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Un nouveau laser aide le LiDAR pour les voitures sans conducteur
Une équipe de collaboration internationale de l'EPFL et de l'Université de Purdue a développé un laser intégré hybride qui pourrait contribuer à la prochaine génération de LiDAR pour l'industrie automobile.
Les lasers sont omniprésents dans la science et la technologie : ils soignent les yeux, permettent les communications optiques à grande vitesse, créent de nouveaux états de la matière et peuvent même détecter les ondes gravitationnelles. Les lasers sont également utilisés dans des applications telles que les capteurs 3D pour la conduite autonome ou la détection spectroscopique des gaz à effet de serre, ils ont ouvert un tout nouveau domaine de traitement des matériaux, ils peuvent manipuler les atomes et les ions dans le régime quantique et peuvent être utilisés pour créer les horloges atomiques les plus précises.
Le potentiel d'innovation créé par les lasers ne peut être surestimé ; il n'y a guère de technologie moderne qui soit aussi omniprésente que la lumière laser cohérente. Cependant, la technologie et les principes des lasers ont peu évolué au cours des 50 dernières années, et la majorité des lasers utilisés commercialement sont encore basés sur des schémas techniques anciens. Dans le même temps, la base technologique de la photonique a fondamentalement changé au cours de la dernière décennie, sous l'effet de l'avènement de plates-formes d'intégration photonique telles que le nitrure de silicium, qui ont désormais atteint leur maturité industrielle.
L'intégration photonique nous permet de construire des systèmes compacts avec une évolutivité sans précédent. Mais jusqu'à présent, il a été difficile de miniaturiser des sources laser à largeur de ligne étroite. Bien que les lasers intégrés soient étudiés depuis plus d'une décennie, ils ne parviennent pas à obtenir un bruit de phase similaire à celui des lasers à fibre les plus modernes.
Une exigence contradictoire pour toute source laser est d'atteindre simultanément l'agilité en fréquence ; c'est-à-dire qu'une fréquence laser peut être actionnée à grande vitesse. L'agilité en fréquence des sources laser à largeur de raie étroite est essentielle pour de nombreuses applications de métrologie des fréquences ainsi que pour la génération de signaux à fréquence variable triangulaires nécessaires à la télémétrie par ondes continues modulées en fréquence (FMCW LiDAR) - l'une des technologies les plus convoitées en matière de LiDAR à longue portée.
Les lasers les plus stables à ce jour n'ont pas la capacité de s'accorder rapidement et ne sont pas compatibles avec la fabrication à l'échelle de la plaquette, une exigence essentielle pour les applications destinées aux marchés de masse. L'obtention d'une largeur de raie étroite et d'une agilité en fréquence est un défi exceptionnel qui n'a été réalisé ni dans les lasers de masse ni dans une plateforme intégrée à ce jour.
Aujourd'hui, une collaboration entre l'EPFL et l'Université de Purdue a fait des progrès significatifs dans le domaine des lasers accordables intégrés hybrides. Le groupe a réussi à démontrer un laser compact présentant simultanément un bruit ultra faible et une vitesse d'accord rapide. Cette réalisation, publiée dans Nature Communications, réduit considérablement le coût de production et permet de créer de nouvelles sources laser pour la télémétrie optique. Elle pourrait permettre d'éliminer le compromis permanent entre les lasers à fibre et les lasers à diode et de fournir une solution unique compatible avec la fabrication à l'échelle de la tranche.
En combinant la fabrication de MEMS (Purdue ) avec des circuits photoniques à base de nitrure de silicium, fabriqués au centre de MicroNanoTechnologie (CMi) de l'EPFL, les chercheurs ont réussi à atteindre pour la première fois un faible bruit de phase comparable à celui d'un laser à fibre, tout en obtenant un accord d'une rapidité sans précédent. Leur approche est basée sur la technique de verrouillage par auto-injection du laser, qui permet de réduire la largeur de ligne du laser libre d'au moins quatre ordres de grandeur.
Pour illustrer tout le potentiel, les auteurs utilisent le laser pour réaliser une expérience de télémétrie optique. La télémétrie par laser cohérent est une technologie LIDAR de nouvelle génération qui suscite un grand intérêt commercial. Pourtant, aucune source laser intégrée n'a répondu aux exigences strictes de linéarité et de vitesse d'accord. Les auteurs démontrent un impressionnant LiDAR FMCW cohérent dans un environnement de laboratoire avec une résolution de distance de 12 cm et une vitesse d'accord de 100 kHz, reconstruisant la scène à 10 m du laser.
"Ce qui est remarquable dans ce résultat, c'est que le laser permet la télémétrie optique sans aucune procédure de linéarisation complexe supplémentaire", explique Tobias J. Kippenberg, professeur de physique à la Faculté des sciences fondamentales de l'EPFL.
Ces travaux constituent un exemple remarquable de la photonique intégrée, qui non seulement offre une méthode de fabrication compacte à l'échelle de la tranche, mais permet également d'obtenir des performances impossibles à atteindre avec les lasers classiques en vrac, développés, optimisés et perfectionnés depuis plusieurs décennies. Cela souligne l'énorme potentiel de la photonique intégrée hybride à très faibles pertes pour le développement de lasers compacts à largeur de ligne très étroite pour la prochaine génération de LiDAR et de communications cohérentes à long terme.
Les échantillons de puces ont été fabriqués au centre de MicroNanoTechnologie (CMi) de l'EPFL, et au Birck Nanotechnology Center de l'Université de Purdue.
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Grigory Lihachev, Johann Riemensberger, Wenle Weng, Junqiu Liu, Hao Tian, Anat Siddharth, Viacheslav Snigirev, Vladimir Shadymov, Andrey Voloshin, Rui Ning Wang, Jijun He, Sunil A. Bhave & Tobias J. Kippenberg. Low-noise frequency-agile photonic integrated lasers for coherent ranging. Nature Communications 13: 3522 (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-30911-6