It’s late, pitch dark, and a self-driving car winds down a narrow country road.
Suddenly, three hazards appear at the same time.
What happens next?
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.
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 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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
الوقت متأخر ومظلم، وسيارة ذاتية القيادة تعبر طريقًا ريفيًا ضيقًا.
وفجأة تظهر ثلاثة أخطار في نفس الوقت.
ماذا سيحدث بعد ذلك؟
قبل أن تتمكن السيارة من استكشاف الضرر الذي قد يصيبها من العوائق،
على السيارة أن تكتشف هذه العوائق
جمع معلومات كافية عن حجمها، وهيئتها، وموضعها،
بحيث تتمكن خوارزميات التحكم من رسم المسار الأكثر أمنًا.
ومع عدم وجود إنسان يقود السيارة،
فإن السيارة بحاجة إلى وجود عيون ذكية ومجسات من شأنها حل هذه التفاصيل
بغض النظر عن الطقس أو درجة الظلام
كل ذلك في جزء من الثانية.
هذه مهمة صعب تنفيذها، لكن هناك حل يربط بين شيئين:
نوع خاص من مسار يعمل بالليزر يسمى ليدار،
ونسخة مصغرة من تكنولوجيا الاتصالات
التي تحافظ على نشاط الإنترنت تسمى فوتونيات متكاملة.
ولفهم الليدار، سيساعدنا البدء بتكنولوجيا ذات صلة — رادار.
في الطيران،
تطلق هوائيات الراديو نبضات من موجات الراديو أو الموجات الدقيقة تجاه الطائرات
لمعرفة مواقعها عبر تحديد الوقت المستغرق من الإشارات اللاسلكية للارتداد مرة أخرى.
بالرغم من ذلك، هذه طريقة محدودة الرؤية،
وهذا يرجع إلى أن الإشارة اللاسلكية كبيرة الحجم لا يمكنها تصور التفاصيل الدقيقة.
وفي المقابل، نظام ليدار للسيارة ذاتية القيادة،
الذي يعني النظام الضوئي للكشف وتحديد المدى،
يستخدم ليزر الأشعة تحت الحمراء غير المرئي الضيق،
ويمكنه رؤية معالم صغيرة مثل زر قميص أحد المشاة
عبر الطريق.
لكن كيف يمكننا تحديد الهيئة، أو عمق هذه الملامح؟
يطلق الليدار سلسلة من نبضات آشعة الليزر القصيرة للغاية لإعطاء دقة العمق.
لنأخذ مثلا غزال الموظ على الطريق الريفي
أثناء مرور السيارة، تنشر أحد نبضات الليدار عبر قاعدة قرونه،
بينما تتجه الأخرى التي تليها إلى حافة أحد القرون قبل الارتداد مرة أخرى.
إن قياس كم المدة الأطول التي تستغرقها النبضة الثانية للعودة
يقدم بيانات عن هيئة القرن.
وفي ظل النبضات القصيرة، يعطي نظام الليدار سريعًا مجموعة مواصفات أساسية مفصلة.
تمثل أبرز الطرق لخلق نبضات من الضوء هي في تشغيل الليزر وإيقافه.
ولكن هذا يجعل الليزر غير مستقر ويؤثر على التوقيت الدقيق لنبضاته،
الأمر الذي من شأنه أن يحدّ من دقة العمق.
من الأفضل تركه مفتوحًا،
واستخدام شيء آخر لمنع الضوء بصفة دورية على نحو يمكن الاعتماد عليه وسريع.
وهنا تأتي الفوتونات المتكاملة.
البيانات الرقمية للإنترنت
يتم بواسطة دقة توقيت نبضات الضوء،
بعضها قصير كقصر مئات البيكو ثانية.
وتمثل أحد الطرق لخلق النبضات هو باستخدام مضمن ماخ-زيندر.
يستفيد هذا الجهاز من أحد الخواص المعينة للموجة،
تسمى التداخل.
تخيل إسقاط حصى داخل بركة:
حيث أن مع انتشار التموجات وتداخلها، تتشكل أنماط.
في بعض المواضع، تزداد قمم التموجات لتصبح كبيرة للغاية؛
وفي مواضع أخرى، تختفي كليًا.
يفعل مضمن ماخ-زيندلر شيئًا مشابهًا.
فهو يقوم بتقسيم موجات الضوء على طول ذراعين متوازيين وفي النهاية.
إذا تباطأ الضوء وتأخر في أحد الذراعين،
تجتمع الأمواج مرة أخرى دون تزامن وتلغي وتسد الضوء.
عند حدوث تأرجح لهذا التأخير في أحد الذراعين،
فإن المضمن يعمل كمفتاح تشغيل/ إيقاف، حيث يرسل نبضات من الضوء.
تدوم نبضة الضوء الواحدة لمئة بيكو ثانية
وتسبب دقة عمق تبلغ بضعة سنتيمترات،
لكن السيارات في المستقبل ستحتاج لترى أفضل من ذلك.
من خلال توصيل المضمن بكاشف للضوء فائق الحساسية وسريع العمل،
التصميم يمكن إسناده إلى ملليمتر.
هذا أفضل بمائة مرة.
من ما يمكننا صنعه رؤية 20/20 من عبور الشارع.
الجيل الأول من السيارات الليدار وقد اعتمدت على تركيبات الدوران المعقدة
أن المسح الضوئي من أسطح وأعمدة المنازل.
