Lidar cohérent à compression d’impulsions analogique tout-optique – COCOA

Objectifs et démarche scientifique L’objectif de COCOA est triple : (i) développer de nouvelles architectures de FSLs basées sur des modulateurs électro-optiques, (ii) évaluer leurs applications pour la télémétrie laser cohérente et (iii) fournir un démonstrateur de lidar cohérent selon les recommandations du collaborateur industriel.

(i) Le premier volet repose sur l’expérience conjointe du LIPhy et de I-FOTON sur les FSLs. Au LIPhy seront développées des FSLs à bande latérale unique utilisant un modulateur électro-optique SSB (« single sideband »). (Fig. 1). I-FOTON explorera les propriétés des systèmes à bande latérale double, utilisant un modulateur de phase, ou d’intensité. (Fig. 1). Ces systèmes seront modélisés en régime stationnaire et dynamique à partir de codes numériques mis au point au LIPhy, et caractérisés (dynamique, métrologie, RIN, bruit de phase…) en utilisant les moyens techniques de I-FOTON. L’objectif est de disposer de peignes d’une cinquantaine de lignes, d’espacement variable (0-10 GHz).

(ii) Le deuxième objectif de COCOA, est l’utilisation de ces dispositifs pour la télémétrie lidar cohérente en utilisant une technique de compression d’impulsions analogique tout-optique, réalisée dans une double FSL contrapropagative (Fig. 2). En suivant l’approche développée au LIPhy pour les FSL acousto-optiques, le LIPhy et I-FOTON développeront conjointement des FSL contrapropagatives (LIPhy : système en bande latérale unique, I-FOTON : bande double). La preuve de principe et les performances de la compression d’impulsions analogique seront démontrées pour la télémétrie 1D en laboratoire. La confrontation et la comparaison des performances des différents systèmes (bande latérale unique vs. double) nous permettront de déterminer l’architecture optimale en fonction des discussions que nous aurons eues avec Lumibird. (iii) Dans un troisième temps, et en se basant sur l’architecture optimale identifiée en (ii), nous réaliserons un démonstrateur de télémètre Lidar cohérent tout-optique en lien avec Lumibird. A I-FOTON, nous effectuerons un premier packaging de l’architecture réalisée à (type rack 19 ‘’), puis la démonstration pratique de profilométrie 3D sur site. Le système de balayage à miroirs galvanométriques sera mis au point par I-FOTON, le programme de traitement des données à la volée sera réalisé par le LIPhy.

Un certain nombre de résultats d'importance ont été obtenus dans le cadre du projet COCOA.

- Du point de vue des dispositifs, nous avons réalisé deux sources de dual-comb : l'une utilisant des décaleurs de fréquences électro-optiques unilatéraux (thèse de Louis Alliot), et l'autre des modulateurs de phase dans des boucles stabilisés (postdoc de Nicolas Barré, stage M2 de Mayar Mamdouh). Ces deux prototypes sont fonctionnels. Le premier nous permet de produire des dual-combs avec des espacement de l'ordre de plusieurs GHz, et le second des dual-combs ayant des espacement entre la dizaine de MHz et quelques GHz. Les peignes de fréquences produits comportent typiquement une centaine de dents mutuellement cohérentes.

- Du point de vue des applications, nous avons démontré l'intérêt des dual-combs électro-optiques pour la télémétrie lidar à très haute résolution (de l'ordre du mm), avec une cadence d'acquisition de l'ordre de 10 kHz. Nous avons également montré leur intérêt pour le mesure de déplacements sub micrométriques. Nous sommes en train par ailleurs de finaliser un système d'imagerie lidar par balayage 2D du faisceau laser. Cette suite au projet, confiée à un ATER recruté en septembre 2025, devrait permettre d'obtenir des images tridimensionnelles. Enfin, un dernier type d'applications est la réalisation de mesures distribuées par rétro-diffusion Rayleigh dans des fibres optiques. En utilisant un système de dual-comb comportant des modulateurs acousto-optiques, nous avons démontré de mesurer en temps réel le profil d'indice distribué dans une fibre optique, avec une résolution de quelques 10^-5, une résolution temporelle de quelques ms, et une résolution spatiale de l'ordre du cm.

- Enfin, dans le cadre de COCOA, nous avons obtenu un certain nombre de résultats fondamentaux. Nous avons montré par exemple que dans les boucles à décalage de fréquence se produisait continuellement au niveau du coupleur d'injection, des effets de lumière ralentie ou de lumière accélérée selon le cas choisi. Ces effets, observés expérimentalement, ont été ensuite expliqués dans le cadre d'un modèle numérique très général de résonateurs produit par N. Barré.

