It’s late, pitch dark, and a self-driving car winds down a narrow country road. Suddenly, three hazards appear at the same time.
Ciemną nocą samochód autonomiczny jedzie krętą, wąską wiejską drogą. Nagle jednocześnie pojawiają się trzy niebezpieczeństwa.
What happens next?
Co się teraz wydarzy?
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.
Zanim samochód pokona ten rząd przeszkód, musi najpierw je wykryć, zbierając niezbędne informacje o ich wielkości, kształcie i położeniu, które pozwolą algorytmom kontroli wyznaczyć najbezpieczniejszą trasę. Kiedy za kierownicą nie ma człowieka, samochód potrzebuje inteligentnych oczu, czujników, które rozpracują te szczegóły niezależnie od środowiska, pogody czy ciemności w ułamku sekundy.
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.
To trudne zadanie, ale istnieje rozwiązanie łączące dwa elementy. Szczególny rodzaj sondy laserowej zwanej lidarem i zminiaturyzowane urządzenie wykorzystujące technologię komunikacyjną, o której głośno w internecie, zwaną fotoniką scaloną.
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?
W zrozumieniu, jak działa lidar, pomoże nam podobne urządzenie, radar. W lotnictwie anteny radarowe wysyłają impulsy fal radiowych i mikrofal, żeby określić położenie samolotów na podstawie czasu odbicia wiązki. Ale takie widzenie jest ograniczone, bo duże wiązki nie mogą obrazować drobnych szczegółów. Tymczasem wykorzystywany w samochodach autonomicznych lidar, nazwany tak od angielskich słów Light Detection and Ranging, używa niewidocznego, wąskiego lasera podczerwieni. Potrafi on obrazować obiekty małe jak guzik na koszuli pieszego przechodzącego przez ulicę. Ale jak określić kształt czy głębokość tych obiektów?
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.
Żeby określić głębię, lidar wysyła serię bardzo krótkich impulsów laserowych. Weźmy łosia na wiejskiej drodze. Podczas jazdy jeden impuls lidaru rozprasza się od podstawy jego rogów, a kolejny przed odbiciem się może dotrzeć do końcówki jednego rogu. Mierząc różnicę czasu powrotu impulsów, otrzymujemy informację na temat kształtu rogów. Wysyłając wiele krótkich impulsów, lidar szybko tworzy szczegółowy profil.
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.
Najprościej stworzyć impuls świetlny, włączając i wyłączając laser, ale wtedy jest on niestabilny i trudno precyzyjnie zsynchronizować impulsy, co ogranicza ostrość głębi. Lepiej nie wyłączać lasera i wykorzystać coś innego do okresowego blokowania światła szybko i niezawodnie.
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.
Tu pojawia się fotonika scalona. Cyfrowe dane w internecie przekazują precyzyjnie zsynchronizowane impulsy świetlne, z których niektóre trwają tylko 100 pikosekund. Takie impulsy można tworzyć za pomocą modulatora Macha-Zehndera. Urządzenie to wykorzystuje szczególną właściwość fal zwaną interferencją. Wyobraźcie sobie, że wrzucacie kamyki do stawu. Rozchodząc się i nachodząc na siebie, zmarszczki na powierzchni tworzą wzór. W niektórych miejscach szczyty fal łączą się i są bardzo duże. W innych całkowicie się znoszą. Modulator Macha-Zehndera działa podobnie. Rozdziela fale świetlne i wysyła przez dwa równoległe ramiona, po czym łączy na nowo. Jeśli w jednym z ramion zwolnimy przepływ światła, fale u wyjścia nie będą zsynchronizowane i będą znosić się, blokując światło. Ustawiając opóźnienie w jednym z ramion, możemy za pomocą modulatora włączać i wyłączać impulsy światła. Impuls światła trwający 100 pikosekund pozwala na uzyskanie kilkucentymetrowej ostrości głębi, ale samochody przyszłości będą musiały widzieć lepiej. Łącząc modulator z bardzo wrażliwym, szybko działającym czujnikiem światła, można zwiększyć ostrość do milimetra. To ponad sto razy lepszy wynik niż to, co widzi człowiek o dobrym wzroku stojący po drugiej stronie ulicy.
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.
Pierwsza generacja lidarów samochodowych wykorzystywała złożone zespoły obrotowe umieszczane na dachu lub masce pojazdu. Dzięki fotonice scalonej można zmniejszyć modulatory i czujniki do mniej niż jednej dziesiątej milimetra i umieścić je w mikroprocesorach, które kiedyś będą montowane w światłach. Mikroprocesory te będą też zawierać sprytną odmianę modulatora, pozwalającą wyeliminować ruchome części i działać przy dużych prędkościach.
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.
Jeśli w ramieniu modulatora tylko nieznacznie zwolnimy światło, to dodatkowe urządzenie będzie je raczej przyciemniać niż włączać i wyłączać. Jeśli szereg ramion ułożymy równolegle, każde z kontrolowanym opóźnieniem, możemy stworzyć coś zupełnie nowego, sterowalną wiązkę laserową.
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.
Z nowego punktu obserwacyjnego inteligentne oczy będą sondować i widzieć dokładniej niż mogła to wymyślić natura, i pomagać pokonywać każdą liczbę przeszkód. A to wszystko, nie stresując nikogo, może z wyjątkiem zdezorientowanego łosia.