بالدائرة الضوئية المتكاملة،
يتم تقليص أداة الكشف والتضمين إلى أقل من عُشر المليمتر،
وتعبئتها في رقائق صغيرة حيث تتناسب مع أضواء السيارة.
وسوف تشمل هذه الرقائق أيضاً تغيرًا ذكيًا في الموجة الكهرومغناطيسية
للمساعدة في التخلص من الأجزاء المتحركة والمسح بسرعة كبيرة.
عن طريق إبطاء الضوء في يد المتغير،
هذا الجهاز الإضافي سوف يعمل أكثر من التبديل بين الإطفاء/ التشغيل.
إذا هناك مجموعة من هذه المتغيرات الكثيرة، يسهل التحكم في كلٍ منها بسهولة،
تتجمع بالتوازي، شئ بديع يمكن تصميمه:
شعاع الليزر للتوجيه.
من وجهة نظرهم الجديدة،
هذه العيون الذكية ستدقق وتري بوضوح أكثر
من أي شيء يمكن أن يتصور الطبيعة
ويساعد في اجتياز أي عقبات.
كل ذلك دون بذل أي جهد
باستثناء ربما غزالًا مشوشًا وحدًا.
کات درەنگە، شەوە زەنگە، ئۆتۆمبێلێکی بێ شۆفێر بە شەقامێکی تەنگی شاردا دەڕوات.
لە پڕێکدا، سێ خاڵی سوور کە بەربەستن لە یەک کاتدا دەردەکەون.
دواتر چی ڕوودەدات؟
سەیارەکە پێش ئەوەی بەرەو ئەم بەربەستە مەترسیدارانە لێبخوڕێت،
پێویستە لێیان بکۆڵێتەوە—
زانیاری دەربارەیی قەبارە و شێوە و شوێنەکانیان کۆ بکاتەوە،
بۆ ئەوەی ھەنگاو بە ھەنگاو ڕێگەی سەلامەت بدۆزێتەوە.
بێ ئەوەی ھیچ کەسێک لێی بخوڕێت،
سەیارەکە پێویستی بە دوو چاوی تیژ و ھەستەوەرە تا ئەم زانیارییانەی بۆ کۆبکاتەوە
گرنگ نییە ژینگە، کەشوھەوا چۆنە یا چەندێک تاریکە—
دەبێت ھەمووی لە نیو چرکەدا کۆ بکاتەوە.
ئەمە ئەرکێکی قورسە، بەڵام لێرەدا دوو چارەسەر ھەیە:
جۆرێکی تایبەتی لەیزەری ھەستدار پێی دەگوترێ "ڵایدار"،
و جۆرێکی بچوک و تایبەتی تەکنەلۆجیایی پەیوەندی،
کە ناهێڵێت ھێڵی ئینتەرنێت بپچڕێت، پێی دەگوترێت"ئینتگرەیتید فۆتۆنیکس".
بۆ ئەوەی لە ڵایدار تێبگەیین، پێویستە بزانین تەکنەلۆجیای ڕادار چییە.
لە زانستی فڕیندا،
ھەستەوەرەکانی ڕادار شەپۆلی ڕادیۆیی و مایکرۆوەیڤی دەگرنە فڕۆکەکان
بۆ زانینی شوێنەکانیان ئەویش بەوەی چەندێک خێرا تیشەکەکان دەگەڕێنەوە بۆیان.
ھەرچەندە، ئەمە ڕێگەیەکی سنورداری بینینە،
لەبەر ئەوەی ئەم تیشکە گەورانە ناتوانن زانیاری ورد ببینن.
بەپێچەوانەوە، سیستەمی ڵایدار بۆ لێخوڕینی ئۆتۆمبێلی بێ شۆفێر،
کە بەکاردێت بۆ ڕووناکی دۆزینەوە و مەودای بینین،
تیشکێکی بچووکی ژێر سوور بەکاردەهێنێت.
کە دەتوانێ وێنەی بچوکترین شت بگرێت وەک قۆپچەی کراسی ڕێبوارێک
لەسەر شەقامەکە.
بەڵام چۆن ئێمە شێوە و قووڵی ئەم شتانە دیاری دەکەین؟
ڵایدار زنجیرەیەک شەپۆلی کورتی لەیزەری دەنێڕێت بۆ بەدەستھێنانی ئەم زانیاریانە.
لە کاتی ڕۆشتندا بزنە کێوییەک دێتە سەر ڕێگەکەت.
کاتێک ئۆتۆمبێلەکە دەچێتە پێش، ڵایدارێک تیشک دەگرێتە بنی شاخەکانی،
لە کاتێکدا تیشکی دووەم بەرەو لوتکەیی یەکێک لە شاخەکانی دەڕوات پێش گەڕانەوەی.
پێوانەکردنی ئەوەی کە لێدانی دوەەم چەند چرکە زیاتری پێدەچێت بۆ گەڕانەوە
زانیاریت دەداتێ دەربارەی شێوەی شاخەکانی.
سیستەمی ڵایدار بەلێدانی تیشکی کورت، زۆر بەخێرایی زانیاری تەواو ورد دەگوازێتەوە.
ئاسانترین ڕێ بۆ دروست کردنی لێدانی ڕوناکی، کوژاندنەوە و ھەڵکردنەوەی لەیزەرەکەیە
بەڵام ئەمە لەیزەرەکە ناجێگیر دەکات کار دەکاتە سەر وردی کاتی لێدانەکانی،
کە دەبێتە ھۆی سنوردارکردنی زانییارییە وردەکان.
