Lasers haute performance nouvelle génération boostant la navigation en espace lointain

Le Deep Space Network (DSN) de la NASA, une sorte de GPS pour l'espace, repose sur des horloges atomiques pour une extrême précision. Tout système de navigation moderne doit chronométrer précisément les signaux radio pour trianguler une position. Mais le besoin de précision est encore plus grand dans l'espace, où de grandes distances peuvent composer même de minuscules erreurs.

Les avancées de Lute Maleki, ancien chercheur au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, CA, et ses collègues du JPL pour l'espace ont maintenant conduit à certains des lasers et oscillateurs les plus raffinés au monde pour applications comme communications, télémètres pour voitures autonomes, et domaines émergents comme l'informatique quantique.

Dans les années 1980, alors qu'il travaillait à améliorer la technologie d'horloge atomique pour le DSN, Maleki a établi ce qui est devenu le groupe Sciences et Technologies Quantiques du JPL pour développer de nouvelles capacités utilisant la physique quantique qui gouverne les particules les plus élémentaires, comme les photons ou les atomes vibrants dans une horloge. L'équipe a développé un type d'horloge atomique meilleur, plus abordable, et aussi, pour la première fois, envoyé des signaux d'horloge atomique par câbles à fibres optiques vers des antennes à près de 20 miles.

Au début des années 1990, Maleki et un autre membre de son lab ont fini par inventer un nouveau type d'oscillateur. « Il avait un problème de stabilité qu'il ne pouvait pas résoudre, et je lui ai dit de le transformer en oscillateur pour le résoudre, et nous avons inventé l'oscillateur optoélectronique », dit Maleki.

Les oscillateurs sont cruciaux non seulement pour la mesure du temps mais aussi pour les communications, où ils permettent à deux ou plus dispositifs de s'accorder sur une fréquence précise pour envoyer et recevoir l'information. Alors que tous les oscillateurs précédents utilisaient un courant électrique pour générer leur vibration, celui-ci utilisait la lumière laser. L'oscillateur optoélectronique est devenu depuis critique pour plusieurs applications, comme le radar, l'ingénierie spatiale, et les communications sans fil.

Pour assurer une fréquence constante, cependant, l'oscillateur a besoin d'un résonateur. À l'époque, c'était généralement une fibre optique qui pouvait porter un signal de sortie sur une bonne distance — idéalement un mile ou plus — et le faire circuler en retour, permettant au système de suivre sa propre fréquence de sortie et annuler le bruit, explique Maleki. Cela faisait un système encombrant.

Cela a mené à sa seconde invention fondatrice : l'utilisation d'un résonateur optique à mode galerie chuchotante (whispering gallery mode). À l'époque, la NASA n'avait pas beaucoup d'usage pour cela, mais Maleki était confiant qu'il y avait un marché.

Il a fondé OEwaves (OE pour optoélectronique) en 1999 avec environ 30 brevets du travail NASA de son équipe, licenciés via le California Institute of Technology, qui gère le JPL.

L'entreprise a mis du temps à trouver sa place dans un paysage technologique changeant, mais ses produits, qui incluent les lasers à semi-conducteurs les plus faibles en bruit disponibles, ont trouvé de nouveaux marchés s'ouvrant ces dernières années. L'un est dans les « structures intelligentes », un concept existant depuis des décennies mais commençant à être mis en pratique, surtout en Asie. Des capteurs à fibres optiques embarqués dans bâtiments, ponts, chemins de fer et autres structures peuvent détecter contrainte ou déformation, mais cela nécessite des lasers à faible bruit pour révéler de minuscules variations de longueur d'onde.

Maleki dit s'attendre à une demande accrue dans les marchés du téléphone portable et communications, alors qu'ils passent vers des fréquences plus hautes, qui portent l'information plus efficacement mais nécessitent une fidélité extrêmement haute.

Et en 2014, OEwaves a essaimé une entreprise appelée Strobe Inc. pour développer la technologie LiDAR pour voitures autonomes. Un système LiDAR utilise des signaux laser réfléchis pour construire une carte 3D de son environnement, que beaucoup d'entreprises de véhicules autonomes considèrent comme technologie habilitante. La filiale de GM, Cruise Automation, a acheté Strobe en 2017.

Maleki dit que la même technologie née au JPL a permis à Strobe de développer des systèmes LiDAR petits, efficaces, capables de changer de fréquence rapidement — une technique appelée « chirping » — en utilisant seulement le résonateur. Le chirping aide à mesurer à la fois la distance et la vitesse des objets environnants. Et tout le système pouvait être mis sur un circuit photonique intégré, réduisant encore les coûts.

Plusieurs universités et entreprises achètent aussi les composants laser pour rechercher de futurs dispositifs quantiques pour communications, informatique, et autres applications.

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