velodyne mesurant jusqu'à 128 lignes laser en parallèle. La plupart des capteurs LiDAR modernes reposent sur le principe de fonctionnement du temps de vol où de courtes impulsions ou des modèles d'impulsions sont émis par l'ouverture du capteur et la puissance de la lumière rétroréfléchie est détectée à l'aide d'un photodétecteur à loi carrée.

Un principe différent est celui de la télémétrie laser cohérente, le plus important LiDAR à onde continue modulée en fréquence (FMCW), où le laser est configuré pour émettre des chirps à fréquence optique linéaire. Le mélange hétérodyne avec une réplique de la lumière laser émise mappe la distance cible à une radiofréquence.

La détection cohérente présente de nombreux avantages inhérents tels qu'une résolution de distance améliorée, détection directe de la vitesse par effet Doppler, et l'imperméabilité à l'éblouissement et aux interférences du soleil. Mais la complexité technique du contrôle précis des lasers agiles en fréquence à faible largeur de raie a jusqu'à présent empêché la parallélisation réussie du FMCW LiDAR.

Maintenant, des chercheurs du laboratoire de Tobias Kippenberg à l'EPFL ont trouvé une nouvelle façon de mettre en œuvre un moteur FMCW LiDAR parallèle en utilisant des circuits photoniques non linéaires intégrés. Ils ont couplé un seul laser FMCW dans un microrésonateur planaire en nitrure de silicium, où la lumière laser à onde continue est convertie en un train d'impulsions optiques stable en raison du double équilibre de dispersion, non-linéarité, pompage et perte de cavité.

L'étude a été publiée dans La nature .

"Étonnamment, la formation du soliton de Kerr dissipatif ne persiste pas seulement lorsque le laser de pompe est chirp, mais transfère fidèlement le chirp à toutes les dents de peigne générées, " dit Johann Riemensberger, postdoc au laboratoire de Kippenberg et premier auteur de l'étude.

La petite taille du microrésonateur signifie que les dents du peigne sont espacées de 100 GHz, ce qui suffit à les séparer à l'aide d'une optique de diffraction standard. Parce que chaque dent de peigne hérite du gazouillis linéaire du laser de pompe, il était possible de créer jusqu'à 30 canaux FMCW LiDAR indépendants dans le microrésonateur.

Chaque canal est capable de mesurer simultanément la distance et la vitesse d'une cible, tandis que la séparation spectrale des différents canaux rend l'appareil insensible à la diaphonie des canaux, ainsi qu'un ajustement naturel pour la co-intégration avec des réseaux optiques à commande de phase récemment déployés basés sur des émetteurs de réseaux optiques intégrés photoniques.

La séparation spatiale des faisceaux émis et le fonctionnement dans la bande de longueur d'onde de 1550 nm assouplit les limitations de sécurité des yeux et des caméras par ailleurs strictes. "La technologie développée ici à l'EPFL pourrait décupler les taux d'acquisition de LiDAR FMCW cohérents dans un futur proche, " dit Anton Loukachtchouk, doctorat étudiant dans le laboratoire de Kippenberg.

Le concept repose sur des microrésonsateurs en nitrure de silicium de haute qualité avec des pertes record parmi les plates-formes de guides d'ondes non linéaires planaires, qui ont été produites au Centre de MicroNanotechnologie (CMi) de l'EPFL. Les microrésonateurs en nitrure de silicium sont déjà disponibles dans le commerce par la spin-off de l'EPFL LiGENTEC SA, spécialisée dans la fabrication de circuits intégrés photoniques (PIC) à base de nitrure de silicium.

Ce travail ouvre la voie à l'application généralisée de LiDAR cohérent dans les applications de véhicules autonomes à l'avenir. Les chercheurs se concentrent désormais sur la co-intégration hétérogène du laser, microrésonateurs non linéaires à faibles pertes, et photodétecteurs dans un boîtier photonique unique et compact.