Es ist spät und stockfinster. Ein selbstfahrendes Auto fährt auf einer engen, kurvenreichen Landstraße. Plötzlich tauchen gleichzeitig drei Hindernisse auf.
It’s late, pitch dark, and a self-driving car winds down a narrow country road. Suddenly, three hazards appear at the same time.
Was passiert als Nächstes?
What happens next?
Bevor es die Hindernisse umfahren kann, muss das Auto sie entdecken und genug Informationen über Größe, Form und Position sammeln, damit seine Kontrollalgorithmen den sichersten Kurs planen können. Ohne menschlichen Fahrer braucht das Auto intelligente Augen -- Sensoren, die diese Details registrieren müssen -- trotz Umgebung, Wetter- und Lichtverhältnissen und all das sekundenschnell. Eine große Aufgabe, doch es gibt eine Lösung, die zwei Dinge kombiniert: ein spezielles laserbasiertes Messsystem namens LIDAR und Kommunikationstechnik im Kleinformat, die das Internet am Laufen hält, die integrierte Photonik.
Before it can navigate this onslaught of obstacles, the car has to detect them— gleaning enough information about their size, shape, and position, so that its control algorithms can plot the safest course. With no human at the wheel, the car needs smart eyes, sensors that’ll resolve these details— no matter the environment, weather, or how dark it is— all in a split-second. That’s a tall order, but there’s a solution that partners two things: a special kind of laser-based probe called LIDAR, and a miniature version of the communications technology that keeps the internet humming, called integrated photonics.
Um LIDAR zu verstehen, hilft der Vergleich mit der verwandten Radartechnik. In der Luftfahrt senden Radarantennen Funk- oder Mikrowellen an Flugzeuge. Sie orten deren Position, indem sie messen, wann die Wellen das Flugzeug treffen. Doch dieses Sichtsystem ist ungenau. Denn die großen Strahlen erkennen keine Details. Im Gegensatz dazu verwenden selbstfahrende Autos LIDAR, d. h. lichtgestützte Ortung und Abstandsmessung. LIDAR nutzt einen feinen, unsichtbaren Infrarot-Laser. Er erkennt kleinste Objekte wie den Hemdknopf eines Fußgängers auf der anderen Straßenseite. Wie lassen sich aber Form oder Tiefe dieser Objekte bestimmen?
To understand LIDAR, it helps to start with a related technology— radar. In aviation, radar antennas launch pulses of radio or microwaves at planes to learn their locations by timing how long the beams take to bounce back. That’s a limited way of seeing, though, because the large beam-size can’t visualize fine details. In contrast, a self-driving car’s LIDAR system, which stands for Light Detection and Ranging, uses a narrow invisible infrared laser. It can image features as small as the button on a pedestrian’s shirt across the street. But how do we determine the shape, or depth, of these features?
LIDAR feuert zur Tiefenauflösung eine Reihe ultrakurzer Laserimpulse ab. Nehmen wir einen Elch auf der Landstraße. Während der Wagen vorbeifährt, trifft ein LIDAR-Impuls auf den Ansatz des Geweihs und der nächste prallt von der Spitze einer Geweihschaufel ab. Die Messung des Zeitunterschieds der Rückstreuung beider Impulse gibt Aufschluss über die Form des Geweihs. So erstellt ein LIDAR-System mit vielen Kurzimpulsen ein schnelles Detailprofil.
LIDAR fires a train of super-short laser pulses to give depth resolution. Take the moose on the country road. As the car drives by, one LIDAR pulse scatters off the base of its antlers, while the next may travel to the tip of one antler before bouncing back. Measuring how much longer the second pulse takes to return provides data about the antler’s shape. With a lot of short pulses, a LIDAR system quickly renders a detailed profile.
Die einfachste Art der Lichtimpulserzeugung ist das Ein- und Ausschalten eines Lasers. Das macht ihn aber instabil und beeinträchtigt das exakte Takten der Impulse. So wird die Tiefenauflösung ungenau. Der Laser bleibt also besser an und man nutzt etwas anderes, um das Licht schnell und zuverlässig periodisch abzudecken.
The most obvious way to create a pulse of light is to switch a laser on and off. But this makes a laser unstable and affects the precise timing of its pulses, which limits depth resolution. Better to leave it on, and use something else to periodically block the light reliably and rapidly.
