[EDITION ABONNES] A l’occasion de la manifestation Photonics West 2021 qui s’est tenue en ligne du 6 au 11 mars, le CEA-Leti a détaillé des travaux prometteurs sur le développement, la calibration et la caractérisation de réseaux de phase optique OPA (Optical Phased Arrays) à nombre élevé de canaux, un élément essentiel des futurs lidars à semi-conducteurs sans pièces mobiles ...de guidage du faisceau laser.

De par leur compacité, leur robustesse et leur facilité d’intégration, les lidars à semi-conducteurs sont en effet considérés comme attrayants pour de prochaines générations de systèmes de vision et de détection montés à bord de véhicules, de drones, de robots ou d’automatismes industriels. Et, dans ce cadre, il existe plusieurs options de balayage du faisceau laser destiné à éclairer la scène telles que les structures à cristaux liquides ou les réseaux de phase optique OPA qui, pour ces derniers, s’appuient sur la photonique sur silicium.

Technologie émergente, un OPA est en pratique constitué de réseaux d'antennes optiques étroitement espacées (environ 1 µm) qui émettent une lumière cohérente dans une large plage angulaire. Le motif d'interférence produit par tous ces signaux lumineux peut alors être modifié en ajustant la phase relative de la lumière émise par chaque antenne. Par exemple, si le gradient de phase entre les antennes est linéaire, un faisceau directionnel sera formé. En modifiant la pente du gradient linéaire, la direction du faisceau peut être contrôlée, pour un balayage dit « à état solide ».

Vue microscopique d'un réseau à phase optique en technologie photonique sur silicium (© CEA-Leti)

Selon le CEA-Leti, cette approche a la capacité d’améliorer les performances au niveau de la vitesse de balayage, de l’efficacité énergétique et de la résolution par rapport aux solutions mécaniques de guidage du faisceau laser mises en œuvre aujourd’hui dans la grande majorité des lidars disponibles. Le fait que les lidars intégrant un réseau OPA ne disposent d’aucune pièce mobile implique d’autres avantages potentiels comme la compacité et le coût moindre.

« Le développement d'un OPA haute performance peut ouvrir la voie à des systèmes lidar peu onéreux pour les véhicules autonomes, les écrans holographiques, l'imagerie biomédicale et de nombreuses autres applications, indique Sylvain Guerber, l'auteur principal de l'article publié par le CEA-Leti à l’occasion de Photonics West. Mais l'adoption généralisée des lidars dépend encore de la réduction des coûts système et de leurs dimensions. » 

Reste aussi que les systèmes lidar professionnels doivent répondre à des exigences très strictes, notamment pour les applications automobiles. Un faisceau de forte puissance et de faible divergence est notamment nécessaire pour résoudre avec précision une scène. Par exemple, la résolution d'un objet de 10 cm situé à 100 m nécessite un réseau OPA fonctionnant à une longueur d'onde de 1 µm avec un circuit composé d'au moins 1 000 antennes, espacées chacune de 1 µm, indique le laboratoire grenoblois. Par conséquent, le développement d’OPA à grand nombre de canaux est indispensable pour que soient commercialisés à terme des systèmes lidar reposant sur des réseaux à phase optique.

Selon Sylvain Guerber, un OPA intégré sur une puce avec un balayage de faisceau à état solide peut être produit en tirant parti des avantages d'une plate-forme photonique sur silicium mature. Cependant, ce n'est qu’une première étape vers un OPA entièrement fonctionnel car le balayage du faisceau nécessite un étalonnage préalable. En raison du nombre élevé d'antennes optiques requises, ce processus d'étalonnage peut prendre un temps considérable, ce qui est incompatible avec un déploiement massif d'une technologie.

Aussi l'équipe du CEA-Leti a-t-elle développé ce qui serait le premier dispositif de caractérisation d’un OPA au niveau de la tranche de silicium, une étape importante vers l'industrialisation de lidars à OPA. En outre, le laboratoire a mis au point des algorithmes génétiques inspirés de la théorie de l'évolution de Darwin pour calibrer rapidement et de manière fiable les OPA à grand nombre de canaux. Ces algorithmes, assure le CEA-Leti, permettent un étalonnage jusqu'à 1 000 fois plus rapide que les algorithmes précédemment utilisés.

« Il existe encore beaucoup de défis à relever pour enclencher une adoption commerciale large de la technologie lidar par l’industrie automobile et d’autres marchés, en particulier au niveau système, prévient toutefois Sylvain Guerber. Un lidar est composé de nombreux éléments dont un laser, un driver électronique, un système de balayage de faisceau de type OPA, un détecteur et une capacité de traitement des données. Tous doivent collaborer étroitement, l'OPA n'est qu'une partie de l’ensemble. » A suivre donc.