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

COCOA est structuré en 4 tâches. La première (WP0), supervisée par le LIPhy en lien avec Lumibird, est une tâche de management et de suivi de projet, et porte sur la définition du cahier des charges général, les recommandations techniques, et l’avancement du projet vers le démonstrateur lidar. La veille technologique, les publications et la propriété intellectuelle seront aussi attachées à WP0, dans la perspective d’une maturation technologique et d’une valorisation future (CNRS Innovation, SATT, financement européen.…). Notons en effet qu’à terme, on pourrait imaginer une intégration sur puce d’un tel système. WP1 (supervisé par I-FOTON) est consacré au développement de nouvelles sources de formes d’onde large bande basées sur les FSL électro-optiques. Ce développement est réparti sur le LIPhy, (FSL électro-optiques à bande latérale unique) et I-FOTON (FSL électro-optiques à bandes latérale double). Une modélisation complète de ces systèmes et leurs aspects métrologiques seront également étudiés. WP2 (supervisé par le LIPhy) est consacré à la mise en œuvre de la compression d’impulsions analogique tout-optique dans les FSL électro-optiques. Enfin WP3 (I-FOTON) est consacré à la réalisation d’un démonstrateur (TRL 4), i.e. un système lidar permettant un profilage 3D dans des conditions réelles en extérieur.

COCOA a atteint l'essentiel de ses objectifs. Nous avons développé des architectures de doubles boucles à décalage de fréquence, utilisant soit un décaleur de fréquence électro-optique unilatéral, soit un décaleur bi-latéral. Pour chacune des architectures, nous avons démontré leur applicabilité au Lidar cohérent. Concernant les boucles à décalage de fréquence unilatéral, la thèse de Louis Alliot a permis de caractériser les propriétés du dual-comb, puis à l'utiliser pour des mesures de lidar cohérent à haute résolution spatiale (< mm). Nous avons bien vérifié la dépendance à la phase du système. Par ailleurs, ces travaux ont permis de démontrer trois résultats originaux - a priori non attendus dans le cadre de COCOA. L'effet Talbot dans les boucles à décalage de fréquence électro-optique permet la multiplication de fréquence de signaux micro-ondes (jusqu'à 20 GHz) sans dégradation du bruit de phase. Nous avons également mis en évidence des effets de lumière lente/rapide dans les boucles à décalage de fréquence. Enfin, nous avons montré que les techniques de dual-comb permettaient aussi de mettre en oeuvre des capteurs distribués, permettant d'accéder par exemple au profil de réflectivité le long d'une fibre, ou d'une ligne sur une surface (vibrométrie). Cette dernière application est en cours de validation dans le cadre d'un stage de M2. Concernant les boucles à décalage de fréquence bi-latéral, nous avons obtenu également un grand nombre de résultats. Dans le cadre du contrat postdoctoral de Nicolas Barré, nous disposons maintenant d'un modèle numérique très général permettant de décrire le fonctionnenement de résonateurs en présence de modulateurs, de gain, d'effets dispersifs et non-linéaires. Ce code constitue un outil remarquable pour la compréhension de ces systèmes. D'un point de vue expérimental, nous avons caractérisé ces architectures, et montré notamment leur aptitude à générer des signaux à modulation de fréquence arbitraire. Un modèle analytique permet de décrire ces effets. De plus, nous avons vérifié la capacité de ces boucles pour la télémétrie dual-comb dans le cadre d'un stage de M2. Le démonstrateur est actuellement en cours de montage et la validation finale devrait être effectuée avant l'été.

Les perspectives de COCOA sont multiples et concernent à la fois le domaine des capteurs, que celui de la photonique micro-ondes. Concernant le lidar, les FSL offrent des performances très intéressantes en termes de résolution spatiale mais avec une distance d'ambiguité modeste (de l'ordre du mètre), ce qui permet d'envisager des applications en profilométrie. Sur la base des connaissance acquises sur les techniques de lidar cohérent, nous avons donc obtenu un financement de la DGA (projet ANR RACOON), pour réaliser un démonstrateur de lidar cohérent sous-marin. Ce projet utilisera la même base que les FSLs développées dans COCOA avant une étape de conversion de fréquence pour générer des peignes de fréquences dans le bleu-vert. De la même manière, l'intérêt des FSLs pour la métrologie cohérente a conduit au montage du projet ANR Mechoui, qui vise à caractériser la pression pariétale dans des écoulements en utilisant un interrogateur reposant sur une double FSL. Concernant les applications à la photonique micro-onde, elles s'articulent essentiellement autour de la muliplication de fréquences de signaux, et à la génération de signaux à modulation de fréquence arbitraire. Les travaux sur ces fonctionnalités va se poursuivre, au travers de la réalisation de FSL en optique intégrée. Différentes plate-formes sont actuellement étudiées (hybridation SiN/InP par transfert printing, ou niobate de lithium). Deux projets sont actuellement en cours de dépôt sur ces applications.

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.