باشترە هەڵکراو بن،
و شتێکی تر بەکاربھێنن کە بەڕێکخراوی و خێرایی ڕێگە لە دەرچوونی ڕووناکی بگرێت.
لێرەد ڕۆڵی ئینتیگرەیتید فۆتۆنیکس دەردەکەوێت.
کە زانیاریەکانی دیجیتاڵ ئینتەرنێت
لە کاتی خۆییدا و بە وردی یەکەکانی ڕوناکی دەگوازێتەوە،
ھەنێکیان ھێندە کورتن ھێندەی سەد پیکۆ چرکە.
ڕێگەیەک بۆ درووست کردنی ئەم لێدانانە ئامێری ماک زێندەرە.
ئەم ئامێرە سود وەردەگرێت لە یەکێک لە خاسیەتەکانی شەپۆل.
پێی دەوترێ تێەکەڵبوون.
بیھێنە پێش چاوت، ھەندێک زیخ دەخەیتە دەریاچەیەکەوە:
شەپۆلەکانی ئاو جیا دەبنەوە و پێکدادەچن و شێوە وەردەگرن.
لە شوێنێکدا لوتکەی شەپۆلەکان یەک دەگرن بۆ ئەوەی گەورەتر ببن.
لە شوێنێکی تر بە تەواوی لێک جیادەبنەوە.
ئامێری شەپۆلگۆڕی ماک زێندەریـش شتێکی لەو شێوەیە دەکات، شەپۆلەکانی
ڕووناکی لە دوو باڵی تەریب لێک جیادەکاتەوە و لە کۆتایدا بەیەکیانەوە دەبەستێتەوە.
ئەگەر ڕووناکییەکە لە باڵێکەوە خاوبێتەوە و درەنگ بکەوێت،
شەپۆلەکان تێکەڵ دەبنەوە و لە کاردەکەون و بەر لە ڕووناکیەکە دەگرن.
بەھۆێ ئەم دواکەوتنەوە لە باڵێكەوە،
ئامێرەکە لە خۆوە ھەڵدەبێت و دەکوژێتەوە و لێدانەکانی ڕووناکی دەنێرێت.
یەک لێدان بۆ سەد پیکۆچرکە دەمێنێتەوە
دەتوانێت زانیاری وردی چەند سانتیمەترێک وەبگرێت،
بەڵام لە داھاتوو سەیارەکان پێویستە باشتر ببن.
بە جووتکردنی ئامێرەکە لەگەڵ پشکنەرێکی ڕووناکی زۆر ھەستیار و خێراکرداردا،
توانای بینین باشتر دەکات بۆ بینینی زانیاری شتێک کە میلیـمەترێک بێت،
کە ئەمە سەد جار باشرە لە چاوی ئێمە
کە ٦ لەسەر ٦ و دەمانەوێت سەیری شتێک لەوبەری شەقامەکە بکەین.
نەوەی یەکەمی ئۆتۆمبێلی ڵایدار بە پارچەیەکی خولاوەی ئاڵۆز پشتی بەستبوو
کە لەسەر ئۆتۆمبێل یان بۆنیت دەبەسترێت.
لەگەڵ ئینتیگرەیتید فۆتۆنیکس،
ئامێری شەپۆلگۆڕەکە و پشکنەرەکە بچووک دەبنەوە بۆ ١٠جار کەمتر لە میلیـمەترێک.
و دەبنە پارچەی بچوک کە ڕۆژێک گونجاودەبن بۆ دانانیان لەنێو لایتی سەیارە.
و ئەم پارچە بچووکانە گۆڕانی پێشکەوتووی تێدا دەبێت لەناو ئامێری شەپۆلگۆڕەکە،
کە یارمەتی ڕزگاربوون لە بەشە جوڵاوەکەی دەدات و لە خێراییەکی زۆردا پشکنین دەکات.
بە کەمێک کەمکردنەوەی خێرایی ڕووناکی لە لایەکی ئامێری شەپۆلگۆڕەکە،
پارچە پچووکە زیادکراوەکە زیاتر وەک کزکەرێک دەبێت نەک سویچی کوژاندنەوە و ھەڵکردن.
ئەگەر ڕێکخستنی یەکێک لەم باڵانە کەمێک درەنگ بکەوێت،
شتێکی نوێ درووست دەبێت:
تیشکی لەیزەری کۆنترۆڵ کراو،
لەم پێشکەوتنە تازەیەدا،
ئەم چاوە زیرەکانە قووڵ دەبنەوە و ھەموو شتێک دەبینن
ھەرشتێک کە لە سروشتدا ھەبێت
و دەتوانێ خۆی لە ھەموو بەربەستێک لابدات.
هەموو ئەمانە دەکرێت ڕوو بدەن بێ هیچ ئیستۆپێک
بەڵام ئەگەر بزنە کێوییەکی سەرلێشێواو نەیەتە سەر ڕێگەکە.
Es ist spät und stockfinster.
Ein selbstfahrendes Auto fährt auf einer engen, kurvenreichen Landstraße.
Plötzlich tauchen gleichzeitig drei Hindernisse auf.
Was passiert als Nächstes?
Bevor es die Hindernisse umfahren kann,
muss das Auto sie entdecken
und genug Informationen über Größe, Form und Position sammeln,
damit seine Kontrollalgorithmen den sichersten Kurs planen können.
