It’s late, pitch dark, and a self-driving car winds down a narrow country road. Suddenly, three hazards appear at the same time.
Il est tard, il fait nuit noire et une voiture autonome roule sur une étroite route de campagne.
What happens next?
Soudainement, trois dangers apparaissent au même moment.
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.
Qu'arrive-t-il ensuite ? Avant de se frayer un chemin à travers cet amas d'obstacles, la voiture doit les détecter et obtenir assez d'informations sur leur taille, leur forme et leur position afin que ses algorithmes puissent choisir la trajectoire la plus prudente. Sans humain devant le volant, la voiture a besoin d'yeux intelligents, des capteurs qui décèlent les détails quel que soit l'environnement, la météo ou la luminosité,
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.
tout cela en une fraction de seconde. C'est un défi de taille mais il existe une solution qui associe deux choses : un type spécial de sonde basée sur un laser, appelée lidar, et une version miniature de la technologie de communication
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?
qui maintient Internet en marche, appelée l'optique intégrée. Pour comprendre le lidar, on peut débuter avec une technologie similaire, le radar. Dans l'aviation, les antennes radar lancent des pulsations d'ondes radio ou de micro-ondes aux avions pour déterminer leur position en chronométrant le temps qu'elles mettent à revenir. C'est néanmoins une manière limitée de voir car les ondes de grande amplitude ne peuvent pas capter de petits détails. En revanche, le système lidar d'une voiture autonome, qui vient de l'anglais « light detection and ranging », utilise un laser infrarouge fin et invisible. Il peut capturer des détails aussi petits qu'un bouton de la chemise d'un piéton de l'autre côté de la rue.
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.
Mais comment détermine-t-on la forme ou le relief de ces objets ? Le lidar envoie une série de pulsations très rapides pour la résolution du relief. Prenons un élan sur la route de campagne. Tout en roulant, une pulsation du lidar est réfléchie sur le bas de ses bois, alors qu'une autre peut toucher le bout d'un bois avant de revenir. Chronométrer combien de temps en plus la seconde pulsation prend pour revenir informe à propos de la forme des bois.
The most obvious way to create a pulse of light is to switch a laser on and off.
Avec beaucoup de courtes pulsations, un lidar dessine vite un profil détaillé.
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 manière la plus évidente de créer une pulsation lumineuse est d'allumer et d'éteindre un laser. Mais cela rend le laser instable et nuit à la précision des périodes de pulsation, ce qui limite la résolution des détails. Il vaut mieux le laisser allumé et utiliser autre chose
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.
pour bloquer la lumière périodiquement de manière fiable et rapide. C'est là que l'optique intégrée intervient. Les données digitales d'Internet sont transmises par des pulsations lumineuses très précises, certaines ne durant que cent picosecondes. Une façon de créer ces pulsations utilise un interféromètre de Mach-Zehnder. Cet appareil tire parti d'une propriété particulière des ondes, appelée l'interférence. Imaginez deux galets jetés dans un étang : en se diffusant et en se chevauchant, les ondulations forment un motif. A certains endroits, les vagues s'additionnent et sont plus hautes ; à d'autres endroits, elles s'annulent complètement. L'interféromètre de Mach-Zehnder fait quelque chose de similaire. Il sépare une onde lumineuse le long de deux bras parallèles et les rejoint ensuite. Si la lumière est ralentie et retardée dans un bras, les ondes se recombinent de manière désynchronisée et s'annulent, ce qui bloque la lumière. En maîtrisant ce retard dans un bras, l'interféromètre fonctionne comme un interrupteur qui émet des pulsations lumineuses. Une pulsation de lumière qui dure cent picosecondes mène à une résolution du relief de quelques centimètres. Mais les voitures de demain auront besoin de voir mieux que ça. En couplant l'interféromètre avec un capteur de lumière à action rapide très sensible, la résolution peut être affinée jusqu'à un millimètre. C'est plus de cent fois mieux que ce que l'on peut discerner avec une vue de dix dixièmes
The first generation of automobile LIDAR has relied on complex spinning assemblies
de l'autre côté de la rue.
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 première génération de lidars automobiles dépendait de montages rotatifs complexes qui observent les alentours depuis les toits ou les capots. Avec l'optique intégrée, les interféromètres et les capteurs rétrécissent jusqu'à moins d'un dixième de millimètre et sont contenus dans de minuscules puces qui entreront, un jour, dans les phares. Ces puces incluront aussi une version plus intelligente de l'interféromètre afin d'aider à en finir avec les pièces en mouvement
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.
et à scanner lorsqu'on roule très vite. En ralentissant un petit peu la lumière dans le bras d'un interféromètre, ce nouvel appareil agira plus comme un variateur qu'un interrupteur. Si une série de bras, chacun avec un léger retard contrôlé, est assemblée en parallèle, quelque chose de novateur peut être conçu :
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.
un rayon laser orientable. Avec leurs nouvelles technologies, ces yeux intelligents scruteront et verront plus minutieusement que tout ce que la nature a pu imaginer et aideront à traverser d'innombrables obstacles. Tout cela sans que personne ne transpire,