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Vers des lidars photoniques intégrés grâce à des réseaux optiques serpentins

Enguerrand Armanet

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Vers des lidars photoniques intégrés grâce à des réseaux optiques serpentins

Une puce photonique sur silicium pour remplacer les systèmes de miroirs utilisés par les lidar ? C'est la piste creusée par une équipe de chercheurs des universités de Boston et du Colorado, qui utilisent des réseaux à commande de phase passifs.

Une équipe de chercheurs des universités de Boston et du Colorado a démontré qu’il était possible de réaliser un balayage laser analogue à celui d’un Lidar à partir d’une puce photonique sur silicium. De quoi envisager de réduire le coût et la taille de cet équipement crucial pour la voiture autonome. Leurs résultats ont été publiés dans Optica le 17 juin 2020.

La technologie de détection et télémétrie laser (Lidar pour Light Detection an Ranging) est une technique de mesure utilisée pour faire du mapping en 3D et détecter des obstacles. Ces télémètres utilisent classiquement un système de miroirs rotatifs qui dirige un laser unique. Outre leur coût élevé, ils sont trop encombrants pour s’adapter à de nombreuses applications. L’utilisation d’un système photonique sur puce de silicium à la place permettrait de bénéficier de la miniaturisation et du bas coût de l’industrie des semi-conducteurs.

Les réseaux à commande de phase optiques permettent en effet, en jouant sur les déphasages entre les différents éléments émetteurs d’un réseau 2D, de diriger un faisceau laser pour balayer l’espace. Mais ils nécessitent, pour chaque élément émetteur, un circuit déphaseur, encombrant et consommateur d’énergie. De quoi empêcher de réaliser des sources suffisamment grandes (à grande ouverture)  – donc nécessitant un grand nombre d’éléments émetteurs - avec cette approche.

Jouer sur la longueur d'onde pour balayer l'espace

Pour dépasser cette limite, l’équipe universitaire a développé une autre manière de diriger le faisceau laser, sans utiliser de déphaseur. Leur système photonique, baptisé réseau à commande de phase optique serpentin, est passif et plus facile à contrôler. Il consiste en une structure de guide d’ondes composée de guides d’ondes à grilles alignés et reliés en série – formant un serpent. Cette structure dirige le faisceau selon deux dimensions en décalant la longueur d’onde du laser incident. A chaque direction correspond une longueur d’onde. Le balayage spatial est en quelque sorte réalisé en balayant les longueurs d’onde.

Le dispositif réalisé par les chercheurs atteint une surface émettrice de 1 cm². Il permet de balayer 16 500 points (27 x 610), en émettant entre 1450 et 1650 nm. De quoi estimer, comme l’écrivent les chercheurs en conclusion, qu’il s’agit « d’une solution prometteuse pour obtenir de grandes ouvertures de guidage de faisceau 2D facilement contrôlables, exigées par des applications telles que le lidar photonique intégré à longue portée. »

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