Ohne menschlichen Fahrer braucht das Auto intelligente Augen --
Sensoren, die diese Details registrieren müssen --
trotz Umgebung, Wetter- und Lichtverhältnissen
und all das sekundenschnell.
Eine große Aufgabe,
doch es gibt eine Lösung, die zwei Dinge kombiniert:
ein spezielles laserbasiertes Messsystem namens LIDAR
und Kommunikationstechnik im Kleinformat, die das Internet am Laufen hält,
die integrierte Photonik.
Um LIDAR zu verstehen, hilft der Vergleich mit der verwandten Radartechnik.
In der Luftfahrt senden Radarantennen Funk- oder Mikrowellen an Flugzeuge.
Sie orten deren Position, indem sie messen,
wann die Wellen das Flugzeug treffen.
Doch dieses Sichtsystem ist ungenau.
Denn die großen Strahlen erkennen keine Details.
Im Gegensatz dazu verwenden selbstfahrende Autos LIDAR,
d. h. lichtgestützte Ortung und Abstandsmessung.
LIDAR nutzt einen feinen, unsichtbaren Infrarot-Laser.
Er erkennt kleinste Objekte
wie den Hemdknopf eines Fußgängers auf der anderen Straßenseite.
Wie lassen sich aber Form oder Tiefe dieser Objekte bestimmen?
LIDAR feuert zur Tiefenauflösung eine Reihe ultrakurzer Laserimpulse ab.
Nehmen wir einen Elch auf der Landstraße.
Während der Wagen vorbeifährt,
trifft ein LIDAR-Impuls auf den Ansatz des Geweihs
und der nächste prallt von der Spitze einer Geweihschaufel ab.
Die Messung des Zeitunterschieds der Rückstreuung beider Impulse
gibt Aufschluss über die Form des Geweihs.
So erstellt ein LIDAR-System mit vielen Kurzimpulsen ein schnelles Detailprofil.
Die einfachste Art der Lichtimpulserzeugung
ist das Ein- und Ausschalten eines Lasers.
Das macht ihn aber instabil
und beeinträchtigt das exakte Takten der Impulse.
So wird die Tiefenauflösung ungenau.
Der Laser bleibt also besser an und man nutzt etwas anderes,
um das Licht schnell und zuverlässig periodisch abzudecken.
Hier kommt integrierte Photonik ins Spiel
Digitale Internetdaten werden von präzise getakteten Lichtimpulsen übertragen --
bis zu hundert Pikosekunden schnell.
Eine Art der Impulserzeugung bietet der Mach-Zehnder-Modulator.
Er nutzt den Vorteil einer bestimmten Welleneigenschaft, der Interferenz.
Wenn man Steine in einen Teich wirft,
breiten sich Wellen aus, überlappen sich und bilden ein Muster.
Hier und da laufen Wellen ineinander und bilden noch größere;
manchmal heben sie einander auf.
Der Mach-Zehnder-Modulator funktioniert ähnlich.
Er teilt Lichtwellen in zwei parallele Arme
und verbindet sie dann wieder.
Wird das Licht in einem Arm verlangsamt und verzögert,
verbinden sich die Wellen nicht synchron, heben sich auf und blockieren das Licht.
Manipuliert man die Verzögerung in einem Arm,
wirkt der Modulator wie ein Ein-/Ausschalter
und sendet Lichtimpulse aus.
Ein Lichtimpuls von 100 Pikosekunden schafft zentimeterfeine Tiefenauflösungen.
Doch die Autos von morgen müssen noch besser sehen.
Durch Kopplung des Modulators mit einem hochempfindlichen, schnellen Lichtsensor
erhält man millimetergenaue Auflösungen.
Das ist über 100 Mal besser,
als was wir mit normaler Sehkraft auf der anderen Straßenseite erkennen.
Die 1. Generation des automobilen LIDAR nutzt komplexe Drehvorrichtungen.
Sie scannen von Dächern oder Motorhauben.
Integrierte Photonik schrumpft Modulatoren und Sensoren
auf weniger als Zehntelmillimeter.
Sie sitzen in Mikrochips, die eines Tages in Autoscheinwerfer passen werden.
In den Chips wird auch die smarte Version des Modulators zu finden sein.
So möchte man bewegliche Teile entfernen und bei hohem Tempo scannen können.
Durch nur geringe Verlangsamung des Lichts in einem Modulatorarm
ist diese Zusatzvorrichtung eher Dimmer als Ein-/Ausschalter.
Durch Parallelschaltung vieler Arme --
jeder davon mit kleiner kontrollierter Verzögerung --
kann man etwas Neues entwickeln: einen steuerbaren Laserstrahl.
An ihrem neuen Platz sondieren und sehen smarte Augen schärfer,
als es sich die Natur je vorgestellt hätte,
und helfen so, mögliche Hindernisse zu umfahren.
Dabei muss niemand nervös werden --
außer vielleicht ein desorientierter Elch.
Es tarde, está oscuro y un auto autónomo serpentea por la carretera.
De repente, tres amenazas aparecen al mismo tiempo.
¿Qué ocurre después?
Antes de recorrer esta serie de obstáculos,
el coche debe detectarlos...
recopilando suficiente información sobre su tamaño, forma y posición,
para que sus algoritmos de control puedan trazar el rumbo más seguro.
Sin un humano al volante,
el auto necesita ojos inteligentes, sensores que resolverán esos detalles,
sin importar el entorno, clima, o lo oscuro que esté,
todo en una fracción de segundo.
