vers l’hybridation et l’intégration de différents matériaux font de cette filière une plateforme technologique assez complète. Ainsi, si la photonique sur silicium permet d’envisager la pro-duction de masse de dispositifs optiques intégrés pour des applications grand public telles que le câblage des résidences particulières (Fiber To The Home, FTTH), il n’en reste pas moins qu’il existe de nombreuses applications nécessitant des flux de production plus faibles pour lesquelles une plateforme technologique plus souple est adaptée. Ainsi, le développement de systèmes de mesure embarqués pour la sécurité des aéronefs civils et militaires, actuellement mené au laboratoire en collaboration avec des partenaires industriels, est présenté dans la suite.
1.5 Développement d’un système complexe : le LiDAR
Un anémomètre, du grec ανεμος « vent » et μετρον « mesure », est un instrument qui mesure la vitesse du vent. L’anémométrie laser utilise un système LiDAR (Light Detection And Ranging) pour mesurer la vitesse des particules entourant l’avion et remonter ainsi à celle de l’aéronef par rapport à l’air qui l’entoure. Cette donnée est cruciale, car elle conditionne la portance des ailes de l’avion et donc son maintien en vol.
1.5.1 Architectures des systèmes LiDAR pour l’anémométrie
La vitesse d’un aérosol peut être mesurée par anémométrie à temps de vol ou à effet Dop-pler [99]. La première technique mesure le temps mis par une particule pour passer entre deux régions éclairées par un faisceau laser (anémomètres à deux foyers et à plans parallèles, représenté en figure 1.26.(a)) ou le chemin parcouru par une particule entre deux impulsions laser (anémomètre dans le plan d’image). La deuxième méthode mesure la différence de fré-quence entre la lumière émise par le faisceau, utilisé comme référence, et celle rétrodiffusée par la particule en mouvement (anémomètre à référence). L’effet Doppler est aussi utilisé dans l’anémomètre à franges d’interférence, illustrée en figure 1.26.(b) ; dans cette configuration, le laser est divisé en deux faisceaux de puissance égale focalisés dans une région de l’espace qui constitue le volume de mesure. La particule qui passe dans ce volume diffuse vers le détecteur
´emetteurs d´etecteurs optique d’´emission optique de r´eception ~v (a) ´emetteur s´eparateur d´etecteur optique ~ v θ interfrange : ∆x= λ 2 sin θ 2 ∆ν=2v⊥ λ sin θ 2 (b)
Figure 1.26 – Principe des anémomètres à plans parallèles (a) et à franges (b), d’après [100] et [99].
Chapitre 1. Intégration 3D et hybridation : problématiques et intérêts
un interférogramme dont l’interfrange est proportionnelle à la vitesse de la particule.
L’anémomètre laser à référence mono-statique, où le faisceau sonde et celui réfléchi parcourent le même chemin optique, est le plus répandu pour des mesures en vol car la portée du système peut être fixée sans impacter la stabilité du système de mesure. Grâce à cela, il est possible de focaliser le faisceau dans une région où l’aérosol qui entoure l’avion n’est pas perturbé par le vol. De plus, cette méthode est très avantageuse pour la mesure de vitesse à haute altitude car le faisceau est focalisé sur un volume plus grand, par rapport aux autres types d’anémomètre, ce qui augmente la probabilité de détecter une particule dans des environnements où les aéro-sols sont peu denses [99]. Un exemple possible d’architecture d’anémomètre laser à référence mono-statique [101], est illustré sur la figure 1.27.
Emetteur Coupleur Amplificateur Circulateur
Coupleur 2x2 Det´ecteur ν0 ν0+ ∆ν ν0+ ∆ν ν0 ~ v ~v⊥ ~ vk
lame quart d’onde
Figure1.27 –Exemple d’architecture d’anémomètre laser à référence mono-statique, d’après [101].
Le signal laser est envoyé vers un séparateur qui le divise en deux faisceaux, l’un est utilisé comme référence, l’autre comme sonde. Le signal de sonde, qui peut être amplifié, traverse le circulateur et est focalisé à l’extérieur de l’avion par un système optique composé d’un en-semble des lentilles et d’une lame quart d’onde. Le faisceau réfléchi, qui présente un décalage en fréquence proportionnel à la vitesse de la particule, est collecté par le même système optique, et rentre dans le circulateur avec une polarisation perpendiculaire à celle du faisceau sonde. Il est ainsi dirigé par le circulateur vers le coupleur 2x2, où le signal réfléchi est mélangé avec le signal de référence, qui est ici utilisé comme un oscillateur local. La fréquence du battement produit par les deux signaux sur le détecteur, permet de remonter à la vitesse axiale de la particule grâce à la relation [100] :
∆ν =2vk
λ (1.5)
où∆ν est le décalage en fréquence entre le faisceau référence et le faisceau réfléchi,vk est la composante de la vitesse de la particule parallèle à l’axe optique etλest la longueur d’onde d’émission du laser. La résolution et la sensibilité du système dépendent respectivement de la largeur spectrale et du bruit d’intensité relatif (Relative Intensity Noise) de la source utilisée. Les lasers DFB intégrés réalisés sur verre phosphate dopé Er3+:Yb3+, développés initialement pour les télécommunications optiques, se révèlent ainsi très adaptés comme sources pour ce type de systèmes grâce à leur finesse spectrale, de l’ordre de 3 kHz [102], et à leur très faible bruit d’intensité relatif, inférieur à 140 dB/Hz pour des fréquences supérieures à 4 MHz. De plus, puisque la longueur d’onde émise est supérieure à 1,4µm, ces sources sont considérées
1.5. Développement d’un système complexe : le LiDAR
comme sans danger pour l’œil humain, car leur rayonnement, fortement absorbé par les hu-meurs vitreuses de l’œil, n’endommage pas la rétine. Finalement, l’utilisation d’un laser en optique intégrée permet de réaliser un dispositif plus compact et stable, comparé à ceux basés sur fibres optiques [103] ou en optique de volume.
