Légende: Cette illustration présente un réseau d’antennes intégrées développé par des chercheurs du MIT (à droite) qui minimise la diaphonie indésirable pouvant survenir dans un réseau d’antennes standard (à gauche). Cette innovation pourrait permettre à une puce lidar de balayer un champ de vision plus large tout en conservant un fonctionnement à faible bruit. Crédits: Crédit : Amy Pan et Sampson Wilcox

Grâce à une conception novatrice, des chercheurs du MIT ont surmonté un problème tenace qui limitait l’efficacité des systèmes lidar sur puce.

Les systèmes lidar utilisent des impulsions de lumière infrarouge pour mesurer les distances et cartographier une scène 3D avec une haute résolution, permettant ainsi aux véhicules autonomes de réagir rapidement aux obstacles qui apparaissent sur leur chemin. Cependant, les capteurs lidar traditionnels sont des systèmes coûteux et encombrants, comportant de nombreuses pièces mobiles qui se dégradent avec le temps, ce qui limite leur déploiement.

Une nouvelle étude menée par des chercheurs du MIT pourrait permettre de développer une nouvelle génération de capteurs lidar compacts, robustes et sans pièces mobiles. L’avancée majeure réside dans la conception novatrice d’une puce photonique sur silicium, un dispositif semi-conducteur qui manipule la lumière plutôt que l’électricité. 

En général, les systèmes basés sur des puces photoniques sur silicium ont un champ de vision restreint ; un lidar basé sur ce type de puce ne peut donc pas balayer les angles en périphérie. Les solutions de contournement existantes à ce problème augmentent le bruit et nuisent à la précision.

Pour pallier ces inconvénients, les chercheurs du MIT ont conçu et mis au point un réseau d’antennes intégrées qui minimise la diaphonie indésirable entre les antennes. Leur innovation permet à une puce lidar de balayer un champ de vision plus large tout en conservant un faible niveau de bruit, contrairement à d’autres approches basées sur la photonique sur silicium.

Cette démonstration inédite pourrait stimuler le développement de capteurs lidar avancés pour des applications exigeantes telles que la navigation des véhicules autonomes, la topographie aérienne et la surveillance des chantiers de construction.

« La fonctionnalité que nous avons démontrée dans ce travail résout un problème fondamental pour la technologie des réseaux optiques à commande de phase intégrés, permettant aux futurs capteurs lidar d’atteindre des performances nettement supérieures à celles que nous pouvions démontrer auparavant », déclare Jelena Notaros, professeure associée de développement de carrière Robert J. Shillman en génie électrique et informatique (EECS) au MIT, membre du Laboratoire de recherche en électronique et auteure principale d’un article sur cette innovation.

Elle est accompagnée dans cet article par Henry Crawford-Eng, doctorant en génie électrique et informatique et par d’autres doctorants du même département : Andres Garcia Coleto, Benjamin M. Mazur, Daniel M. DeSantis et Tal Sneh. Ces travaux de recherche sont publiés aujourd’hui dans Nature Communications .

Réglage d’un réseau d’antennes

De nombreux systèmes lidar traditionnels cartographient une scène à l’aide d’un boîtier volumineux qui tourne pour émettre des impulsions lumineuses dans plusieurs directions. La lumière se réfléchit sur les objets environnants et revient au capteur, fournissant des données utilisées pour reconstituer l’environnement. 

Au lieu de cela, les capteurs lidar à base de photonique sur silicium balaient systématiquement un faisceau lumineux émis dans plusieurs directions de manière non mécanique à l’aide d’un système appelé réseau optique à commande de phase intégré (OPA: optical phased array).

L’élément clé d’un OPA est un réseau d’antennes intégrées présentant de minuscules perturbations disposées périodiquement sur leur longueur. Ces ondulations permettent à l’antenne de diffuser la lumière provenant d’une source d’entrée vers le haut et hors de la puce photonique.

En ajustant la phase de la lumière acheminée vers chaque antenne, les chercheurs peuvent modifier l’angle d’émission de la lumière hors du réseau. De cette manière, ils peuvent orienter le faisceau sans aucune pièce mobile.

Mais si les ingénieurs placent les antennes trop près les unes des autres, elles vont interférer entre elles et la lumière qu’elles émettent sera brouillée. Pour éviter cela, les scientifiques espacent généralement davantage les antennes, mais cette solution présente aussi des inconvénients.

