Les peignes de fréquence optique basés sur des microrésonateurs permettent une distance optique très précise à une vitesse de 100 millions de mesures par seconde - publication dans Science :Les scientifiques du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) et de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) ont démontré la mesure de distance la plus rapide à ce jour. Les chercheurs ont démontré un échantillonnage à la volée d'un profil de balle d'arme à feu avec une précision micrométrique. L'expérience s'est appuyée sur un peigne de fréquence soliton généré dans un microrésonateur optique à puce en nitrure de silicium. Les applications potentielles comprennent des caméras 3D en temps réel basées sur des systèmes LIDAR très précis et compacts.

Depuis des décennies, métrologie à distance au moyen de lasers, également connu sous le nom de LIDAR (détection et télémétrie de lumière par laser), est une méthode établie. Aujourd'hui, les méthodes de mesure de distance optique sont appliquées dans une grande variété d'applications émergentes, comme la navigation d'objets autonomes, par exemple. drones ou satellites, ou le contrôle des processus dans les usines intelligentes. Ces applications sont associées à des exigences très strictes en matière de vitesse et de précision de mesure, ainsi que la taille des systèmes optiques de mesure de distance. Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Christian Koos de l'Institut de photonique et d'électronique quantique (IPQ) du KIT et l'équipe du professeur Tobias Kippenberg de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) ont commencé à relever ce défi dans une activité commune, visant un concept de système LIDAR ultra-rapide et très précis qui rentrera un jour dans une boîte d'allumettes. Les bases de ce concept ont maintenant été publiées dans la revue scientifique Science. Pour démontrer la viabilité de leur approche, les scientifiques ont utilisé une balle de fusil volant à une vitesse de 150 m/s. "Nous avons réussi à échantillonner la structure de surface du projectile à la volée, atteindre une précision micrométrique", Le professeur Koos commente, "À cette fin, nous avons enregistré 100 millions de valeurs de distance par seconde, correspondant à la mesure de distance la plus rapide démontrée jusqu'à présent."

Cette démonstration a été rendue possible par un nouveau type de source lumineuse à puce développée à l'EPFL, générer des peignes de fréquence optique. Les peignes sont générés dans des microrésonateurs optiques, minuscules structures circulaires, qui sont alimentés par la lumière à onde continue d'une source laser. Grâce à des processus optiques non linéaires, la lumière laser est convertie en impulsions optiques stables – des solitons de Kerr dissipatifs – formant un train d'impulsions régulier qui présente un spectre optique à large bande. Le concept repose essentiellement sur des microrésonsateurs en nitrure de silicium de haute qualité avec des pertes ultra-faibles, qui ont été produites au Centre de MicroNanotechnologie (CMi) de l'EPFL. « Nous avons développé des résonateurs optiques à faibles pertes, dans laquelle des intensités optiques extrêmement élevées peuvent être générées - une condition préalable pour les peignes de fréquence à solitons, " déclare le professeur Tobias Kippenberg de l'EPFL, « Ces peignes de fréquence dits Kerr ont rapidement trouvé leur place dans de nouvelles applications au cours des années précédentes.

Dans leurs manifestations, les chercheurs ont combiné les résultats de différents domaines. "Dans les années passés, nous avons largement étudié les méthodes de communications ultra-rapides utilisant des sources de peigne de fréquence à l'échelle de la puce, " explique Christian Koos de KIT. " Nous transférons maintenant ces résultats vers un autre domaine de recherche - les mesures de distance optique. " En 2017, les deux équipes ont déjà publié un article commun dans Nature, rapport sur le potentiel des sources de peignes à solitons à l'échelle d'une puce dans les télécommunications optiques. En principe, Les peignes à fréquence optique sont constitués de lumière avec une multitude de longueurs d'onde définies avec précision - le spectre optique ressemble alors aux dents d'un peigne. Si la structure d'un tel peigne est connue, le motif d'inférence résultant de la superposition d'un deuxième peigne de fréquence peut être utilisé pour déterminer la distance parcourue par la lumière. Plus les peignes de fréquence sont larges, plus la précision de mesure est élevée. Dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé deux micropuces optiques pour générer une paire de peignes de fréquence presque identiques.

Les scientifiques considèrent leur expérience comme une première démonstration de la technique de mesure. Bien que la combinaison démontrée de précision et de vitesse dans l'expérience de télémétrie soit une étape importante en soi, les chercheurs visent à poursuivre les travaux et à éliminer les derniers obstacles à l'application technique. Par exemple, la portée de la méthode est encore limitée à des distances typiques inférieures à 1 m. De plus, les processeurs standard actuels ne permettent pas une évaluation en temps réel de la grande quantité de données générées par la mesure. Les activités futures se concentreront sur une conception compacte, permettant une portée très précise tout en s'intégrant dans le volume d'une boîte d'allumettes. 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.

Les capteurs envisagés pourraient servir une grande variété d'applications, par exemple., pour le contrôle en ligne à haut débit de pièces mécaniques de haute précision dans les usines numériques, remplacer l'inspection de pointe d'un petit sous-ensemble d'échantillons par une métrologie à distance laborieuse. De plus, le concept LIDAR pourrait ouvrir la voie à des caméras 3D performantes au format micropuce, qui peuvent trouver des applications répandues dans la navigation autonome.