Es una tarea difícil, pero hay una solución que asocia dos cosas:
un tipo de láser de sonda llamado LiDAR,
y una versión en miniatura de tecnología de comunicación
que mantiene internet funcionando llamado sistemas fotónicos integrados.
Para entender el LiDAR, es útil empezar por una tecnología relacionada: el radar.
En la aviación,
las antenas de radar envían pulsaciones de radio o microondas a los aviones
para conocer sus ubicaciones, cronometrando el tiempo de recuperación.
Sin embargo, es una forma limitada de ver,
porque el gran tamaño del haz no puede visualizar detalles.
En contraste, el sistema LiDAR del auto autónomo,
que significa "Detención de Luz y Rango",
usa un delgado láser infrarrojo invisible.
Puede captar imágenes tan pequeñas como el botón de la camisa de un peatón
al otro lado de la calle.
¿Pero cómo determinamos la forma o profundidad de estas características?
LiDAR dispara una serie de pulsos láser para dar una resolución profunda.
Piense en el alce en la carretera rural.
Mientras el auto pasa, un pulso LiDAR se propaga a la base de las astas,
mientras el siguiente puede viajar hasta la punta del asta antes de rebotar.
Midiendo cuánto tiempo más tarda el segundo pulso en volver
proporciona información sobre la forma del asta.
Con gran cantidad de pulsos cortos, el LiDAR renderiza rápido un perfil detallado
La forma más obvia de crear un pulso de luz es encender y apagar un láser.
Pero esto hace al láser inestable y afecta a la sincronización precisa de sus pulsos,
lo que limita la resolución de profundidad.
Mejor dejarlo encendido,
y usar otra cosa para bloquear la luz de forma confiable y rápida.
Ahí está la fotónica integrada.
La información digital de internet
son transportados por pulsos de luz de tiempo de precisión,
algunos tan cortos como 100 picosegundos.
Una forma de crear estos pulsos es con un modulador March-Zehnder.
Este dispositivo aprovecha una propiedad de onda particular,
llamada inferencia.
Imagina que caen piedras en un estanque:
a medida que las ondas se extienden y superponen, se forma un patrón.
En algunos lugares, los picos de onda se vuelven más grandes;
en otros lugares, se cancelan completamente.
El modulador March-Zehnder hace algo similar.
Divide las ondas de luz en dos brazos paralelos y eventualmente los junta.
Si la luz disminuye y se retrasa en uno de los brazos,
las ondas se recombinan fuera de sincronía y se cancelan, bloqueando la luz
Alternando este retraso en un brazo,
el modulador actúa como un interruptor de encendido/apagado emitiendo pulsos de luz.
Un pulso de luz que dure 100 picosegundos
conduce a una resolución de profundidad de un par de centímetros,
pero los autos del mañana necesitarán ver mejor que eso.
Al vincular el modulador con un detector de luz supersensible de acción rápida,
la resolución se puede pulir al milímetro.
Eso es más de cien veces mejor
de lo que podemos ver con una visión 20/20, desde el otro lado de la calle
La primera generación de autos LiDAR se ha basado en ensamblajes giratorios
que escanean desde tejados a capuchas.
Con fotónica integrada,
los moduladores y detectores se reducen a menos de una décima de milímetro
y se empaquetan en pequeños chips que un día cabrán en las luces del auto.
Estos chips también incluirán una variación inteligente en el modulador
para ayudar a eliminar las partes móviles y escanear a altas velocidades.
Al reducir la luz del brazo modulador solo un poco,
este dispositivo adicional actuará más como atenuador del interruptor on/off.
Si una serie de brazos, cada uno con un pequeño retraso controlado,
se apila en paralelo, se puede diseñar algo novedoso:
un rayo láser orientable.
Desde su nueva posición,
estos ojos inteligentes sondearán y verán más a fondo
de lo que la naturaleza podría haber imaginado,
y ayudan a sortear cualquier cantidad de obstáculos.
Todo sin que nadie empiece a sudar,
excepto, tal vez, un alce desorientado.
دیروقت است و اوجِ تاریکی و خودرویی خودران از جاده باریکِ برونشهری به آرامی میگذرد
ناگهان، سه خطر همزمان پدیدار میشوند.
بعدش چه اتفاقی میافتد؟
پیش از اینکه بتواند یورش این موانع را هدایت کند،
خودرو باید آنها را شناسایی کند ــ
اطلاعات کافی درباره اندازه، شکل و موقعیتشان جمع کند،
بهطوری که الگوریتمهای کنترلی آن بتوانند امنترین مسیر را طراحی کنند.
درحالی که هیچکس پشت فرمان نیست،
خودرو به چشمان هوشمند نیاز دارد، حسگرهای که این جزئیات را حل خواهند کرد ــ
مهم نیست محیط یا آب و هوا چطور باشد یا اینکه چقدر تاریک است ــ
همه در کسری از ثانیه.
دستور بلندیست اما راه حلی است که دو چیز را شریک موضوع میکند:
نوع خاصی از کاوشگرِ مبتنی بر لیزر به نام LIDAR،
و یک نسخه بسیار ریز از فناوری ارتباطات
که اینترنت را پاسخگو نگه داشته که فوتونیکِ یکپارچه نامیده میشود.
برای درک LIDAR، کمک کننده است که با فناوریِ مرتبط شروع کنیم ــ رادار.
