Circuit Intégré Photonique couplé à un Système sur Puce pour un capteur de déplacement sub-picométrique – PICSONDE

La première étape consiste à modéliser les signaux à rétro-injection optiques (RIO) correspondant au canal FM ainsi que la conversion FM-AM des signaux. Cette étape de modélisation s’appuie sur Matlab Simulink afin de simplifier l’implémentation sur plateforme numérique de type FPGA de la génération de signal RIO. Cette implémentation de type hardware-in-the-loop a pour but de faciliter le test en temps-réel des algorithmes de reconstruction des vibrations sous divers régimes et niveaux de bruit. La modélisation doit aussi permettre d’évaluer les performances atteignables en prenant en compte les diverses sources de bruit et les non-linéarités du système.
Pour la reconstruction des vibrations, des algorithmes basés sur la méthode d’échantillonnage non-uniforme (ENU) couplée à une modulation haute fréquence de la longueur d’onde du laser doivent permettre de reconstruire des signaux de vibrations bien inférieurs à la demi-longueur d’onde du laser. Cette méthode va être appliquée au canal FM du signal RIO avec une modulation de 10kHz pour valider le principe et la faisabilité. Différentes méthodes d’interpolation utilisées par la méthode ENU seront analysées afin d’identifier la plus prometteuse en termes de performance mais aussi d’implémentation en temps réel.
Afin d’améliorer la reconstruction, il est nécessaire aussi de connaître le facteur de rétro-injection optique C. Plusieurs méthodes basées sur ENU ou sur machine learning seront mises en place et caractérisées.
En effet, la méthode de ENU a permis de mettre en évidence des discontinuités dans la reconstruction de la vibration directement liées à C. Ainsi il est possible de remonter à la valeur de ce couplage qui peut varier au cours du déplacement.
Avant d’effectuer la conversion FM vers AM des signaux RIO sur puce photonique intégrée, cette conversion sera d’abord réalisée en espace libre pour valider les modèles et les algorithmes de reconstruction. Le but aussi est d’identifier les spécifications du dispositif intégré de conversion. Puis, une version fibrée sera conçue afin de mettre en évidence les contraintes futures du système RIO intégrées qui sont différentes de celles de l’espace libre. Elle permet aussi de caractériser les laser fibrés et de sélectionner ceux présentant les meilleures performances au phénomène de rétro-injection optique. Enfin, après avoir sélectionné une technologie de photonique intégrée ayant de faibles pertes, des composants fondamentaux (guide d'onde, grating coupleur, broadband coupleur, edge coupleur) seront implémentés et caractérisés. Puis, l'analyse des différentes architectures de filtres optiques : Mach Zehnder, résonateur en anneau, Michelson; et leur implémentation et caractérisation en salle blanche seront faites.
Pour finaliser le capteur optique complet, un protocole pour encapsuler et connectoriser la puce photonique avec les fibres d'une part et le capteur optique avec le système de traitement sur puce d'autre part sera étudié et réalisé.

Un modèle complet développé sous Simulink (Matlab) du phénomène de rétro-injection optique (OFI) a été finalisé avec succès pour représenter à la fois la partie modulée en amplitude (AM) de la puissance optique et en fréquence optique (FM) du signal OFI dans la diode laser. Le modèle prend aussi en compte le phénomène de Speckle qui influe notamment sur le coefficient de couplage C et l'amplitude des signaux interférométriques AM. Ce modèle a ensuite été adapté pour être plus facilement transposable dans une version embarquée sur SoC (Silicon-on-Chip) pour pouvoir émuler des signaux OFI en temps réel.Il est actuellement implémenté sur une carte d’acquisition NI pour permettre une génération en temps réel (1MS/s). Ce modèle a aussi permis de valider le principe de démodulation du canal FM du signal RIO du laser à partir de filtres optiques et de déterminer la sensibilité du dispositif. L’étude des différents bruits est aussi en cours et ceux-ci vont être implantés dans une future version du logiciel.
Pour l’estimation du facteur de couplage C, une première méthode basée sur la méthode ENU a donné de bons résultats avec une estimation à 5% de C dans les régimes modérés et forts du laser. Cette estimation peut être faite même si C varie au cours du temps. C'est le premier algorithme présentant cette particularité. Une autre méthode a aussi développé basée directement sur l’amplitude de signaux et permettant d’estimer en temps réel le C quel que soit le déplacement. En parallèle, une approche de deep learning (Gate Recurrent Units - GRU) est développée pour être plus robuste. L’analyse des résultats expérimentaux avec cette méthode montre une bonne corrélation avec la méthode d’estimation de C de référence basée sur la méthode de déroulement de phase («phase unwrapping method«), avec la valeur ajoutée de pouvoir estimer des valeurs de C inférieures à 1. Une étude est en cours pour connaître l’impact de la précision de C sur la reconstruction du déplacement final.
La plateforme de conversion FM-AM en espace libre a été réalisée. Les premiers résultats ont mis en évidence une amélioration d'une décade par rapport au canal AM. La densité spectrale de bruit est de 10 pm/vHz à 100Hz et de l’ordre du pm/vHz au-delà de 5kHz. Elle a permis de valider le modèle FM et aussi de tester la reconstruction du déplacement en utilisant la méthode ENU avec une modulation jusqu'à 10kHz du laser à partir de la démodulation FM-AM du signal RIO.
Enfin, la conversion du canal OFI FM en modulation de puissance optique a été réalisée à l’aide de filtre photonique intégrée de type Mach Zehnder et micro-anneau résonant en technologie de nitrure de silicium. La sensibilité atteinte est de 1/GHz avec une perte de l'ordre de 1.5dB/cm, sensibilité similaire à celle obtenue par la cellule de gaz de HCN. Cela démontre la possibilité de pouvoir intégrer cette partie de traitement dans un PIC et le bruit équivalent en déplacement obtenu est de 4.9 nm pour une bande passante de 1kHz.

