La puissance du chaos optique pour la télémétrie laser

Dans l’univers des systèmes non linéaires, la transition vers le chaos est un phénomène omniprésent. Les micro-résonateurs Kerr basés sur des puces photoniques, stimulés en continu, manifestent un tel chaos spatio-temporel, communément appelé instabilité de modulation chaotique.

Durant plus d’une décennie, ces états d’instabilité de modulation ont été considérés comme peu pratiques pour les applications, comparativement à leurs homologues à état de lumière cohérente, tels que les états soliton. Ces derniers ont été l’élément central de nombreuses démonstrations d’applications de haute importance, allant de la communication optique longue distance à l’informatique photonique.

Une nouvelle approche

Aujourd’hui, une équipe de chercheurs dirigée par Tobias Kippenberg à l’EPFL a découvert une manière innovante d’exploiter les caractéristiques uniques des peignes de fréquences chaotiques pour réaliser un télémétrie laser massivement parallèle, sans ambiguïté et insensible aux interférences, en utilisant la modulation aléatoire intrinsèque de l’amplitude et de la phase des lignes de peigne chaotiques.

Cette recherche introduit un nouveau paradigme pour le télémétrie laser massivement parallèle en utilisant des états de lumière incohérents et chaotiques dans des micro-résonateurs optiques. Cette approche innovante offre des avantages significatifs par rapport aux méthodes conventionnelles et ouvre de nouvelles possibilités d’application dans divers domaines.

Principe de fonctionnement

Le concept qui sous-tend cette technique novatrice de télémétrie laser repose sur le principe de modulation continue aléatoire d’onde (RMCW), où la modulation aléatoire de l’amplitude et de la phase d’une porteuse est utilisée pour interroger une cible en utilisant une corrélation en amplitude et en fréquence au niveau du détecteur.

Contrairement aux systèmes d’onde continue (CW) conventionnels, qui dépendent d’une modulation externe, l’approche développée à l’EPFL tire parti de la modulation aléatoire intrinsèque de l’amplitude et de la phase des lignes de peigne chaotiques dans un micro-résonateur optique. Le système peut supporter des centaines de porteuses optiques multicolores indépendantes, permettant un télémétrie laser et une vélocimétrie massivement parallèles.

RMCW et LiDAR

La technologie RMCW devient de plus en plus attractive, et plusieurs entreprises de LiDAR intègrent cette approche dans leurs produits commerciaux. « Dans l’époque prévisible des véhicules sans pilote, l’immunité aux interférences mutuelles avec d’autres LiDARs et sources de lumière ambiante rend cet avantage de RMCW significatif, » affirme Anton Lukashchuk, un étudiant en doctorat dans le laboratoire de Kippenberg et premier auteur de l’étude. « De plus, notre approche ne nécessite pas de conditions rigoureuses sur le bruit de fréquence et l’agilité et la linéarité de réglage des lasers et n’exige pas de routines d’initiation de forme d’onde.« 

Johann Riemensberger, un post-doctorant dans le laboratoire de Kippenberg et co-auteur de l’article, ajoute : « Étonnamment, le fonctionnement dans le régime d’instabilité de modulation chaotique s’accompagne d’une modulation du signal à large bande des lignes de peigne, dépassant souvent la bande passante de résonance et entraînant une résolution de portée à l’échelle du centimètre. De plus, les micro-peignes chaotiques sont efficaces en termes de puissance, thermiquement stables, simples à utiliser et fournissent un spectre optique à plateau plat.« 

Perspectives

La découverte de l’équipe ouvre de nouvelles possibilités pour le télémétrie optique, la communication à spectre étalé, la cryptographie optique et la génération de nombres aléatoires. Les résultats de cette recherche non seulement font avancer notre compréhension des dynamiques chaotiques dans les systèmes optiques, mais fournissent également des solutions pratiques pour le télémétrie laser de haute précision dans divers domaines.

Les échantillons de puces ont été fabriqués dans le Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) de l’EPFL.

En synthèse

La recherche de l’EPFL a révélé une méthode inédite pour exploiter le chaos inhérent aux micro-résonateurs optiques. Cette approche, utilisant les états chaotiques de la lumière, a permis de mettre en œuvre un télémétrie laser massivement parallèle et insensible aux interférences. Ce travail, poussant plus loin la compréhension des dynamiques chaotiques dans les systèmes optiques, promet des applications prometteuses, notamment dans les domaines de la communication à spectre étalé, la cryptographie optique et la génération de nombres aléatoires.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un micro-résonateur optique ? C’est un dispositif qui peut confiner et stocker la lumière pendant de longues périodes.

Qu’est-ce que le télémétrie laser ? C’est une méthode pour mesurer la distance à un objet ou une surface en utilisant un faisceau laser.

Qu’est-ce que l’instabilité de modulation chaotique ? C’est un état chaotique de la lumière dans les micro-résonateurs optiques, utilisé ici pour la première fois pour le télémétrie laser massivement parallèle.

Référence : Anton Lukashchuk, Johann Riemensberger, Aleksandr Tusnin, Junqiu Liu, Tobias J. Kippenberg. Chaotic microcomb-based parallel ranging. Nature Photonics 20 juillet 2023. DOI: 10.1038/s41566-023-01246-5

Légende image : Illustration du nuage de points LiDAR du Rolex Learning Center, EPFL. Credit Anton Lukashchuk (EPFL)

DOI : 10.1038/s41566-023-01246-5