It’s late, pitch dark, and a self-driving car winds down a narrow country road. Suddenly, three hazards appear at the same time.
Es tarde, está oscuro y un auto autónomo serpentea por la carretera. De repente, tres amenazas aparecen al mismo tiempo.
What happens next?
¿Qué ocurre después?
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.
Antes de recorrer esta serie de obstáculos, el coche debe detectarlos... recopilando suficiente información sobre su tamaño, forma y posición, para que sus algoritmos de control puedan trazar el rumbo más seguro. Sin un humano al volante, el auto necesita ojos inteligentes, sensores que resolverán esos detalles, sin importar el entorno, clima, o lo oscuro que esté, todo en una fracción de segundo.
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.
Es una tarea difícil, pero hay una solución que asocia dos cosas: un tipo de láser de sonda llamado LiDAR, y una versión en miniatura de tecnología de comunicación que mantiene internet funcionando llamado sistemas fotónicos integrados.
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?
Para entender el LiDAR, es útil empezar por una tecnología relacionada: el radar. En la aviación, las antenas de radar envían pulsaciones de radio o microondas a los aviones para conocer sus ubicaciones, cronometrando el tiempo de recuperación. Sin embargo, es una forma limitada de ver, porque el gran tamaño del haz no puede visualizar detalles. En contraste, el sistema LiDAR del auto autónomo, que significa "Detención de Luz y Rango", usa un delgado láser infrarrojo invisible. Puede captar imágenes tan pequeñas como el botón de la camisa de un peatón al otro lado de la calle. ¿Pero cómo determinamos la forma o profundidad de estas características?
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.
LiDAR dispara una serie de pulsos láser para dar una resolución profunda. Piense en el alce en la carretera rural. Mientras el auto pasa, un pulso LiDAR se propaga a la base de las astas, mientras el siguiente puede viajar hasta la punta del asta antes de rebotar. Midiendo cuánto tiempo más tarda el segundo pulso en volver proporciona información sobre la forma del asta. Con gran cantidad de pulsos cortos, el LiDAR renderiza rápido un perfil detallado
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.
La forma más obvia de crear un pulso de luz es encender y apagar un láser. Pero esto hace al láser inestable y afecta a la sincronización precisa de sus pulsos, lo que limita la resolución de profundidad. Mejor dejarlo encendido, y usar otra cosa para bloquear la luz de forma confiable y rápida.
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.
Ahí está la fotónica integrada. La información digital de internet son transportados por pulsos de luz de tiempo de precisión, algunos tan cortos como 100 picosegundos. Una forma de crear estos pulsos es con un modulador March-Zehnder. Este dispositivo aprovecha una propiedad de onda particular, llamada inferencia. Imagina que caen piedras en un estanque: a medida que las ondas se extienden y superponen, se forma un patrón. En algunos lugares, los picos de onda se vuelven más grandes; en otros lugares, se cancelan completamente. El modulador March-Zehnder hace algo similar. Divide las ondas de luz en dos brazos paralelos y eventualmente los junta. Si la luz disminuye y se retrasa en uno de los brazos, las ondas se recombinan fuera de sincronía y se cancelan, bloqueando la luz Alternando este retraso en un brazo, el modulador actúa como un interruptor de encendido/apagado emitiendo pulsos de luz. Un pulso de luz que dure 100 picosegundos conduce a una resolución de profundidad de un par de centímetros, pero los autos del mañana necesitarán ver mejor que eso. Al vincular el modulador con un detector de luz supersensible de acción rápida, la resolución se puede pulir al milímetro. Eso es más de cien veces mejor de lo que podemos ver con una visión 20/20, desde el otro lado de la calle
The first generation of automobile LIDAR has relied on complex spinning assemblies 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.
La primera generación de autos LiDAR se ha basado en ensamblajes giratorios que escanean desde tejados a capuchas. Con fotónica integrada, los moduladores y detectores se reducen a menos de una décima de milímetro y se empaquetan en pequeños chips que un día cabrán en las luces del auto. Estos chips también incluirán una variación inteligente en el modulador para ayudar a eliminar las partes móviles y escanear a altas velocidades.
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.
Al reducir la luz del brazo modulador solo un poco, este dispositivo adicional actuará más como atenuador del interruptor on/off. Si una serie de brazos, cada uno con un pequeño retraso controlado, se apila en paralelo, se puede diseñar algo novedoso: un rayo láser orientable.
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— except for maybe one disoriented moose.
Desde su nueva posición, estos ojos inteligentes sondearán y verán más a fondo de lo que la naturaleza podría haber imaginado, y ayudan a sortear cualquier cantidad de obstáculos. Todo sin que nadie empiece a sudar, excepto, tal vez, un alce desorientado.