LiDAR à l’échelle de puce : plus petit, moins cher via le laser Pockels LiNbO3

Comment les lasers de précision alimentent le LiDAR moderne

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

Une application récente à la mode des lasers 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 sociétés de voitures autonomes pour alimenter leurs véhicules autonomes, formant de grands appareils sur le toit des voitures autonomes.

Source : SFGate

Le problème avec le LiDAR est qu’il est plutôt encombrant et coûteux, ce qui rend son déploiement de masse non rentable. Il est également très fragile, ce qui augmente les coûts à long terme encore plus.

Cela vient peut-être de changer, grâce à une nouvelle conception de laser par des chercheurs de l’Université de Rochester (USA) et de l’Université de Californie (USA). Il s’est écarté de la photonique de silicium habituelle, en utilisant à la place le niobate de lithium.

Ils ont publié leur découverte dans Light Science & Applications¹, sous le titre « Pockels laser directement pilotant la métrologie optique ultra-rapide ».

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 rebond vous indique la distance.

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

Source : Synopsis

Comme la lumière est extrêmement rapide, les LiDAR nécessitent un contrôle de l’onde laser extrêmement précis, ce qui entraîne une complexité, des coûts et une fragilité élevés du système.

Effet Pockels : permettant un réglage laser ultra-rapide

Les chercheurs ont cherché à améliorer la technologie LiDAR en exploitant l’effet Pockels. Ce phénomène change l’indice de réfraction d’un matériau (la façon dont il courbe la lumière) lorsqu’un champ électrique est actif.

L’effet Pockels est affiché par des cristaux spéciaux comme le monophosphate de potassium ou celui utilisé dans cette étude, le niobate de lithium, un sel synthétique composé de lithium, de niobium et d’oxygène.

Source : Sumimoto

Cela a permis aux chercheurs de créer un laser qui pouvait changer très précisément sa couleur sur un large spectre de lumière à des taux très rapides – environ 10 quintillions de fois par seconde.

Une application courante du niobate de lithium est pour les ondes acoustiques de surface (SAW) dans les smartphones et autres appareils électroniques pour créer des filtres pour empêcher le bruit et les interférences, donc cette technologie peut exploiter une chaîne d’approvisionnement existante.

Construire un LiDAR Pockels à l’échelle de puce

Niobate de lithium en couche mince : ingénierie à l’échelle nanométrique

Les scientifiques ont utilisé une couche mince de niobate de lithium, 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 des variations de la couche de protection en silicium, trouvant l’épaisseur optimale qui peut générer la plage de fréquence la plus contrôlable.

Source : Light Science & Applications

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

« C’est un processus très important qui peut être utilisé pour les horloges optiques qui peuvent mesurer le temps avec une précision extrême, mais vous avez besoin de beaucoup d’équipement pour cela. Un ensemble 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 choses dans une très petite puce qui peut être réglée électriquement. »

Shixin Xue, étudiant en doctorat à l’Université de Rochester

Métriques de performance : effet de changement de fréquence et vélocimétrie

Lorsqu’il a été mesuré, le circuit a affiché des performances qui dépassaient de loin toutes les lasers existants.

Notamment, il a atteint un « taux de changement de fréquence » de jusqu’à 20 EHz/s, avec une largeur de modulation dépassant 10 GHz. Pour référence, ces chiffres sont des 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 puisse être supérieure à 40 m/s, mais la configuration expérimentale n'a pas permis de tests plus rapides.

Ces performances à courte portée sont importantes, car c'est quelque chose que les systèmes LiDAR traditionnels ont presque toujours du mal à faire, ainsi que les objets en mouvement rapide, et un grand problème pour la technologie de conduite autonome qui a absolument besoin de voir bien les objets proches et en mouvement rapide.