L'objectif de PICSONDE consiste à atteindre un TRL4 pour un vibromètre optique sur puce (SoC) embarqué en temps réel afin de développer une alternative compétitive aux accéléromètres piézoélectriques et MEMS pour l'analyse modale expérimentale utilisée dans le domaine de la maintenance prédictive (70 à 80% du marché actuel de la maintenance prédictive). Contrairement aux approches à base d'accéléromètres, le capteur est totalement non intrusif, peut accéder à des zones confinées tout en offrant à la fois une bande passante beaucoup plus importante (généralement limitée à quelques dizaines de Hz à 10 kHz pour les capteurs piézoélectriques et MEMS) et une grande plage dynamique.
La perspective d'avenir est d'augmenter le TRL en améliorant la robustesse et la précision du traitement du signal temps réel embarqué et la compacité du capteur grâce à un partenariat industriel avec ACOEM en tant qu'utilisateur final. Par exemple, à moyen terme, la diode laser pourrait être intégrée avec le PIC et la photodiode. Cela se traduirait par une architecture très compacte où le laser et le PIC pourraient alors être thermo-régulés simultanément, ce qui conduirait à un interféromètre avec des performances meilleures que le picomètre/vHz.
De plus, à plus long terme, PICSONDE peut potentiellement avoir un impact dans le domaine des véhicules autonomes en proposant de nouveaux systèmes de navigation inertielle. Suite à PICSONDE, l'intégration pourrait aller jusqu'à inclure aussi la partie de traitement numérique du signal et de photoréception avec le PIC et le laser dans un même boîtier. De plus, l'interféromètre intégré proposé pourrait être utilisé pour mesurer les vibrations de MEMS avec une résolution sub-picométrique. Cela pourrait conduire à des structures complètement nouvelles pour les accéléromètres et les gyroscopes optiques de nouvelle génération avec une précision et une résolution plus élevées. Par conséquent, au lieu du front-end analogique habituel utilisé pour détecter les changements capacitifs du MEMS, l'approche photonique intégrée proposée basée sur un circuit d'interférométrie optique pourrait potentiellement améliorer les performances de ces dispositifs.
En plus des mesures de déplacement, le capteur proposé pourrait également être utilisé pour la mesure de l'indice de réfraction via la mesure de la variation d'indice effectif d'un guide d'onde photonique. Cela se traduirait par un chemin optique différent et donc une fréquence optique laser légèrement différente qui pourrait être suivie par le schéma de conversion FM-AM en utilisant une approche en boucle fermée basée sur le verrouillage de la demi-frange du signal OFI. Enfin, comme la détection serait effectuée sur puce (PIC), le système pourrait être mis en œuvre en tant que laboratoire sur puce où le volume d'échantillon nécessaire serait très petit et de multiples analyses pourraient être effectuées en parallèle ou simultanément.

Journaux Internationaux:
C. Deleau et al., «Optical Feedback FM-to-AM Conversion With Photonic Integrated Circuits for Displacement Sensing Applications,« in Journal of Lightwave Technology, vol. 42, no. 9, pp. 3446-3453, 1 May1, 2024, doi: 10.1109/JLT.2024.3355048.

O. D. Bernal, H. C. Seat, U. Zabit and F. Surre, «Direct Estimation of the Optical Feedback Factor C From the Amplitude of the Optical Feedback Interferometric Signal,« in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 72, pp. 1-7, 2023, Art no. 7006207, doi: 10.1109/TIM.2023.3300431.