Si les antennes sont trop espacées, le réseau émettra plusieurs copies du faisceau lumineux sous différents angles. Les chercheurs ne peuvent orienter le faisceau principal que jusqu’à un certain point dans les deux directions, au-delà duquel il devient indiscernable de ses copies voisines.

« Cela limite notre champ de vision, de sorte que le véhicule autonome ne connaît désormais que ce qui se trouve devant lui dans un certain angle », explique Garcia Coleto.

Ces copies de faisceau, appelées lobes de réseau, peuvent provoquer des faux positifs en perturbant le capteur. Elles entraînent également un gaspillage d’énergie.

Les chercheurs du MIT ont résolu ce problème en concevant un ensemble d’antennes à diaphonie réduite qui peuvent être placées à proximité les unes des autres sans provoquer d’effet de couplage significatif.

Dans un OPA standard, toutes les antennes ont la même conception, c’est-à-dire la même disposition des ondulations. Ces antennes identiques présentent un couplage très fort lorsqu’elles sont placées à proximité les unes des autres.

Pour surmonter cet obstacle fondamental, les chercheurs du MIT ont conçu un ensemble de trois antennes aux géométries différentes, en faisant varier la largeur de chaque antenne ainsi que la taille et la disposition des ondulations. Grâce à ces géométries variées, chaque antenne possède un coefficient de propagation différent, qui détermine la façon dont la lumière se propage à travers l’antenne.

« Comme les antennes ont des coefficients de propagation très différents, lorsqu’on les place à proximité les unes des autres, chaque antenne ne « voit » pratiquement pas l’antenne voisine. Par conséquent, il n’y a pas de couplage avec elle », explique Garcia Coleto. 

Un exercice d’équilibriste photonique

Mais même si les antennes ont des coefficients de propagation différents, les chercheurs ont quand même besoin qu’elles émettent de la lumière de la même manière. 

Ils y sont parvenus en concevant soigneusement les antennes afin de répondre à trois paramètres. 

Premièrement, chaque antenne doit émettre la même quantité de lumière. Deuxièmement, chaque antenne doit émettre un faisceau sous le même angle pour une même longueur d’onde. Troisièmement, l’angle d’émission doit varier uniformément sur l’ensemble du réseau lorsque les chercheurs le manipulent.

« Nous sommes confrontés à un défi : nous devons concevoir des antennes aux géométries différentes afin de réduire la diaphonie, tout en veillant à ce qu’elles présentent les mêmes caractéristiques d’émission. Bien que cela soit techniquement possible, c’est extrêmement difficile car, généralement, les antennes de géométries différentes ont tendance à se comporter différemment », explique Crawford-Eng.

Les chercheurs ont d’abord élaboré la théorie électromagnétique fondamentale qui explique le couplage des modes radiatifs. Ils ont utilisé cette théorie comme guide pour concevoir et simuler leurs antennes.

S’appuyant sur ces analyses, ils ont fabriqué l’OPA avec des antennes à diaphonie réduite espacées de manière beaucoup plus rapprochée que dans un OPA traditionnel, puis ont testé expérimentalement le système.

Alors qu’un OPA classique présenterait un couplage d’environ 100 % dans cette expérience, leur OPA a réduit ce couplage à environ 1 % tout en générant un faisceau unique et précis. Grâce à cette conception, ils ont démontré une orientation précise du faisceau sur un large champ de vision, sans lobes de réseau. 

À l’avenir, les chercheurs prévoient d’améliorer encore leur technique afin d’obtenir un champ de vision encore plus large. De plus, ils explorent une nouvelle solution potentielle pour la fonctionnalité de champ de vision large, découverte lors du développement de la théorie sous-jacente.

« Ces travaux s’attaquent à un défi de longue date dans le domaine des réseaux optiques à commande de phase intégrés : obtenir simultanément un large champ de vision, ce qui exige un espacement dense entre les antennes, et une haute qualité de faisceau, ce qui nécessite une faible diaphonie entre les antennes voisines. Les auteurs résolvent ce problème grâce à une conception d’antenne élégante. Leur innovation représente une avancée majeure pour la technologie de pilotage de faisceau à semi-conducteurs sur puce », déclare Joyce Poon, professeure de génie électrique et informatique à l’Université de Toronto et directrice de l’Institut Max Planck de physique des microstructures, qui n’a pas participé à ces travaux.

https://news.mit.edu/2026/photonics-advance-could-enable-compact-high-performance-lidar-sensors-0507