Accélérer un capteur LiDAR avec des circuits photoniques

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Une illustration des ondes LiDAR. Crédit : Johann Riemensberger

Une illustration des ondes LiDAR. Crédit : Johann Riemensberger

Le LiDAR est une technologie utilisée pour mesurer des distances avec de la lumière laser. Dans une étude qui a fait l’objet d’une publication dans Nature, des chercheurs de l’EPFL montrent une nouvelle manière d’accélérer un type de capteur LiDAR en utilisant des circuits photoniques.

La télédétection par laser (LiDAR pour light detection and ranging) comprend une série de technologies qui utilisent la lumière laser pour mesurer des distances en multipliant le laps de temps entre l’émission et la réception d’un signal optique par la vitesse de la lumière. Les capteurs LiDAR 3D modernes combinent des résolutions latérale/verticale et radiale élevées et constituent des éléments clés pour la révolution actuelle des voitures autonomes de niveaux 4 et 5.

L’importance de la détection LiDAR 3D remonte au concours de voitures autonomes organisé par DARPA en 2007, avec l’introduction des premiers capteurs lasers rotatifs à barrettes de Velodyne, qui mesuraient jusqu’à 128 raies lasers en parallèle. Les capteurs LiDAR les plus modernes s’appuient sur le principe de la mesure à temps de vol: de courtes impulsions ou des diagrammes d’impulsions sont émis par l’ouverture du capteur et la lumière réfléchie est détectée à l’aide d’un photodétecteur quadratique.

La télémétrie laser à détection cohérente, avec principalement le LiDAR à ondes continues modulées en fréquence (FMCW pour frequency-modulated continuous wave), repose sur un autre principe: le laser est configuré pour émettre des chirps de fréquence optique linéaire. Le mélange hétérodyne avec une réplique de la lumière laser émise caractérise la distance de la cible à une radiofréquence.

La détection cohérente présente plusieurs avantages intrinsèques tels que l’amélioration de la résolution en distance et la détection directe de la vitesse grâce à l’effet Doppler. En outre, elle résiste mieux aux reflets du soleil et est à l’abri des interférences. Toutefois, jusqu’à présent, la complexité technique de contrôler précisément les lasers à largeur de raie étroite agiles en fréquence a empêché de paralléliser avec succès un LiDAR FMCW.

Des chercheurs du laboratoire de Tobias Kippenberg, à l’EPFL, ont trouvé un nouveau moyen de réaliser un capteur LiDAR FMCW parallèle en utilisant une circuiterie photonique non linéaire intégrée. Ils ont introduit un unique laser FMCW dans un microrésonateur planaire en nitrure de silicium, où l’onde lumineuse laser est convertie en un train d’impulsions optiques stables du fait du double équilibre dispersion/non-linéarité et pertes/pompage de cavité laser.

Cette étude a été publiée dans Nature.

«Etonnamment, la formation du soliton de Kerr dissipatif non seulement persiste lors du chirp du laser de pompe, mais transfère fidèlement le chirp à toutes les dents de peigne générées», explique Johann Riemensberger, chercheur postdoctoral au sein du laboratoire de Tobias Kippenberg et auteur principal de l’étude.

La petite taille du microrésonateur implique que les dents du peigne sont espacées de 100 GHz, ce qui suffit pour les séparer en utilisant la diffraction optique standard. Comme chaque dent du peigne hérite de la fluctuation linéaire du laser de pompe, il a été possible de créer jusqu’à 30 canaux LiDAR FMCW 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 fait que l’instrument n’est pas sensible aux interférences entre canaux. De plus, il convient naturellement à la cointégration avec des réseaux optiques à commande de phase qui ont été déployés récemment, fondés sur des émetteurs de réseaux optiques photoniques intégrés.

La séparation spatiale des faisceaux émis et le fonctionnement dans une bande de longueur d’onde de 1550 nm permettent d’assouplir les restrictions de sécurité pour les yeux et les caméras, qui sont sinon strictes. «La technologie mise au point ici à l’EPFL pourrait multiplier les taux d’acquisition de LiDAR FMCW par un facteur de dix dans un avenir proche», souligne Anton Lukashchuk, doctorant au sein du laboratoire de Tobias Kippenberg.

Le concept se fonde sur des microrésonateurs de haute qualité en nitrure de silicium présentant les pertes les plus faibles parmi les plateformes de guide d’ondes planaires non linéaires, produites au Centre de micronanotechnologie (CMi) de l’EPFL. Les microrésonateurs en nitrure de silicium sont déjà disponibles sur le marché auprès de LiGENTEC SA, société essaimée de l’EPFL qui s’est spécialisée dans la fabrication de circuits intégrés photoniques (PIC) en nitrure de silicium.

Ce travail pose les bases d’une application généralisée des LiDAR cohérents pour les véhicules autonomes à l’avenir. Les chercheurs se concentrent désormais sur la cointégration hétérogène d’un laser, de microrésonateurs non linéaires à faible perte et de photodétecteurs en un ensemble photonique compact et unique.

Johann Riemensberger, Nik Papageorgiou