LiDAR à l’échelle de puce : plus petit et moins cher grâce au laser Pockels en LiNbO₃

Comment les lasers de précision alimentent le LiDAR moderne

Les lasers sont une technologie fondamentale sous‑appréciée qui soutient le monde moderne. Ils sont utilisés dans la fabrication de semi‑conducteurs, les télécommunications à fibre optique, la gravure et l’impression, les disques optiques, la chirurgie, la mesure, les systèmes militaires, l’aérospatiale, etc.

Une application en plein essor des lasers récemment est le LiDAR (Light Detection and Ranging), ou « radar laser », une méthode qui utilise un laser pour détecter la distance d’un objet avec une précision exacte.

Les LiDAR sont utilisés par presque toutes les entreprises de conduite autonome pour alimenter leurs véhicules autonomes, constituant de grands dispositifs installés sur le toit des voitures autonomes.

Source: SFGate

Le problème du LiDAR est qu’il est assez volumineux et coûteux, rendant le déploiement de masse non rentable. Il est également très fragile, augmentant encore davantage les coûts à long terme.

Cela pourrait bien changer, grâce à une nouvelle conception de laser développée par des chercheurs de l’Université de Rochester (États‑Unis) et de l’Université de Californie (États‑Unis). Elle s’éloigne de la photonique silicium habituelle, en utilisant du lithium niobate à la place.

Ils ont publié leur découverte dans Light Science & Applications¹, sous le titre « Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology ».

Comprendre le LiDAR: Principes et Techniques

Principes de base de la mesure de distance LiDAR

Le principe de base d’un LiDAR est similaire à celui d’un radar: un signal est émis et rebondit sur un objet vers la source. Le temps entre l’émission du signal et son retour indique la distance.

La différence est que les LiDAR utilisent des rayons invisibles d’infrarouge ou parfois d’ultraviolet, au lieu des ondes radio (le « R » de RADAR – RAdio Detection And Ranging)

Source: Synopsis

Comme la lumière est extrêmement rapide, les LiDAR nécessitent un contrôle très précis des ondes laser, ce qui entraîne une grande complexité du système, des coûts élevés et une fragilité accrue.

Effet Pockels: Permettre le réglage ultrarapide du laser

Les chercheurs ont cherché à améliorer la technologie LiDAR en exploitant l’effet Pockels. Ce phénomène modifie, dans certains matériaux, l’indice de réfraction (la façon dont il dévie la lumière) lorsqu’un champ électrique est appliqué.

L’effet Pockels se manifeste dans des cristaux spéciaux tels que le monophosphate de potassium ou, dans cette étude, le lithium niobate, un sel synthétique composé de lithium, de niobium et d’oxygène.

Source: Sumimoto

Cela a permis aux chercheurs de créer un laser capable de modifier très précisément sa couleur sur un large spectre de lumière à des vitesses très élevées — environ 10 quintillions de fois par seconde.

Une application courante du lithium niobate est pour les ondes acoustiques de surface (SAW) dans les smartphones et autres appareils électroniques afin de créer des filtres qui empêchent le bruit et les interférences, de sorte que cette technologie peut s’appuyer sur une chaîne d’approvisionnement existante.

Construire un laser LiDAR Pockels à l’échelle de puce

Lithium Niobate à film mince: ingénierie à l’échelle nanométrique

Les scientifiques ont utilisé une couche mince de lithium niobate, déposée sur un substrat de dioxyde de silicium et de silicium et protégée par une couche d’oxyde de silicium.

Source: Light Science & Applications

Ils ont ensuite testé différentes variantes de la couche protectrice en silicium, trouvant l’épaisseur optimale capable de générer la plage de fréquences la plus contrôlable.

Source: Light Science & Applications

Le résultat a été un laser miniaturisé, de la taille d’une puce d’ordinateur, avec des paramètres extrêmement contrôlables pour les applications LiDAR.

“C’est un processus très important qui peut être utilisé pour des horloges optiques capables de mesurer le temps avec une précision extrême, mais il nécessite beaucoup d’équipement pour cela. Une configuration typique peut nécessiter des instruments de la taille d’un ordinateur de bureau, tels qu’un laser intrinsèque, un isolateur, un modulateur acousto‑optique et un modulateur de phase.

Notre laser peut intégrer toutes ces composantes dans une très petite puce qui peut être réglée électriquement.”

Shixin Xue – Shixin Xue, doctorant à l’Université de Rochester

Métriques de performance: Balayage de fréquence et vélocimétrie

Lors des mesures, la puce a affiché des performances qui surpassaient de loin tous les lasers existants.

Notamment, elle a atteint un « taux de balayage de fréquence » allant jusqu’à 20 EHz/s, avec une largeur de bande de modulation dépassant 10 GHz. Pour référence, ces chiffres sont plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux des lasers existants.

La puce laser pouvait atteindre une vélocimétrie de 40 m/s sur une courte distance de 0,4 m, et la résolution visuelle était <2 cm. Il est même possible que la mesure de vitesse dépasse 40 m/s, mais la configuration expérimentale n’a pas permis de réaliser des tests plus rapides.

Ces performances à courte portée sont importantes, car il s’agit d’un aspect avec lequel les systèmes LiDAR traditionnels peinent presque toujours, notamment face aux objets en mouvement rapide, un problème majeur pour la technologie de conduite autonome qui doit absolument bien voir les objets proches et rapides.

