Integrated coherent LiDAR with broadband low-noise-laser-driven, multidimensionally multiplexed passive beam steering
Cet article présente un système LiDAR cohérent intégré hybride qui surmonte les goulots d'étranglement de l'évolutivité en combinant un laser à cavité externe à verrouillage par auto-injection avec un réseau de phases optiques passif à dispersion multidimensionnelle multiplexée afin d'obtenir un large champ de vision, une largeur de raie ultra-étroite et un télémétrage de haute précision grâce à la co-optimisation de la cohérence de la source et du multiplexage spatial passif.
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Imaginez un monde où une voiture, un drone ou un robot peut « voir » son environnement en trois dimensions, non pas seulement en prenant des photos, mais en mesurant la distance exacte de chaque objet qu'il rencontre. C'est la promesse d'une technologie appelée LiDAR, qui signifie « Light Detection and Ranging » (détection et télémétrie par la lumière). Au lieu d'utiliser une caméra qui repose sur l'intensité de la lumière réfléchie, les systèmes LiDAR tirent des impulsions laser et chronomètrent le temps nécessaire pour que la lumière revienne. Pour que cela fonctionne pour la navigation, le système doit être capable de balayer ce faisceau laser sur une zone étendue, en regardant à gauche, à droite, en haut et en bas, tout en calculant simultanément les distances avec une précision extrême. Pendant des années, les ingénieurs ont lutté pour construire ces systèmes assez petits pour être intégrés à un véhicule ou à un drone. Les méthodes traditionnelles nécessitent de vastes réseaux de commutateurs électroniques pour orienter le faisceau, lesquels sont volumineux, gourmands en énergie et sujets à la surchauffe. Le défi consistait à trouver un moyen de faire bouger le faisceau laser sans utiliser un bras mécanique lourd et complexe ou une forêt chaotique de contrôles électroniques.
Une équipe de chercheurs de l'Université Jiao Tong de Shanghai a désormais démontré une nouvelle approche qui résout ce problème en changeant la manière dont le faisceau laser est orienté. Au lieu d'utiliser des milliers de commutateurs électroniques pour pousser le faisceau, ils ont construit un système où le faisceau se déplace simplement en changeant la couleur, ou la longueur d'onde, de la lumière laser. Cela semble simple, mais cela nécessite un type de laser très spécial. Le laser doit être capable de balayer une large gamme de couleurs rapidement, tout en restant incroyablement stable et silencieux dans sa fréquence, car tout tremblement ou bruit dans la lumière ruinerait les mesures de distance. Les chercheurs ont créé un laser hybride qui combine deux techniques différentes pour y parvenir. Une partie du dispositif sélectionne la large gamme de couleurs nécessaire pour scanner une grande zone, tandis qu'une seconde partie verrouille la lumière sur une tonalité unique et ultra-pure pour garantir la précision des mesures. Cette combinaison permet au laser de balayer une plage de 66 nanomètres en longueur d'onde tout en maintenant une largeur de raie aussi étroite que 50 hertz, un niveau de stabilité rare pour une plage de réglage aussi large.
La seconde moitié de leur invention est le dispositif qui envoie réellement la lumière dans le monde. Dans la plupart des systèmes avancés, cette partie est un réseau actif de minuscules miroirs ou de commutateurs qui nécessitent un câblage électrique complexe pour déplacer le faisceau. Les chercheurs ont remplacé cela par un dispositif purement passif, ce qui signifie qu'il n'a pas de pièces mobiles et aucun contrôle électronique sur la surface qui émet la lumière. Au lieu de cela, ils ont conçu une puce dotée de réseaux inclinés, qui sont des motifs microscopiques gravés à la surface. Lorsque la lumière laser frappe ces motifs, elle diffracte, ou dévie, dans une direction spécifique. En utilisant un tour de passe-passe ingénieux appelé multiplexage multidimensionnel, l'équipe a rendu le système beaucoup plus efficace. Ils ont disposé le dispositif de sorte que la même couleur de lumière puisse être envoyée dans différentes directions selon le port d'entrée utilisé, le sens de son trajet et sa polarisation. Cela leur a permis de réutiliser la même gamme de couleurs seize fois, multipliant ainsi efficacement le nombre de directions distinctes vers lesquelles le système peut regarder sans avoir besoin d'un laser plus large ou d'une puce plus grande.
Lorsque les chercheurs ont testé ce système combiné dans un environnement réel, les résultats ont été frappants. Ils ont installé une cible avec des marches à différentes distances et hauteurs et ont utilisé leur laser pour la scanner. En mode standard, sans leur technique de verrouillage spéciale, le système peinait à localiser la distance, les mesures variant de près de 8,39 centimètres. Cependant, lorsqu'ils ont activé leur méthode de verrouillage par auto-injection pour stabiliser le laser, la précision s'est considérablement améliorée. La variation des mesures est tombée à seulement 0,97 centimètre, soit une amélioration de plus de huit fois. Ce niveau de précision s'est maintenu même lorsque l'équipe déplaçait la cible beaucoup plus loin, jusqu'à 23,7 mètres. À cette distance, le système maintenait une précision de 2 de 29 centimètres, soit six fois mieux que la version non stabilisée. L'équipe a également mesuré la vitesse à laquelle le système pouvait changer de vue d'un point à un autre. Comme l'orientation du faisceau repose sur le changement de couleur du laser plutôt que sur le mouvement de commutateurs électroniques, le système pouvait rediriger son regard en environ 28 microsecondes, une vitesse limitée uniquement par la rapidité avec laquelle les composants internes du laser chauffent et refroidissent.
La portée de ce travail réside dans la façon dont il simplifie l'architecture entière d'un capteur 3D. En déchargeant la tâche complexe de l'orientation du faisceau d'un immense réseau de contrôles électroniques vers un seul laser intelligent, le système devient beaucoup plus petit, plus léger et plus économe en énergie. La nature passive de l'émetteur signifie qu'il ne génère pas la chaleur qui affecte typiquement les réseaux électroniques actifs, ce qui le rend adapté aux environnements où l'énergie est rare ou le refroidissement difficile. Les chercheurs ont démontré un champ de vision couvrant 110 degrés horizontalement et 90 degrés verticalement lors de tests avec une source de lumière externe plus large, suggérant que la conception physique de la puce est capable de voir une zone très vaste. Bien que les expériences actuelles aient utilisé une plage laser spécifique, les principes de conception sous-jacents permettent une expansion ultérieure. Cette approche offre une voie claire vers la construction de systèmes LiDAR à état solide, assez compacts pour être intégrés dans les pare-brises de voitures ou les corps de petits drones, apportant une détection 3D de haute fidélité à un plus large éventail d'applications sans les contraintes de volume et de puissance des générations précédentes.
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