در صنعت هواپیمایی،
آنتنهای رادار، پالسهای رادیویی یا مایکروویوی را در هواپیما میفرستند
تا محلشان را با زمانگیری مدتی که طول میکشد تا پرتوها بازگردند.
با این حال، این روشِ محدودی برای دیدن است،
چون پرتوهایِ بزرگ قادر به تصویرسازی جزئیات کوچک نیستند.
در مقابل، سیستم LIDAR خودروهای خودران
که مخفف «تشخیص و اندازهگیری فاصله با استفاده از نور» است.
از لیزر مادونقرمزِ محدودِ نامرئی استفاده میکند.
(این سیستم) میتواند ویژگیهای یک تصویر به کوچکی دگمه پیراهن عابر پیادهای را
در خیابان نشان دهد.
اما چطور شکل، یا عمقِ این ترکیبات را تعیین کنیم؟
LIDAR رشتهای از پالسهای لیزری فوقِ کوتاه برای ایجاد وضوح عمق پرتاب میکند.
یک گوزن در جاده برونشهری را در نظر بگیرید.
همانطور که ماشین در حال حرکت است، یک پالسِ LIDAR از وسط شاخهای گوزن رد میشود،
در حالی که ممکن است بعدی پیش از بازگشت به نوک شاخ گوزن برخورد کند.
اندازهگیری اینکه چقدر پالسِ دوم طول میکشد تا برگردد
اطلاعات مربوط به شکل شاخ را تامین میکند.
با کمک شمار زیادی پالسهای کوتاه، سیستمِ LIDAR به سرعت نمایه دقیقی ارائه میدهد.
مشخصترین راه برای ایجاد یک پالس نوری، روشن و خاموش کردنِ لیزر است.
اما این کار، لیزر را ناپایدار کرده و بر زمانْگیریِ دقیق پالسهایش اثر میگذارد،
که وضوح عمق را محدود میسازد.
بهتر است آن را روشن بگذارید
و از چیز دیگری استفاده کنید تا به شکل دورهای نور را مطمئن و سریع مسدود کند.
اینجاست که پای فوتونیک یکپارچه به ماجرا باز میشود.
دادههای دیجیتالیِ اینترنت
با پالسهای نوریِ دقیق-زمانبندی شده
و برخی کمتر از صد پیکوثانیه منتقل میشوند.
یکی از راههای ایجاد این پالسها استفاده از مدولاتور یا تعدیلگر نوری ماخ-زندر است.
این دستگاه از یک ویژگیِ یک موج خاص
به نام برهمنهی یا تداخل بهره می برد.
تصور کنید سنگریزههایی داخل حوضچهای بریزید:
با گسترش و برهمنهی/همپوشانی امواج، الگویی شکل می گیرد.
در بعضی جاها، اوجِ امواج به هم افزوده شده و بسیار بزرگ میشوند؛
و در جاهای دیگر، آنها کاملاً همدیگر را خنثی میکنند.
تعدیلگرنوری ماخ-زندر نیز کار مشابهی میکند.
امواج نور را درامتداد دو بازوی موازی تقسیم کرده و در نهایت آنها را به هم میپیوندد.
اگر نور در یک سو، آهسته شده و به تاخیر افتد،
امواج به واسطه همگامسازیِ، ترکیب و لغو می شوند و نور را مسدود میکنند.
با استفاده از این تاخیر در یک بازو،
تعدیلگر مثل یک کلید روشن / خاموش عمل کرده و پالسهای نوری را منتشر میکند.
یک پالس نوری صد پیکوثانیه طول میکشد
و منجر به وضوح عمق چند سانتی متر میشود،
اما خودروهای آینده به دیدِ بهتری از آن نیاز خواهند داشت.
با اتصال تعدیلگر به یک حسگرِ نوریابِ فوقالعاده حساس و سریع،
دقت را می توان تا یک میلی متر اصلاح کرد.
صدها برابر بهتر از دیدی است
که میتوانیم با وضوح دید کامل از آن سوی خیابان داشته باشیم.
نخستین نسل از خودروی LIDAR بر دستگاه گردان نصبی متکی بوده
که از روی سقف یا کاپوت خودرو اسکن میکنند.
با فناوری فوتونیک یکپارچه
تعدیلگر و حسگر به کمتر از یکدهم میلیمتر جمع شده،
و به قدرِ تراشههای ریزی بستهبندی شده که روزی در داخل چراغ اتومبیل جای خواهند گرفت.
این تراشهها همچنین شاملِ تغییر هوشمندانهای درتعدیلگر
برای کمک به دور کردن قطعات متحرک و اسکن در سرعتهای بالا هستند.
تنها با کاهش بسیار کم نور در بازوی دیگر تعدیلگر،
این دستگاه الحاقی بیشتر شبیهِ نورکمکن کار میکند تا کلید روشن / خاموش.
اگر ردیفی از شماری از این بازوها، هر یک با کمی تاخیر کنترلشده کوچک،
به طور موازی جمع شوند، چیزی نو می توان طراحی کرد:
پرتو لیزر قابل هدایت.
بخاطرمزایای جدیدشان،
این چشمان هوشمند به کاوش و دید دقیقتری میپردازند
از هر چیزی که طبیعت میتواند تصورش را بکند ــ
وبه هدایت از میان هر تعداد از موانع کمک میکنند.
و همه اینها بدون اینکه کسی قطرهای عرق بریزد ــ
غیر از گوزن گمگشته.
Il est tard, il fait nuit noire
et une voiture autonome roule sur une étroite route de campagne.
