Du chaos à la lumière

Illustration du nuage de points LiDAR du Rolex Learning Center, EPFL. Crédit : Anton Lukashchuk (EPFL)

Illustration du nuage de points LiDAR du Rolex Learning Center, EPFL. Crédit : Anton Lukashchuk (EPFL)

Des chercheurs de l'EPFL ont exploité les états chaotiques de la lumière dans des microrésonateurs optiques pour la télémétrie laser avancée.

La transition vers le chaos est omniprésente dans les systèmes non linéaires. Les microrésonateurs Kerr à base de puces photoniques à ondes continues présentent un chaos spatio-temporel, également connu sous le nom d'instabilité de modulation chaotique.

Pendant plus de quinze ans, ces états d'instabilité de modulation ont été considérés comme impraticables pour des applications comparées à leurs équivalents en état de lumière cohérente, tels que les états de soliton. Ces derniers ont été la pièce maîtresse de nombreuses démonstrations d'applications très médiatisées, allant de la communication optique à longue portée à l'informatique photonique.

Aujourd'hui, des chercheurs du groupe de Tobias Kippenberg à l'EPFL ont trouvé un nouveau moyen d'exploiter les caractéristiques uniques des peignes de fréquence chaotiques pour mettre en œuvre une télémétrie laser massivement parallèle sans ambiguïté et sans interférence en utilisant l'amplitude aléatoire intrinsèque et la modulation de phase des lignes de peigne chaotiques.

La recherche introduit un nouveau paradigme pour la télémétrie laser massivement parallèle utilisant des états incohérents et chaotiques de la lumière dans des microrésonateurs optiques. Cette approche innovante offre des avantages significatifs par rapport aux méthodes conventionnelles et ouvre de nouvelles possibilités d'applications dans divers domaines.

Le concept de cette nouvelle technique de télémétrie laser est basé sur le principe de la modulation aléatoire à ondes continues (RMCW), où la modulation aléatoire de l'amplitude et de la phase d'une porteuse est utilisée pour interroger une cible en utilisant la corrélation croisée de l'amplitude et de la fréquence au niveau du détecteur.

Contrairement aux systèmes conventionnels à ondes continues (CW), qui reposent sur une modulation externe, l'approche développée à l'EPFL utilise l'amplitude aléatoire inhérente et la modulation de phase des lignes de peigne chaotiques dans un microrésonateur optique. Le système peut prendre en charge des centaines de porteuses optiques multicolores indépendantes, ce qui permet une télémétrie et une vélocimétrie laser massivement parallèles.

La technologie RMCW devient de plus en plus attrayante, et plusieurs sociétés LiDAR utilisent cette approche dans leurs produits commerciaux. "À l'ère des véhicules sans pilote, l'immunité aux interférences mutuelles avec d'autres LiDAR et sources de lumière ambiante rend cet avantage de la RMCW significatif", explique Anton Lukashchuk, étudiant en doctorat dans le laboratoire de Kippenberg et premier auteur de l'étude. "En outre, notre approche n'exige pas de conditions strictes en matière de bruit de fréquence, d'agilité de réglage et de linéarité des lasers, et ne nécessite pas de routines d'initiation de la forme d'onde.

Johann Riemensberger, post-doctorant au laboratoire de Kippenberg et co-auteur de l'article, ajoute : "Il est surprenant de constater que le fonctionnement dans le régime d'instabilité de la modulation chaotique s'accompagne d'une modulation du signal à large bande des lignes de peigne, dépassant souvent la largeur de bande de résonance et permettant d'obtenir une résolution de portée à l'échelle du centimètre. En outre, les micropeignes chaotiques sont peu gourmands en énergie, thermiquement stables, simples à utiliser et offrent un spectre optique plat."

La percée de l'équipe ouvre de nouvelles possibilités pour la télémétrie optique, la communication à spectre étalé, la cryptographie optique et la génération de nombres aléatoires. Les résultats de cette recherche ne font pas seulement progresser notre compréhension de la dynamique chaotique dans les systèmes optiques, mais fournissent également des solutions pratiques pour la télémétrie laser de haute précision dans divers domaines.

Les échantillons de puce ont été fabriqués au Centre de micro-nanotechnologie de l'EPFL (CMi).

Financement

Bureau de la recherche scientifique de l'armée de l'air

Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS)

Centre européen de technologie spatiale avec l'ESA

UE Horizon 2020

Références

Anton Lukashchuk, Johann Riemensberger, Aleksandr Tusnin, Junqiu Liu, Tobias J. Kippenberg. Chaotic microcomb-based parallel ranging. Nature Photonics 20 juillet 2023. DOI: 10.1038/s41566-023-01246-5