Hier kommt integrierte Photonik ins Spiel Digitale Internetdaten werden von präzise getakteten Lichtimpulsen übertragen -- bis zu hundert Pikosekunden schnell. Eine Art der Impulserzeugung bietet der Mach-Zehnder-Modulator. Er nutzt den Vorteil einer bestimmten Welleneigenschaft, der Interferenz. Wenn man Steine in einen Teich wirft, breiten sich Wellen aus, überlappen sich und bilden ein Muster. Hier und da laufen Wellen ineinander und bilden noch größere; manchmal heben sie einander auf. Der Mach-Zehnder-Modulator funktioniert ähnlich. Er teilt Lichtwellen in zwei parallele Arme und verbindet sie dann wieder. Wird das Licht in einem Arm verlangsamt und verzögert, verbinden sich die Wellen nicht synchron, heben sich auf und blockieren das Licht. Manipuliert man die Verzögerung in einem Arm, wirkt der Modulator wie ein Ein-/Ausschalter und sendet Lichtimpulse aus. Ein Lichtimpuls von 100 Pikosekunden schafft zentimeterfeine Tiefenauflösungen. Doch die Autos von morgen müssen noch besser sehen. Durch Kopplung des Modulators mit einem hochempfindlichen, schnellen Lichtsensor erhält man millimetergenaue Auflösungen. Das ist über 100 Mal besser, als was wir mit normaler Sehkraft auf der anderen Straßenseite erkennen. Die 1. Generation des automobilen LIDAR nutzt komplexe Drehvorrichtungen.
That’s where integrated photonics come in. The digital data of the internet is carried by precision-timed pulses of light, some as short as a hundred picoseconds. One way to create these pulses is with a Mach-Zehnder modulator. This device takes advantage of a particular wave property, called interference. Imagine dropping pebbles into a pond: as the ripples spread and overlap, a pattern forms. In some places, wave peaks add up to become very large; in other places, they completely cancel out. The Mach-Zehnder modulator does something similar. It splits waves of light along two parallel arms and eventually rejoins them. If the light is slowed down and delayed in one arm, the waves recombine out of sync and cancel, blocking the light. By toggling this delay in one arm, the modulator acts like an on/off switch, emitting pulses of light. A light pulse lasting a hundred picoseconds leads to a depth resolution of a few centimeters, but tomorrow’s cars will need to see better than that. By pairing the modulator with a super- sensitive, fast-acting light detector, the resolution can be refined to a millimeter. That’s more than a hundred times better than what we can make out with 20/20 vision, from across a street. The first generation of automobile LIDAR has relied on complex spinning assemblies
Sie scannen von Dächern oder Motorhauben. Integrierte Photonik schrumpft Modulatoren und Sensoren auf weniger als Zehntelmillimeter. Sie sitzen in Mikrochips, die eines Tages in Autoscheinwerfer passen werden. In den Chips wird auch die smarte Version des Modulators zu finden sein. So möchte man bewegliche Teile entfernen und bei hohem Tempo scannen können.
that scan from rooftops or hoods. With integrated photonics, modulators and detectors are being shrunk to less than a tenth of a millimeter, and packed into tiny chips that’ll one day fit inside a car’s lights. These chips will also include a clever variation on the modulator to help do away with moving parts and scan at rapid speeds.
Durch nur geringe Verlangsamung des Lichts in einem Modulatorarm ist diese Zusatzvorrichtung eher Dimmer als Ein-/Ausschalter. Durch Parallelschaltung vieler Arme -- jeder davon mit kleiner kontrollierter Verzögerung -- kann man etwas Neues entwickeln: einen steuerbaren Laserstrahl.
By slowing the light in a modulator arm only a tiny bit, this additional device will act more like a dimmer than an on/off switch. If an array of many such arms, each with a tiny controlled delay, is stacked in parallel, something novel can be designed: a steerable laser beam.
An ihrem neuen Platz sondieren und sehen smarte Augen schärfer, als es sich die Natur je vorgestellt hätte, und helfen so, mögliche Hindernisse zu umfahren. Dabei muss niemand nervös werden -- außer vielleicht ein desorientierter Elch.
From their new vantage, these smart eyes will probe and see more thoroughly than anything nature could’ve imagined— and help navigate any number of obstacles. All without anyone breaking a sweat—