Record de vitesse réalisé en mesure optique de distance

La mesure de distance la plus rapide jamais réalisée à ce jour a été enregistrée par des scientifiques du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) et de l’EPFL. Les chercheurs en ont fait la démonstration en utilisant le profil d’une balle d’arme à feu tirée à la volée et un peigne de fréquence formé par une onde circulant dans un micro-résonateur optique intégré sur puces en nitrure de silicium. Cette avancée pourrait trouver des applications dans la fabrication de caméras 3D en temps réel, basées sur des systèmes LIDAR compacts et de haute précision.

La métrologie de distance par laser, également connue sous le nom de LIDAR (détection et estimation de distance par laser), est une méthode largement éprouvée. Aujourd'hui, les mesures optiques de distance sont employées dans une grande variété d'applications émergentes, telles que la navigation de véhicules autonomes - drones ou satellites par exemple - ou le contrôle de processus dans les usines intelligentes. Ces utilisations requièrent des exigences très strictes en matière de vitesse et de précision, ainsi que de taille des systèmes optiques de mesure.

Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Christian Koos, de l'Institut de Photonique et d'Électronique Quantique (IPQ) du KIT a collaboré avec celle du professeur Tobias Kippenberg de l'EPFL pour relever le défi. Leur but: élaborer un concept de système LIDAR ultra-rapide et précis, qui s'intégrera un jour dans une boîte d'allumettes. Les premiers résultats de leur travail font l’objet d’une publication dans la revue Science.

Pour démontrer la viabilité de leur approche, les scientifiques se sont servis d'une balle tirée à une vitesse de 150 m/s. «Nous avons réussi à échantillonner la structure superficielle du projectile à la volée, avec une précision micrométrique, commente Christian Koos. Pour ce faire, nous avons enregistré 100 millions de valeurs de distance par seconde, ce qui correspond à la mesure de distance la plus rapide jamais démontrée.»

Nouveau type de source lumineuse

Cette expérience a été rendue possible par un nouveau type de source lumineuse sur puce générant des peignes de fréquence optique, qui a été développé à l’EPFL. Les peignes sont produits dans des micro-résonateurs optiques, soit de minuscules structures circulaires alimentées par la lumière d'une source laser continue. Grâce à des effets optiques non linéaires, la lumière laser est convertie en ondes optiques stables - appelées solitons dissipatifs de Kerr - formant ainsi un train régulier d'impulsions avec un spectre optique à large bande. Le concept repose essentiellement sur des micro-résonateurs en nitrure de silicium de haute qualité et à très faibles pertes, produits au Centre de MicroNanotechnologie (CMi) de l'EPFL.

«Nous avons mis au point ces résonateurs, dans lesquels des intensités optiques extrêmement élevées peuvent être générées, ce qui est une condition préalable indispensable pour les peignes de fréquence, explique Tobias Kippenberg. Ces peignes de fréquence de Kerr ont rapidement trouvé leur place dans de nouvelles applications au cours des années précédentes.»

Dans leur démonstration, les chercheurs ont combiné des résultats de différents domaines. «Par le passé, nous avons étudié en profondeur les méthodes de communication ultra-rapide à l'aide de sources de peignes de fréquence sur puce, explique Christian Koos. Nous transférons maintenant ces résultats dans un autre domaine de recherche: les mesures optiques de distance.»

En 2017, les deux équipes ont déjà publié un article conjoint dans Nature sur le potentiel des peignes à solitons sur puce dans les télécommunications optiques. En principe, les peignes de fréquence optique sont composés de lumière avec une multitude de longueurs d'ondes précisément définies - le spectre optique ressemble alors aux dents d'un peigne, d’où le choix de ce nom. Si une telle structure est connue, le motif d'interférence résultant de la superposition d'un deuxième peigne de fréquence peut être utilisé pour déterminer la distance parcourue par la lumière. Plus les peignes sont larges, plus la précision de mesure est élevée. Dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé deux micro-puces optiques pour générer une paire de peignes de fréquence presque identiques.

Eliminer les obstacles

Les scientifiques considèrent leur expérience comme une première démonstration de cette technique de mesure. Bien que la combinaison de précision et de rapidité obtenue dans l'expérience de télémétrie soit une étape importante en soi, les chercheurs visent à éliminer les obstacles restants. La portée de la méthode est par exemple encore limitée à des distances typiques inférieures à 1 m. De plus, les processeurs standard actuels ne permettent pas d'évaluer en temps réel la grande quantité de données générées par la mesure. Les activités futures se concentreront sur une conception compacte et une très haute précision, tout en travaillant sur la miniaturisation du système. Les micro-résonateurs en nitrure de silicium sont déjà commercialisés par LiGENTEC SA, une spin-off de l'EPFL spécialisée dans la fabrication de circuits intégrés photoniques (PIC) à base de nitrure de silicium.

Les capteurs envisagés pourraient trouver une grande variété d'applications, notamment dans le contrôle en ligne de pièces mécaniques de haute précision dans les usines numériques. En outre, le concept LIDAR pourrait ouvrir la voie à des caméras 3D de hautes performances au format de micro-puce, qui pourraient trouver des utilisations dans le domaine de la navigation autonome.