Soudainement, trois dangers apparaissent au même moment.
Qu'arrive-t-il ensuite ?
Avant de se frayer un chemin à travers cet amas d'obstacles,
la voiture doit les détecter
et obtenir assez d'informations sur leur taille, leur forme et leur position
afin que ses algorithmes puissent choisir la trajectoire la plus prudente.
Sans humain devant le volant,
la voiture a besoin d'yeux intelligents, des capteurs qui décèlent les détails
quel que soit l'environnement, la météo ou la luminosité,
tout cela en une fraction de seconde.
C'est un défi de taille mais il existe une solution qui associe deux choses :
un type spécial de sonde basée sur un laser, appelée lidar,
et une version miniature de la technologie de communication
qui maintient Internet en marche, appelée l'optique intégrée.
Pour comprendre le lidar, on peut débuter avec une technologie similaire, le radar.
Dans l'aviation,
les antennes radar lancent des pulsations d'ondes radio ou de micro-ondes aux avions
pour déterminer leur position
en chronométrant le temps qu'elles mettent à revenir.
C'est néanmoins une manière limitée de voir
car les ondes de grande amplitude ne peuvent pas capter de petits détails.
En revanche, le système lidar d'une voiture autonome,
qui vient de l'anglais « light detection and ranging »,
utilise un laser infrarouge fin et invisible.
Il peut capturer des détails aussi petits qu'un bouton de la chemise d'un piéton
de l'autre côté de la rue.
Mais comment détermine-t-on la forme ou le relief de ces objets ?
Le lidar envoie une série de pulsations très rapides pour la résolution du relief.
Prenons un élan sur la route de campagne.
Tout en roulant, une pulsation du lidar est réfléchie sur le bas de ses bois,
alors qu'une autre peut toucher le bout d'un bois avant de revenir.
Chronométrer combien de temps en plus la seconde pulsation prend pour revenir
informe à propos de la forme des bois.
Avec beaucoup de courtes pulsations, un lidar dessine vite un profil détaillé.
La manière la plus évidente de créer une pulsation lumineuse
est d'allumer et d'éteindre un laser.
Mais cela rend le laser instable et nuit à la précision des périodes de pulsation,
ce qui limite la résolution des détails.
Il vaut mieux le laisser allumé et utiliser autre chose
pour bloquer la lumière périodiquement de manière fiable et rapide.
C'est là que l'optique intégrée intervient.
Les données digitales d'Internet
sont transmises par des pulsations lumineuses très précises,
certaines ne durant que cent picosecondes.
Une façon de créer ces pulsations utilise un interféromètre de Mach-Zehnder.
Cet appareil tire parti d'une propriété particulière des ondes,
appelée l'interférence.
Imaginez deux galets jetés dans un étang :
en se diffusant et en se chevauchant, les ondulations forment un motif.
A certains endroits, les vagues s'additionnent et sont plus hautes ;
à d'autres endroits, elles s'annulent complètement.
L'interféromètre de Mach-Zehnder fait quelque chose de similaire.
Il sépare une onde lumineuse le long de deux bras parallèles
et les rejoint ensuite.
Si la lumière est ralentie et retardée dans un bras,
les ondes se recombinent de manière désynchronisée
et s'annulent, ce qui bloque la lumière.
En maîtrisant ce retard dans un bras,
l'interféromètre fonctionne comme un interrupteur
qui émet des pulsations lumineuses.
Une pulsation de lumière qui dure cent picosecondes
mène à une résolution du relief de quelques centimètres.
Mais les voitures de demain auront besoin de voir mieux que ça.
En couplant l'interféromètre
avec un capteur de lumière à action rapide très sensible,
la résolution peut être affinée jusqu'à un millimètre.
C'est plus de cent fois mieux
que ce que l'on peut discerner avec une vue de dix dixièmes
de l'autre côté de la rue.
La première génération de lidars automobiles
dépendait de montages rotatifs complexes
qui observent les alentours depuis les toits ou les capots.
Avec l'optique intégrée,
les interféromètres et les capteurs rétrécissent
jusqu'à moins d'un dixième de millimètre
et sont contenus dans de minuscules puces qui entreront, un jour, dans les phares.
Ces puces incluront aussi une version plus intelligente de l'interféromètre
afin d'aider à en finir avec les pièces en mouvement
et à scanner lorsqu'on roule très vite.
En ralentissant un petit peu la lumière dans le bras d'un interféromètre,
ce nouvel appareil agira plus comme un variateur qu'un interrupteur.
Si une série de bras, chacun avec un léger retard contrôlé,
est assemblée en parallèle,
quelque chose de novateur peut être conçu :
un rayon laser orientable.
Avec leurs nouvelles technologies,
ces yeux intelligents scruteront et verront plus minutieusement
que tout ce que la nature a pu imaginer
et aideront à traverser d'innombrables obstacles.
Tout cela sans que personne ne transpire,
peut-être à l'exception d'un élan désorienté.
מאוחר, חשוך לגמרי, ומכונית אוטונומית נוסעת במורד כביש כפרי.
פתאום, שלושה מכשולים מופיעים באותו זמן.
מה יקרה עכשיו?
לפני שתוכל לנווט בין מגוון המכשולים,
המכונית צריכה לזהות אותם --
לקבל מספיק מידע על הגודל, הצורה והמיקום שלהם,
כך שאלגוריתם השליטה שלה יוכל לנווט במסלול הכי בטוח.
