It’s late, pitch dark, and a self-driving car winds down a narrow country road. Suddenly, three hazards appear at the same time.
Késő van, koromsötét, egy önvezető autó hajt lassan egy keskeny országúton. Hirtelen három veszély bukkan fel egyszerre.
What happens next?
Mi fog történni?
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.
Mielőtt navigálhatna a felmerülő akadályok között, az autónak fel kell ismernie azokat. Elég információra van szüksége azok méretéről, alakjáról és elhelyezkedéséről ahhoz, hogy a vezérlő algoritmusa megtervezhesse a legbiztonságosabb utat. Mivel nincs sofőr a volánnál, az autónak okosszemekre, szenzorokra van szüksége, hogy megfejtse ezeket a részleteket, környezettől, időjárástól függetlenül, és bármilyen sötét is legyen – mindezt a másodperc töredéke alatt.
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.
Ez kemény dió, de van egy megoldás, amely két részből áll: egy különleges lézer-alapú távérzékelés, a LIDAR, és a kommunikációs technológia egy miniatűr verziója, ami az internetet működteti, az integrált fotonika.
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?
A LIDAR megértését kezdjük a radarral, ami egy kapcsolódó technológia. A légi közlekedésben a radar antennák rádió- vagy mikrohullámokat bocsátanak ki a repülőkre, hogy a visszaverődés idejét mérve megismerjék a helyzetüket. Ez azonban korlátozott képet ad, mert a nagy méretű sugarak nem adnak képet a finom részletekről. Ezzel ellentétben egy önvezető autó LIDAR rendszere, vagyis lézer-alapú távérzékelési rendszere egy vékony, láthatatlan infravörös lézert használ. Ez képes olyan apró részleteket felismerni, mint egy gomb az út túloldalán álló gyalogos ingén. De hogyan határozzuk meg a jellemzők alakját vagy mélységét?
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.
A LIDAR nagyon rövid lézerimpulzusok sorát kibocsátva ad képet a mélységről. Vegyük például a jávorszarvast az országúton. Ahogy az autó elhalad, egy LIDAR impulzus szétszóródik az agancsai tövéről, míg egy másik talán az egyik agancsa tetejéhez jut el, mielőtt visszaverődne. Ha megmérjük, mennyivel több idő, mire a második impulzus visszaérkezik, információt kapunk az agancs alakjáról. A LIDAR rendszer sok rövid impulzust használva gyorsan ad részletes képet.
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.
Fényimpulzust legegyszerűbben egy lézer ki- és bekapcsolásával hozhatunk létre. Így viszont a lézer instabil lesz, és ez hat az impulzusok pontos időzítésére is, ami korlátozza a mélységről kapott képet. Jobb, ha bekapcsolva hagyjuk, és mással zárjuk le periodikusan, megbízhatóan és gyorsan a fény útját.
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.
Itt jön a képbe az integrált fotonika. Az internet digitális adatait olyan precízen időzített fényimpulzusok szállítják, melyek olykor csak száz pikomásodperc hosszúak. Egy Mach-Zehnder modulátorral lehet például ilyen impulzusokat létrehozni. Ez az eszköz a hullámok egyik tulajdonságát használja fel, melyet interferenciának nevezünk. Képzeld el, hogy kavicsokat dobálsz egy tóba. Ahogy a fodrok terjednek és egymásba érnek, létrejön egy minta. Néhány helyen a hullámok összeadódnak, és nagyon nagyok lesznek, máshol kioltják egymást. A Mach-Zehnder modulátor hasonlóképpen működik. A fényhullámokat két párhuzamos elágazás mentén elválasztja, majd újra egyesíti. Ha a fényt lelassítjuk és késleltetjük az egyik ágon, a hullámok az újraegyesüléskor kioltják egymást, elzárva a fényt. Ha váltogatjuk ezt a késést az egyik ágon, a modulátor kapcsolóként működik, fényimpulzusokat bocsát ki. Egy száz pikomásodpercig tartó fényimpulzus néhány centiméter pontosságú mélységfelbontásról ad képet, de a jövő autóinak jobban kell látniuk ennél. Ha összepárosítjuk a modulátort egy igen pontos, gyors fényérzékelővel, a felbontás milliméter pontosságúra finomítható. Ez több, mint százszor jobb annál, amit éles látással láthatunk az utca túloldaláról.
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.
Az első generációs autós LIDAR összetett forgó rendszereken alapult, mely az autó tetejéről vagy a motorháztetőről szkennel. Az integrált fotonika segítségével a modulátorok és detektorok a milliméter tizedénél kisebb nagyságúra zsugorodnak, parányi chipekbe kerülnek, amelyek egy nap elférnek majd egy autó lámpájában. Ezek a chipek a modulátor egy okos variációját is tartalmazni fogják a mozgó részek kiiktatására és a nagy sebességű szkennelés elősegítésére.
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.
Ha csupán egész kicsit lassítjuk a fényt a modulátor egyik ágán, ez a másik eszköz inkább fénytompítóhoz hasonlít majd, nem pedig kapcsolóhoz. Ha sok ilyen ágat párhuzamosan egymásra halmozunk, mindet egy kis kontrollált késleltetéssel, valami újat hozhatunk létre: egy irányítható lézersugarat.
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.
Új előnyükből adódóan ezek az okosszemek sokkal alaposabban észlelnek majd, mint bármi, amit a természet alkotott – és bármennyi akadály között segítenek majd navigálni. Mindezt anélkül, hogy bárki megizzadna közben – kivéve talán egy zavarodott jávorszarvast.