It’s late, pitch dark, and a self-driving car winds down a narrow country road. Suddenly, three hazards appear at the same time.
E târziu, e beznă și o mașină autonomă merge pe un drum de țară îngust. Deodată, apar trei pericole în același timp.
What happens next?
Ce se va întâmpla?
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.
Înainte de a putea ocoli aceste obstacole, mașina trebuie să le detecteze, adunând destule informații despre mărimea, forma și poziția lor, astfel încât algoritmul de control poate stabili cel mai sigur traseu. Fără un șofer la volan, mașina are nevoie de senzori pentru a afla aceste detalii, indiferent de mediu, vreme sau cât e de întuneric, totul într-o fracțiune de secundă.
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.
E o misiune dificilă, dar există o soluție alcătuită din două lucruri: un instrument cu laser denumit LIDAR și o versiune în miniatură a metodei tehnologice ce susține funcțional internetul, denumită fotonică integrată.
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?
Pentru a înțelege LIDAR-ul, putem începe cu o metodă asemănătoare, radarul. În aviație, antenele radar emit impulsuri de unde radio sau de microunde spre avioane pentru a le afla locația prin măsurarea timpului necesar reîntoarcerii undei. E o metodă limitată, desigur, deoarece mărimea undei nu permite o vizualizare a micilor detalii. În contrast, sistemul LIDAR al unei mașini autonome, ce se traduce prin detectare și măsurare luminoasă, folosește un laser infraroșu cu undă îngustă. Acesta poate detecta chiar și nasturele unui pieton de peste stradă. Dar cum detectăm forma și adâncimea obiectelor?
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-ul emite o serie de impulsuri foarte scurte ce oferă o rezoluție în adâncime. Să luăm exemplu un elan ce se află pe un drum de țară. În timp ce mașina merge, un impuls LIDAR se lovește de baza coarnelor, în timp ce următorul impuls se lovește de vârful coarnelor și se întoarce. Măsurând timpul necesar ca pulsul să se întoarcă, se determină forma coarnelor. Folosind multe impulsuri scurte,
The most obvious way to create a pulse of light is to switch a laser on and off.
sistemul LIDAR formează rapid un profil detaliat.
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.
Cel mai evident mod de a crea impulsuri de lumină e să pornești și să oprești un laser. Dar astfel laserul devine instabil și afectează măsurarea exactă a duratei impulsurilor, afectând rezoluția în adâncime. E mai bine să îl lași pornit și să folosești altceva pentru a bloca lumina periodic, precis și rapid.
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.
Aici intervine fotonica integrată. Informațiile de pe internet sunt purtate de impulsuri de lumină precise, unele scurte cât o sutime de picosecundă. Un mod de a crea aceste pulsuri e să folosești un modulator Mach-Zehnder. Acest dispozitiv folosește o anumită proprietate a undei, numită interferență. Imaginează-ți că arunci niște pietre într-un lac: pe măsură ce undele se împrăștie și se suprapun, se formează un model. În unele locuri, undele se unesc și devin foarte mari; în alte locuri se anulează reciproc. Modulatorul Mach-Zehnder face ceva similar. Desparte undele de lumină în două brațe paralele și apoi le reunește. Dacă lumina e încetinită într-un braț, reunirea undelor e desincronizată și se anulează reciproc. Prin provocarea acestei întârzieri într-un braț, modulatorul se comportă ca un întrerupător, emițând impulsuri luminoase. Un impuls luminos cu o durată de o sutime de picosecundă are o rezoluție în adâncime de câțiva centimetri, dar mașinile viitorului vor trebui să vadă mai bine de atât. Folosind modulatorul împreună cu un detector de lumină ultra-sensibil, rezoluția poate ajunge la un milimetru. Asta e de o sută de ori mai bine
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.
decât putem noi vedea de peste drum. Prima generație de automobile LIDAR foloseau un sistem complex rotativ ce stătea pe plafon sau pe capotă. Folosind fotonica integrată, modulatoarele și detectoarele au fost micșorate la mai puțin de o zecime de milimetru, și introduse în cipuri mici ce vor fi puse în farurile mașinilor. Aceste cipuri vor avea o variantă mai bună a modulatorului
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.
ce vor putea elimina componentele mecanice și vor scana mai rapid. Încetinind doar puțin lumina într-un braț, acest dispozitiv va acționa mai mult ca un graduator decât ca un întrerupător. Dacă o rețea cu multe astfel de brațe, fiecare cu întârziere controlată, sunt puse în paralel, poate rezulta ceva nou:
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 impuls laser orientabil. Din poziția lor superioară, acești detectori inteligenți vor scana și vedea mai bine decât orice altceva din natură și ne vor ajuta să ocolim orice obstacole. Asta fără niciun efort din partea nimănui,