It’s late, pitch dark, and a self-driving car winds down a narrow country road. Suddenly, three hazards appear at the same time.
Уже поздно, кромешная тьма, и беспилотник спускается по узкой просёлочной дороге. Внезапно на дороге появляются одновременно три помехи движению.
What happens next?
Что сейчас произойдёт?
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.
Прежде чем начать лавировать сквозь эту череду препятствий, автомобиль сначала должен распознать их путём сбора требуемой информации о размерах, форме и положении преград, чтобы алгоритмы управления проложили наиболее безопасную траекторию движения. В отсутствие водителя автомобилю нужны «умные глаза» — датчики, которые за доли секунды смогут «разглядеть» мельчайшие детали вне зависимости от окружающей обстановки, погодных условий или освещения.
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.
Задача непростая, но существует решение, объединившее два главных компонента: специальный вид лазерного дальномера под названием лидар (LIDAR) и миниатюрную версию устройства связи — фактически «движка́» интернета — под названием интегральная фотоника.
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?
Понять, как работает лидар, поможет смежная технология радаров. В радиолокационных антеннах авиации применяются радио- и микроволновые импульсы, а время возврата их отражённых лучей помогает определить местоположение самолётов. Но у этого способа есть ограничения, связанные с тем, что большой размер луча не позволяет показать мелкие детали. А в системах лидаров беспилотного автомобиля — LIDAR означает «обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света» — используется узконаправленный невидимый инфракрасный лазер. Он может различать такие мелкие детали, как пуговица на рубашке пешехода на другой стороне улицы. Но как определить форму или глубину этих деталей?
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.
Чтобы добиться разрешения по глубине, лидар испускает серию сверхкоротких импульсов. Представим, что на загородную трассу вышел лось. При приближении автомобиля один луч лидара отражается от основания рогов, а другой — от кончика одного из рогов лося. Измерив время отражения второго импульса, мы получим представление о форме рога.
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.
Используя множество коротких импульсов, лидар даёт детальное изображение. Световые импульсы проще всего генерировать включением и выключением лазера. Но это ведёт к нестабильной работе прибора и влияет на синхронизацию его лучей, что ограничивает разрешение по глубине. Лучше оставить его постоянно включённым
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.
и использовать нечто другое для цикличной, быстрой и надёжной блокировки света. Вот для этого и нужна интегральная фотоника. Цифровые данные интернета переносятся точнейшими импульсами света продолжительностью всего в сотню пикосекунд. Одним из способов создания этих импульсов является модулятор Маха-Цендера. Это устройство работает благодаря особому свойству волн под названием интерференция. Представьте, что вы бросаете камешки в пруд: по мере расхождения и наложения кругов на воде образуется узор. В некоторых местах волновые пики усиливаются и увеличиваются в размерах; в других — полностью гасятся. Модулятор Маха-Цендера делает то же самое. В нём световые волны разветвляются надвое, а затем сводятся воедино. Если задержать свет в одной из веток на половину длины волны, то объединённая рассинхронизованная волна погасится и свет пропадёт. Переключая эту задержку в одной из веток, модулятор действует как семафор, излучающий световые импульсы. Импульс света продолжительностью в сто пикосекунд позволяет достичь разрешения по глубине в несколько сантиметров, но автомобилям завтрашнего дня нужно разрешение побольше. Соединив модулятор со сверхчувствительным, быстродействующим детектором света, можно улучшить разрешение до миллиметра. Это более чем в сто раз лучше того,
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.
что человек с идеальным зрением способен разглядеть на другой стороне дороги. В лидарах беспилотников первого поколения применялись сложные вращающиеся агрегаты, сканировавшие дорогу с крыш или багажников автомобилей. Использование интегральной фотоники позволило уменьшить модуляторы и датчики до менее чем одной десятой миллиметра и поместить их в микрочипы, которые планируется встроить в фары автомобилей. Эти чипы будут включать в себя ещё и усовершенствованный вариант модулятора, который позволит отказаться от громоздких вращающихся датчиков
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.
и производить сканирование на высоких скоростях. Если всего чуть-чуть задержать свет в одной из веток модулятора, то получится диммер, а не двухпозиционный переключатель. Подсоединив параллельно несколько веток с небольшой контролируемой задержкой, можно создать нечто новое —
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.
управляемый лазерный луч. Благодаря этой возможности «умные глаза» автомобиля будут сканировать и «видеть» столь тщательно, что такого даже невозможно себе представить в мире живой природы, и помогут беспилотникам проходить через любое число преград. Никто даже испугаться не успеет,