It’s late, pitch dark, and a self-driving car winds down a narrow country road. Suddenly, three hazards appear at the same time.
Geç vakitte, zifiri karanlıkta, sürücüsüz bir araç dar taşra yolunda yavaşlıyor. Aniden, üç tehlike aynı anda ortaya çıkıyor.
What happens next?
Şimdi ne olacak?
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.
Engellerin saldırısını yönlendirmeden önce araba onları tespit etmeli. Boyutları, şekilleri ve konumlarıyla ilgili yeterli bilgi toplamalı böylece kontrol algoritmaları en güvenli rotayı belirleyebilir. Direksiyonda sürücü yokken bu detayları çözmek için araba sensör ve akıllı gözlere ihtiyaç duyar. Çevre, hava ya da ne kadar karanlık olduğu fark etmeksizin hepsi anında.
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.
Bu uzun bir sıralama ama iki şeyi birleştiren bir çözümü var: LIDAR adında lazer temelli özel bir tür algılayıcı, bir de bilişim ve iletişim teknolojisinin minyatür bir versiyonu, internette de çok konuşulan entegre fotonik.
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?
LIDAR'ı anlamak için benzer bir teknoloji olan radarla başlamak yardımcı olabilir. Havacılıkta, radar antenleri uçaklara radyo ya da mikrodalga atımları göndererek ışınların geri dönme sürelerinden yerlerini öğrenmeye çalışır. Fakat bu kısıtlı bir görüştür çünkü geniş ışın boyutları detayları görselleştiremez. Açılımı, Işık Tespiti ve Uzaklık Tayini olan sürücüsüz bir arabanın LIDAR sistemi, aksine görünmeyen dar bir kızılötesi lazer kullanıyor. Caddenin karşısındaki bir yayanın gömleğinin düğmesi gibi küçük özellikleri görüntüleyebilir. Peki bu özelliklerin derinlik ve şekillerini nasıl belirleriz?
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, derinlik çözümleri vermek için çok kısa lazer atımları gönderiyor. Taşra yolundaki geyiği ele alalım. Araba yanından geçerken bir LIDAR atımı, diğeri geri dönmeden önce öteki boynuz ucuna ulaşırken boynuzların kökünden yayılıyor. İkinci atımın geri dönmesinin ne kadar sürdüğünü ölçüp boynuzun şekli hakkında bilgi veriyor. Bir sürü kısa atımla LIDAR sistemi hızlıca detaylı bir profil çıkarıyor.
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.
Bir ışık atımı oluşturmanın en bariz yolu lazeri açıp kapatmaktır. Fakat bu lazeri dengesizleştiriyor ve derinlik çözümlemesini kısıtlayan, atımın belirli zamanlamasını etkiliyor. Açık bırakıp periyodik olarak ışığı hızlıca ve güvenlice engelleyecek bir şey kullanmak daha iyi bir seçenek.
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.
İşte burada entegre fotonik devreye giriyor. İnternetin dijital verisi bazıları yüz pikosaniye kadar kısa olan hassas zamanlı ışık atımlarıyla taşınıyor. Bu atımları oluşturmanın bir yolu Mach- Zehnder düzenleyicisi kullanmak. Bu cihaz, parazit olarak adlandırılan belirli bir dalga özelliğinden faydalanıyor. Çakıl taşlarını bir gölete attığınızı düşünün: Dalgalanma yayılıp üst üste bindikçe bir örüntü oluşur. Bazı yerlerde, dalga tepe noktaları çok fazla büyür; diğer yerlerde ise tamamen sıfırlanırlar. Mazh-Zehnder düzenleyicisi benzer bir şey yapıyor. Işık dalgalarını iki paralel kola bölüyor ve sonunda tekrar birleştiriyor. Eğer ışık bir kolda yavaşlar ve gecikirse, dalga senkronizasyonu bozuluyor ve ışığı engelleyerek sıfırlanıyor. Bu gecikmeyi bir kolda değiştirerek düzenleyici bir açma / kapama düğmesi gibi hareket eder ve ışık atımı yayar. Yüz pikosaniye süren bir ışık atımı birkaç santimetrelik bir derinlik çözümlemesi sağlıyor ama yarının arabalarının bundan daha iyi görmesi gerekiyor. Düzenleyiciye süper-hassas, hızlı-hareketli bir ışık algılayıcı eklenirse çözümleme bir milimetreye çıkarılabilir. Bu, caddenin karşısındaki 20/20 görüşüyle yapabileceklerimizden yüz kat daha iyi.
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.
İlk nesil otomobil LIDAR'ı, tavandan ya da kaportadan itibaren tarayabilen karmaşık dönüş düzeneklerine dayanıyordu. Entegre fotonik ile birlikte, düzenleyiciler ve algılayıcılar onda bir milimetreden daha az bir değere küçülüyor ve bir gün arabanın ışıklarına sığacak küçük çiplere sıkıştırılıyor. Bu çipler ayrıca düzenleyiciye, hareket eden parçalarda ve ani hızlarda taramaya yardım etmek için akıllıca bir değişiklik de içerecek
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.
Düzenleyici kolundaki ışığı çok az yavaşlatarak, bu ek cihaz açma/kapama düğmesinden ziyade azaltıcı olarak çalışacak. Her biri kontrollü küçük gecikmeli birçok kol paralel olarak sıralanırsa yeni bir şey tasarlanabilir; yönlendirilebilir bir lazer ışını.
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.
Bu akıllı gözler, yeni görüş açılarından doğanın hayal edebileceğinden daha çok inceleyecek, ayrıntılı görecek ve sayısız engeli yönlendirmeye yardımcı olacaklar. Yolunu şaşırmış bir geyik dışında, hiç kimse bir damla ter dökmeden.