H. S. Bazaz, M. M. Fatimah, L. Asim, U. Zabit and O. D. Bernal, «Integration of Zero Crossing Method in a Non-Uniform Sampling System using Optical Feedback Interferometry,« in IEEE Sensors Journal, doi: 10.1109/JSEN.2023.3275702

S. S. Khurshid, W. Hussain, U. Zabit and O. D. Bernal, «Augmentation assisted robust fringe detection on unseen experimental signals applied to optical feedback interferometry using a deep network,« in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, doi: 10.1109/TIM.2023.3251409

Asra Abid Siddiqui, Usman Zabit, Olivier Bernal. Fringe Detection and Displacement Sensing for Variable Optical Feedback-Based Self-Mixing Interferometry by Using Deep Neural Networks. Sensors, 2022, 22 (24), pp.9831. ?10.3390/s22249831


Bernal, O. D., Zabit, U., Jayat, F., & Bosch, T. (2021). Toward
an Estimation of the Optical Feedback Factor C on the Fly for
Displacement Sensing. Sensors, 21(10), 3528.

Conferences Internationales:
Clément Deleau, Han Cheng Seat, Frederic Surre, Olivier Bernal, “Optical Feedback FM-to-AM Conversion with integrated Micro-Ring Resonator for Displacement Sensing Applications”, AIVELA 15th Conference 21-23 june 2023, Ancona, Italy

C. Deleau, T. Apiphatnaphakul, H. C. Seat, F. Surre, U. Zabit,
F. Carcenac, P.-F. Calmon, T. Bosch, O. Bernal, “Towards
Integrated Optical Feedback FM-to-AM Conversion in Silicon
Nitride for Displacement Sensing Applications”.IEEE Sensors 2022 Conference (30 oct – 2 nov 2022)

O. Bernal, H. C. Seat, F. Surre, U. Zabit, C. Deleau, T. Bosch,
“Non-Uniform Sampling Theory applied to FM Channel Optical
Feedback Interferometry for Displacement Sensors”. IEEE Sensors 2022 Conference (30 oct – 2 nov
2022)

Le projet PICSONDE se positionne dans le domaine de l’instrumentation du contrôle non destructif. Notre but premier est l’analyse vibratoire temps réel sur une large bande passante de 100 kHz pour des applications de maintenance prédictive in situ pour machines industrielles. Ce projet consiste à concevoir et réaliser un capteur embarqué basé sur l’interférométrie par rétro-injection optique (RIO) où la diode laser joue le rôle à la fois de source lumineuse, d’interféromètre et de détecteur. Le capteur proposé associe aussi un circuit photonique intégré (PIC) qui permet d’accéder à la partie modulée en fréquence du faisceau laser émis, à un système sur puce (SoC) intégrant le système d’acquisition et de traitement des données. La résolution visée du capteur correspond aux limites quantiques du principe physique (i.e. densité spectrale de bruit de 0.1 pm/vHz), soit encore une amélioration jusqu’à trois décades par rapport à l’état de l’art basé sur le traitement des signaux optiques modulés en amplitude (AM) par le phénomène de RIO. Pour y parvenir, il est nécessaire de lever plusieurs verrous scientifiques et technologiques : (1) acquérir les signaux de RIO avec la plus grande dynamique et le meilleur rapport signal à bruit, (2) récupérer l’information contenue dans les signaux fortement non-linéaires de RIO, (3) mesurer en temps réel les variations du facteur de couplage optique entre le laser et la cible et (4) capacité de détecter les franges interférométriques en présence du speckle lié à l'état de surface de la cible visée. Aussi, pour pouvoir atteindre la résolution souhaitée, il est nécessaire de convertir la partie modulée en fréquence du signal de RIO en signal modulé en amplitude à l’aide du PIC afin de ne plus être limité par le bruit de grenaille du laser mais seulement par la cohérence spectrale du laser. De plus, les signaux de RIO seront interprétés par le SoC comme ceux d’un système à échantillonnage non-uniforme. Le laser devient alors à la fois le capteur et le numériseur optique, autorisant ainsi une acquisition optimisée des signaux. En combinant ainsi le laser avec le PIC et le SoC, un prototype du capteur sera fabriqué et des tests in situ seront menés en collaboration avec un partenaire industriel. Une fois validé, cette nouvelle génération de capteur interférométrique compact pourra aussi être utilisée pour sonder optiquement (via le PIC) des MEMS ainsi que pour réaliser des capteurs réfractométriques de haute résolution dans le domaine (bio)chimique.