1.5.2 Vers un système LiDAR en optique intégrée planaire
Les potentialités offertes par l’intégration d’une source laser DFB sur verre dans un système LiDAR ont conduit à la création d’un consortium d’intérêt entre Airbus, Dassault, THALES Avionics, le laboratoire IMEP-LAHC et la société Teem Photonics. Dans ce groupe, les trois premiers partenaires amenaient l’expérience acquise depuis les années 80 dans l’implémentation des mesures LiDAR en aéronautique tandis que les deux derniers apportaient leur savoir faire dans la réalisation de circuits intégrés sur verre. Lors du projet européenNEw Standby Lidar InstrumEnt (NESLIE, 2006-2009) un laser DFB réalisé sur verre émettant à 1547 nm [104] a été utilisé comme injecteur dans un système LiDAR et son fonctionnement a été qualifié en vol [105] : à des températures comprises entre −20°C et 50°C et en faisant face aux vibrations mécaniques de l’avion, la vitesse air de l’aéronef mesurée par le LiDAR correspond parfaitement à celle obtenue à partir des sondes Pitot classiques. En figure 1.28(a), on peut voir la réalisation finale du système laser intégré, sans l’EDFA utilisé pour amplifier le signal, dans un boitier de dimension 12 cmx8 cmx4 cm.
La réussite du projet NESLIE a validé l’utilisation des composants en optique intégrée sur verre pour réduire l’encombrement des systèmes LiDAR et augmenter leur efficacité. Pour cette raison, l’architecture du LiDAR conçu pour le projet européenDemonstration of ANemometry InstrumEnt based on LAser (DANIELA, 2009-2012), illustré en figure 1.28(b), compte trois autres fonctions réalisées en optique intégrée sur verre : le séparateur du signal laser en faisceau
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Figure1.28 –Réalisation du système d’injection dans le cadre du projet NESLIE (a) et architecture fonctionnelle du système LiDAR dans le projet DANIELA (b), d’après [106].
Chapitre 1. Intégration 3D et hybridation : problématiques et intérêts
réfléchi avec celui de référence. Des fibres à maintien de polarisation relient les différents composants.
Parallèlement au projet DANIELA, le travail de recherche, mené au sein de à l’IMEP-LAHC, a porté sur l’intégration d’encore plus de fonctions sur la puce LiDAR. Ainsi le du-plexeur vertical peut remplacer le démultidu-plexeur fibré et filtrer la pompe résiduelle présente à la sortie du laser DFB. La substitution de l’isolateur par un composant en optique intégré sur verre est envisageable à moyen terme, compte tenu des récents avancements concernant le rotateur de Faraday hybride [98] et la démonstration d’un séparateur de polarisation réalisé par échange d’ions [107].
Une autre solution étudiée pour augmenter la compacité du système consiste en une inter-vention radicale sur l’architecture du LiDAR pour changer le schéma de pompage. En effet le laser DFB, caractérisé par une puissance émise de l’ordre de 10 mW, est actuellement pompé par une diode laser à semi-conducteur monomode émettant une puissance proche du watt à 976 nm, qui permet d’obtenir une émission autour de 1535 nm. Des puissances de pompe plus élevées permettraient d’obtenir des puissances laser plus grandes et donc de supprimer un étage d’amplification. La fabrication des sources monomodes à semi-conducteur plus puissantes pose néanmoins des problèmes de fiabilité du système [108]. Il existe des diodes à semi-conducteur multimodes à ruban large émettant des puissances plus élevées, mais elles présentent un fais-ceau large et multimode peu adapté à pomper un laser DFB monomode. Pour cette raison, une architecture, schématisée en figure 1.29, qui hybride des diodes à semi-conducteur multimodes à ruban large avec un filtre modal réalisé en optique intégrée sur verre a été proposée [109] et fabriquée à l’aide d’un échange d’ions Ag+/Na+sous champ électrique [110]. Un guide d’onde multimode, qui présente un bon couplage avec les diodes à ruban large, constitue l’entrée du filtre modal. Cette région est suivie par un épanouisseur qui permet au seul mode fondamental de se propager sans perte dans la structure. L’épanouisseur débouche sur un guide monomode qui garantit un bon couplage avec des fibres optiques. En bout de ce guide, a été réalisé un réseau de Bragg qui réfléchit et réinjecte vers la diode une faible partie de son spectre d’émis-sion. Cette perturbation verrouille la diode dans un régime de fonctionnement monomode à
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Figure1.29 –Hybridation d’une diode de pompe à ruban large à l’aide d’un convertisseur modal réalisé sur substrat de verre, d’après [106].