It’s late, pitch dark, and a self-driving car winds down a narrow country road. Suddenly, three hazards appear at the same time.
Di larut malam yang gelap gulita, mobil otonom menyusuri jalan sempit. Tiba-tiba, tiga bahaya muncul pada saat yang bersamaan.
What happens next?
Apa yang akan terjadi?
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.
Sebelum menavigasi serangan bertubi-tubi ini, mobil otonom harus dapat memprediksinya— mengumpulkan cukup informasi tentang ukuran, bentuk, dan posisi mereka, sehingga algoritma kontrolnya dapat memilih jalan yang paling aman. Tanpa manusia yang mengemudi, mobil membutuhkan mata pintar, sensor yang akan menyelesaikan semua ini— tanpa peduli kondisi sekitar, cuaca, atau seberapa pun gelapnya— dalam waktu kurang dari sedetik.
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.
Hal itu sangat sulit, tetapi ada solusi yang menghubungkan dua hal: satelit khusus berbasis laser yang disebut LIDAR, dan versi miniatur dari teknologi komunikasi yang menjaga internet tetap berjalan, disebut fotonik yang terintegrasi.
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?
Untuk memahami LIDAR, mari mulai dengan teknologi yang terkait— radar. Dalam penerbangan, antena radar menghasilkan pulsa radio atau gelombang mikro pada pesawat untuk mengetahui lokasi dengan menghitung waktu yang dibutuhkan sinar untuk kembali. Namun, itu sudut pandang yang terbatas, karena sinar berukuran besar tidak dapat memvisualisasi detail kecil. Sebaliknya, sistem LIDAR mobil otonom, singkatan dari <i>Light Detection and Ranging</i>, menggunakan laser inframerah tipis yang tidak terlihat. Sinar ini dapat menampilkan fitur sekecil kancing pada baju pejalan kaki di seberang jalan. Namun, bagaimana kita menentukan bentuk atau kedalaman fitur tersebut?
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 menembakkan rentetan laser pendek untuk memberi resolusi kedalaman. Contohnya, seekor rusa di jalan desa. Ketika mobil melaju, satu pulsa LIDAR mencerai-beraikan dasar tanduknya, sementara yang berikutnya menuju ke ujung satu tanduk sebelum memantul kembali. Mengukur berapa lama waktu yang dibutuhkan pulsa kedua untuk kembali memberikan data tentang bentuk tanduk. Dengan banyak pulsa pendek, sistem LIDAR menampilkan profil rinci dengan cepat.
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.
Cara termudah untuk membuat pulsa cahaya adalah menyalakan dan mematikan laser. Namun, hal ini membuat laser tidak stabil dan mempengaruhi waktu tepat pulsa, yang membatasi resolusi kedalaman. Lebih baik dibiarkan menyala, dan gunakan cara lain untuk memblokir cahaya secara andal dan cepat.
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.
Di sanalah peran fotonik yang terintegrasi. Data digital dari internet dibawa oleh pulsa cahaya yang tepat waktu, sesingkat seratus piko detik. Salah satu cara untuk membuat pulsa ini adalah dengan modulator Mach-Zehnder. Perangkat ini memanfaatkan properti gelombang tertentu, yang disebut interferensi. Bayangkan menjatuhkan kerikil ke dalam kolam: saat riak menyebar dan saling tumpang tindih, sebuah pola terbentuk. Di beberapa tempat, puncak gelombang bertambah menjadi sangat besar; di tempat lain, mereka sepenuhnya hilang. Modulator Mach-Zehnder melakukan hal yang serupa. Memisahkan gelombang cahaya di dua lengan paralel dan menggabungnya kembali. Jika cahaya diperlambat dan ditunda pada satu lengan, gelombang yang dihasilkan tidak sinkron dan hilang, menghalangi cahaya. Dengan mengubah penundaan dalam satu lengan, modulator berlaku sebagai sakelar hidup/mati, memancarkan pulsa cahaya. Sebuah pulsa cahaya yang berlangsung seratus piko detik menghasilkan resolusi sedalam beberapa sentimeter, tetapi mobil masa depan perlu melihat lebih baik dari itu. Dengan menggabung modulator dan detektor cahaya super-sensitif yang bekerja cepat, resolusi dapat disempurnakan menjadi satu milimeter. Itu lebih dari seratus kali lebih baik dari penglihatan 20/20, dari seberang jalan.
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.
Mobil LIDAR generasi pertama mengandalkan perakitan yang kompleks yang memindai dari atap atau kap mobil. Dengan fotonik yang terintegrasi, modulator dan detektor menyusut menjadi kurang dari sepersepuluh milimeter, dan dikemas dalam cip kecil yang nantinya muat dalam lampu mobil. Cip ini juga akan berisi variasi pintar pada modulator untuk membantu menghilangkan bagian yang bergerak dan memindai dengan cepat.
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.
Dengan sedikit memperlambat cahaya di lengan modulator, alat tambahan ini akan bertindak seperti peredup daripada sakelar hidup/mati. Jika sebuah susunan dengan banyak lengan, semua dengan penundaan terkontrol kecil, ditumpuk secara paralel, sesuatu yang baru dapat dirancang: sinar laser yang mudah dikendalikan.
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.
Keuntungannya, mata cerdas ini akan menyelidiki dan melihat lebih teliti dari apa pun yang dapat dibayangkan alam— dan membantu menavigasi semua hambatan. Semua dilakukan dengan sangat mudah— kecuali mungkin seekor rusa besar yang kebingungan.