Le projet COCOA a donc permis des avancées importantes, à la fois sur la réalisation de sources dual-comb, sur leurs applications, et sur leur compréhension fine.

Les perspectives du projet COCOA portent à la fois sur les sources et les applications.

- Concernant les sources, nous avons acquis un savoir-faire conséquent sur les sources de peignes de fréquence à partir de boucles à décalage de fréquence, à la fois uni- et bi-latéral. Ce savoir-faire est actuellement mis à profit dans le cadre d’une projet ANR Astrid (projet Racoon), qui a pour objectif la mise en œuvre de télémétrie dual-comb pour le lidar sous-marin. La stratégie retenue est de tripler en fréquence un dual-comb à 1550 nm, pour générer un dual-comb à 517 nm, dans la fenêtre de transparence de l’eau de mer. Nous sommes en train de travailler sur la partie triplage de fréquence.

- Un autre projet associé est le projet ANR Mechoui (piloté par TRT), qui vise à réaliser un interrogateur fibré à base de dual-comb, pour mesurer le champ de pression pariétal au niveau de profils placés dans des écoulements hydro et aéro-dynamiques. Le principe de l’interrogateur reprend le schéma du dual-comb réalisé dans COCOA.

- Enfin, nous avons soumis un certain nombre de demandes en réponse à des appels d’offres, portant soit sur la réalisation de résonateurs à décalage de fréquence en optique intégrée sur plate-forme niobate de lithium, soit sur la réalisation de sources de peignes de fréquences à différentes longueurs d’onde (UV/IR) pour des applications à la spectroscopie moléculaire.

Articles publiés :

L. Alliot de Borggraef and H. Guillet de Chatellus, «Phase-sensitive distributed Rayleigh fiber sensing enabling the real-time monitoring of the refractive index with a sub-cm resolution by all-optical coherent pulse compression,« Opt. Express 31, 1167-1180 (2023)

Hugues Guillet de Chatellus, Goulc’hen Loas, Louis Alliot de Borggraeff, and Marc Brunel, «Slow and fast light effects induced by interference with a control light field,« Opt. Express 32, 35228-35235 (2024)

L. Alliot de Borggraef, and H. Guillet de Chatellus, « Photonics-based microwave frequency multiplier with low phase noise degradation  », soumis (Optics Letters)

Présentations en conférence :

L. Alliot de Borggraef, V. Carlet, M. Brunel, and H. Guillet de Chatellus, « Radio-frequency Multiplication without Phase Noise Degradation in an Electro-optic Frequency-shifting Loop “, CLEO 2023

L. Alliot de Borggraef, and H. Guillet de Chatellus, « Distributed Rayleigh fiber sensing enabling quantitative monitoring in real time of the refractive index with a sub-cm resolution », CLEO 2023

L. Alliot de Borggraef, and H. Guillet de Chatellus, « Dual-comb interferometry using frequency shifting loops», EOS AN 2023.

M. Brunel et al., « Nonlinear frequency chirps from a stabilized injected phase-modulated fiber laser loop», EOS AN 2023.

L. Alliot de Borggraef, and H. Guillet de Chatellus, « Lidar cohérent à résolution sub-millimétrique à l’aide d’une double boucle à décalage de fréquence», Optique Normandie 2024.

L. Alliot de Borggraef, and H. Guillet de Chatellus, « Multiplication de fréquences GHz à faible dégradation du bruit de phase grâce à une boucle à décalage de fréquence électro-optique », Optique Normandie 2024.

Le projet COCOA (Lidar cohérent à compression d’impulsion analogique tout-optique) a pour but de développer un nouveau système de lidar cohérent reposant sur des boucles à décalage de fréquence. Cette architecture combine des performances optimales (portée, résolution, sécurité) avec une grande simplicité en s’affranchissant du besoin d’électronique rapide, tant pour la génération de formes d’onde, que pour leur traitement (tout-optique) par compression d’impulsions. Le projet, qui regroupe deux partenaires académiques (LIPhy, Institut FOTON) poursuit trois objectifs : (i) mettre au point de nouvelles architectures de boucles à décalage de fréquence électro-optique large bande (> 40 GHz), (ii) à partir de ces architectures, démontrer une nouvelle technique de lidar cohérent à résolution ajustable (1mm-10cm), reposant sur la compression analogique tout-optique des impulsions ; (iii) réaliser un prototype lidar selon les recommandations d’un acteur industriel du secteur, Lumibird.