Source: Light Science & Applications

Pourquoi le LiDAR miniaturisé est important: Avantages et cas d’utilisation

Jusqu’à présent, le développement du contrôle de fréquence des lasers est resté relativement limité. Cela a créé de sévères contraintes pour le déploiement pratique des mesures laser en raison de la taille, du poids et de la consommation d’énergie de ces systèmes.

Ainsi, les voitures autonomes et autres véhicules autonomes (comme les drones) ainsi que les appareils (robotique) sont les premières possibilités évidentes pour cette technologie. Le domaine a été freiné par deux problèmes : obtenir une IA suffisamment intelligente pour conduire les voitures en toute sécurité, et le coût & taille des LiDAR pour fournir à l’IA une vision précise de son environnement. La photonique au lithium niobate pourrait résoudre le second problème juste à temps, alors que les IA deviennent suffisamment performantes pour la tâche.

Ce n’est pas la seule application des mesures laser ultra‑précises. La fabrication avancée utilise également le LiDAR pour des mesures et calibrations constantes. Les télécommunications, les communications quantiques, la production de micro‑ondes et les capteurs pourraient également bénéficier de mesures laser de poche, à faible coût et à faible consommation d’énergie.

Les scientifiques utilisent même les lasers pour mesurer les ondes gravitationnelles, observer la matière noire et d’autres calculs de physique avancée. Les vélocimètres ultra‑précis (mesure de vitesse) pourraient également être importants pour le développement d’une meilleure fusion nucléaire par confinement inertiel, ce qui pourrait aider les avancées scientifiques globales.

Investir dans la technologie laser

Les lasers sont présents dans d’innombrables parties de la technologie moderne, des disques optiques aux outils chirurgicaux, en passant par l’impression 3D, les semi‑conducteurs, la fabrication et les séquenceurs de génome, securities.io, aux États‑Unis, Canada, Australie, Royaume‑Uni, ainsi que de nombreux autres pays, avec un marché de 17,8 milliards de dollars qui devrait croître de 7,8 % CAGR d’ici 2030.

Vous pouvez investir dans des entreprises liées aux lasers via de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, Royaume‑Uni, ainsi que de nombreux autres pays.

Si vous n’êtes pas intéressé par le choix d’entreprises spécifiques, vous pouvez également vous tourner vers des ETF technologiques comme iShares U.S. Technology ETF (IYW) ou ProShares Nanotechnology ETF (TINY), même s’il n’existe pas d’ETF dédié uniquement aux lasers, ce qui offrira une exposition plus diversifiée pour capitaliser sur les actions nanotech & tech.

Principales entreprises publiques de lasers et photonique

Coherent (II-VI Marlow): Un leader de l’innovation laser

Coherent est un grand conglomérat industriel comptant plus de 26 000 employés et un leader dans la technologie laser. Il résulte de la fusion du matériau avancé II‑VI Marlow avec le fabricant de lasers Coherent.

L’entreprise est experte en matériaux avancés utilisés dans les lasers, l’optique et la photonique, tels que le phosphure d’indium, les plaquettes épitaxiales et l’arséniure de gallium.

Elle a largement grandi grâce à de multiples acquisitions au cours de la dernière décennie, passant de 600 M$ de chiffre d’affaires en 2013 à 4,7 M$ en 2024.

L’entreprise tire 29 % de ses revenus directement des lasers, le reste étant lié à des équipements associés tels que les fibres optiques et l’électronique. La catégorie instrumentation comprend principalement les sciences de la vie et les applications médicales.

Source: Coherent

La présence de l’entreprise dans les matériaux avancés comme les thermophotovoltaïques (dont nous avons parlé dans un article précédent), le carbure de silicium, les lasers et l’électronique l’aide à profiter des tendances structurelles telles que la croissance de la fabrication de précision, la fabrication additive (impression 3D), l’électrification et les énergies renouvelables.

L’entreprise a récemment séparé son activité de carbure de silicium en une nouvelle entité, détenue à 75 % par Coherent, le reste étant détenu à parts égales par ses partenaires Mitsubishi Electric (apportant la propriété intellectuelle du carbure de silicium) et Denso (apportant son activité de fournisseur automobile dans l’électrification et les semi‑conducteurs de puissance).

C’est parce que le carbure de silicium devient de plus en plus une technologie autonome, principalement utilisée dans les applications haute puissance comme les véhicules électriques, les batteries et les énergies renouvelables.

Coherent est un leader dans le LIDAR et la détection numérique 3D, y compris pour les applications de conduite autonome, la biotechnologie séquençage de nouvelle génération (NGS) Flow Cells, et les lasers pour la fabrication de semi‑conducteurs. Elle prévoit que ses principaux marchés croîtront de 8 à 20 %.

Source: Coherent

Les autres applications potentielles des lasers, comme les armes à énergie directe, l’informatique photonique, la fusion nucléaire et les technologies spatiales, pourraient également contribuer à soutenir la croissance à long terme de l’entreprise.

Dans l’ensemble, Coherent est aussi proche qu’on puisse être d’une société laser « pure play » cotée en bourse pour les investisseurs intéressés par le secteur, avec une forte intégration verticale et plus de 3 100 brevets protégeant ses innovations.

Coherent produit déjà à grande échelle des plaquettes de lithium niobate

Dernières actualités et développements des actions Coherent (COHR)

Étude référencée

^{1. Xue, S., Li, M., Lopez-rios, R., et al. Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology. Light Sci Appl 14, 209 (2025). https://doi.org/10.1038/s41377-025-01872-4}