It’s late, pitch dark, and a self-driving car winds down a narrow country road. Suddenly, three hazards appear at the same time.
מאוחר, חשוך לגמרי, ומכונית אוטונומית נוסעת במורד כביש כפרי. פתאום, שלושה מכשולים מופיעים באותו זמן.
What happens next?
מה יקרה עכשיו?
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.
לפני שתוכל לנווט בין מגוון המכשולים, המכונית צריכה לזהות אותם -- לקבל מספיק מידע על הגודל, הצורה והמיקום שלהם, כך שאלגוריתם השליטה שלה יוכל לנווט במסלול הכי בטוח. ללא אדם ליד ההגה, המכונית צריכה עיניים חכמות, גלאים שיעבדו את המידע הזה -- לא משנה הסביבה, מזג האויר או כמה חשוך -- הכל בחלקיקי שניות.
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.
זו משימה כבדה, אבל יש פיתרון שמאחד שני דברים: סוג מיוחד של גלאי מבוסס לייזר שנקרא LIDAR, וגרסה מיניאטורית של טכנולוגית תקשורת ששומרת על האינטרנט מזמזם, שנקראת פוטוניקה משולבת.
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?
כדי להבין את הלידאר, כדאי להתחיל עם טכנולוגיה קשורה - רדאר. בתעופה, אנטנות רדאר משגרות פולסים של רדיו או מיקרוגל למטוסים כדי לגלות את המיקום שלהם על ידי תזמון של כמה זמן לוקח לקרניים לחזור. זו דרך מוגבלת לראות עם זאת, בגלל שגודל הקרן הגדול לא יכול לראות פרטים קטנים. בניגוד, הלידאר של מכוניות אוטונומית, ראשית תיבות של זיהוי אור וטיווח, משתמשת בלייזר אינפרא אדום בלתי נראה וצר. היא יכולה לדמות תכונות קטנות כמו כפתור על חולצת הולך רגל בצד השני של הרחוב. אבל איך אנחנו קובעים את הצורה, או העומק של התכונות האלו?
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.
לידאר יורה רכבת של פולסיי לייזר סופר קצרים כדי לתת רזולוציית עומק. קחו לדוגמה את האייל על הדרך הכפרית. כשהמכונית נוסעת, פולס לידאר אחד מתפזר מתחתית הקרניים שלו, בעוד הבא יכול להגיע לקצה הקרן לפני שיוחזר. מדידת כמה זמן יותר לוקח לפולס השני לחזור יספק מידע על צורת הקרן. כשיש הרבה פולסים קצרים, מערכת לידאר מייצרת במהירות פרופיל מפורט.
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.
הדרך הכי ברורה ליצור פולס אור היא להדליק ולכבות לייזר. אבל זה הופך לייזר ללא יציב ומשפיע על התזמון המדוייק של הפולסים, מה שמגביל את אבחנת העומק. עדיף להשאיר אותו דולק, ולהשתמש במשהו אחר לחסום באופן מחזורי את האור באמינות ובמהירות.
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.
שם הפוטוניקה המשולבת נכנסת לתמונה. המידע הדיגיטלי של האינטרנט נישא על ידי פולסים של אור מתוזמנים במדויק, כמה קצרים באורך מאה פיקו-שניות. דרך אחת ליצור את הפולסים האלה היא מודולטור מאך-זנדר. המכשיר הזה משתמש ביתרון של תכונת גל מסויימת, שנקראת התאבכות. דמיינו שאתם מפילים אבנים לבריכה: כשהגלים מתפשטים וחופפים, נוצרת תבנית. בכמה מקומות, פסגות הגלים מצטברות והופכות לגדולות מאוד; במקומות אחרים, הן לגמרי מבטלות אחת את השניה. מודולטור מאך זנדר עושה משהו דומה. הוא מפצל גלים של אור לאורך שתי זרועות מקבילות ולבסוף מחבר אותם. אם האור מואט ומעוכב בזרוע אחת, הגלים מתחברים מחוץ לסנכרון ומתבטלים, חוסמים את האור. על ידי מיתוג העיכוב בזרוע אחת, המודולטור פועל כמו מתג הפעלה/כיבוי, ומשגר פולסים של אור. פולס אור באורך מאה פיקו-שניות מוביל להפרדת עומק של כמה סנטימטרים, אבל המכוניות של מחר יצטרכו לראות טוב מזה. על ידי חיבור המודולטור עם גלאי אור סופר רגיש שפועל במהירות, הרזולוציה יכולה להיות משופרת למילימטר. זה טוב פי מאה ממה שאנחנו יכולים לזהות בראיה 6/6, מהצד השני של הרחוב.
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.
הדור הראשון של לידאר לרכבים הסתמך על התקנים מסתובבים מסובכים שסרקו מהגגות או ממכסה המנוע. עם פוטוניקה משולבת, המודולטורים והגלאים מכווצים לפחות מעשירית המילימטר, וארוזים בשבבים זעירים שיום אחד יתאימו לתוך פנסי המכונית. השבבים האלו יכללו גם גרסה חכמה של המודולטור שתעזור להיפטר מחלקים נעים ולסרוק במהירויות גדולות.
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.
על ידי האטת האור בזרוע המודולטור רק במעט, המכשיר הנוסף הזה יפעל יותר כמו עמעם מאשר מתג הפעלה/כיבוי. במערך של הרבה זרועות כאלו, כל אחת עם עיכוב נשלט זעיר, שנערמות במקביל, אפשר לתכנן משהו חדשני: קרן אור שניתנת לכיוון.
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.
מנקודת המבט החדשה שלהם, העיניים החכמות האלו יחקרו ויראו יותר ביסודיות מכל דבר שהטבע יכול לדמיין -- ולעזור לנווט כל כמות של מכשולים. הכל בלי להתאמץ -- אולי חוץ מאייל מבולבל.