ללא אדם ליד ההגה,
המכונית צריכה עיניים חכמות, גלאים שיעבדו את המידע הזה --
לא משנה הסביבה, מזג האויר או כמה חשוך --
הכל בחלקיקי שניות.
זו משימה כבדה, אבל יש פיתרון שמאחד שני דברים:
סוג מיוחד של גלאי מבוסס לייזר שנקרא LIDAR,
וגרסה מיניאטורית של טכנולוגית תקשורת
ששומרת על האינטרנט מזמזם, שנקראת פוטוניקה משולבת.
כדי להבין את הלידאר, כדאי להתחיל עם טכנולוגיה קשורה - רדאר.
בתעופה,
אנטנות רדאר משגרות פולסים של רדיו או מיקרוגל למטוסים
כדי לגלות את המיקום שלהם על ידי תזמון של כמה זמן לוקח לקרניים לחזור.
זו דרך מוגבלת לראות עם זאת,
בגלל שגודל הקרן הגדול לא יכול לראות פרטים קטנים.
בניגוד, הלידאר של מכוניות אוטונומית,
ראשית תיבות של זיהוי אור וטיווח,
משתמשת בלייזר אינפרא אדום בלתי נראה וצר.
היא יכולה לדמות תכונות קטנות כמו כפתור על חולצת הולך רגל
בצד השני של הרחוב.
אבל איך אנחנו קובעים את הצורה, או העומק של התכונות האלו?
לידאר יורה רכבת של פולסיי לייזר סופר קצרים כדי לתת רזולוציית עומק.
קחו לדוגמה את האייל על הדרך הכפרית.
כשהמכונית נוסעת, פולס לידאר אחד מתפזר מתחתית הקרניים שלו,
בעוד הבא יכול להגיע לקצה הקרן לפני שיוחזר.
מדידת כמה זמן יותר לוקח לפולס השני לחזור
יספק מידע על צורת הקרן.
כשיש הרבה פולסים קצרים, מערכת לידאר מייצרת במהירות פרופיל מפורט.
הדרך הכי ברורה ליצור פולס אור היא להדליק ולכבות לייזר.
אבל זה הופך לייזר ללא יציב ומשפיע על התזמון המדוייק של הפולסים,
מה שמגביל את אבחנת העומק.
עדיף להשאיר אותו דולק,
ולהשתמש במשהו אחר לחסום באופן מחזורי את האור באמינות ובמהירות.
שם הפוטוניקה המשולבת נכנסת לתמונה.
המידע הדיגיטלי של האינטרנט
נישא על ידי פולסים של אור מתוזמנים במדויק,
כמה קצרים באורך מאה פיקו-שניות.
דרך אחת ליצור את הפולסים האלה היא מודולטור מאך-זנדר.
המכשיר הזה משתמש ביתרון של תכונת גל מסויימת,
שנקראת התאבכות.
דמיינו שאתם מפילים אבנים לבריכה:
כשהגלים מתפשטים וחופפים, נוצרת תבנית.
בכמה מקומות, פסגות הגלים מצטברות והופכות לגדולות מאוד;
במקומות אחרים, הן לגמרי מבטלות אחת את השניה.
מודולטור מאך זנדר עושה משהו דומה.
הוא מפצל גלים של אור לאורך שתי זרועות מקבילות ולבסוף מחבר אותם.
אם האור מואט ומעוכב בזרוע אחת,
הגלים מתחברים מחוץ לסנכרון ומתבטלים, חוסמים את האור.
על ידי מיתוג העיכוב בזרוע אחת,
המודולטור פועל כמו מתג הפעלה/כיבוי, ומשגר פולסים של אור.
פולס אור באורך מאה פיקו-שניות
מוביל להפרדת עומק של כמה סנטימטרים,
אבל המכוניות של מחר יצטרכו לראות טוב מזה.
על ידי חיבור המודולטור עם גלאי אור סופר רגיש שפועל במהירות,
הרזולוציה יכולה להיות משופרת למילימטר.
זה טוב פי מאה
ממה שאנחנו יכולים לזהות בראיה 6/6, מהצד השני של הרחוב.
הדור הראשון של לידאר לרכבים הסתמך על התקנים מסתובבים מסובכים
שסרקו מהגגות או ממכסה המנוע.
עם פוטוניקה משולבת,
המודולטורים והגלאים מכווצים לפחות מעשירית המילימטר,
וארוזים בשבבים זעירים שיום אחד יתאימו לתוך פנסי המכונית.
השבבים האלו יכללו גם גרסה חכמה של המודולטור
שתעזור להיפטר מחלקים נעים ולסרוק במהירויות גדולות.
על ידי האטת האור בזרוע המודולטור רק במעט,
המכשיר הנוסף הזה יפעל יותר כמו עמעם מאשר מתג הפעלה/כיבוי.
במערך של הרבה זרועות כאלו, כל אחת עם עיכוב נשלט זעיר,
שנערמות במקביל, אפשר לתכנן משהו חדשני:
קרן אור שניתנת לכיוון.
מנקודת המבט החדשה שלהם,
העיניים החכמות האלו יחקרו ויראו יותר ביסודיות
מכל דבר שהטבע יכול לדמיין --
ולעזור לנווט כל כמות של מכשולים.
הכל בלי להתאמץ --
אולי חוץ מאייל מבולבל.
Késő van, koromsötét, egy önvezető autó hajt lassan egy keskeny országúton.
Hirtelen három veszély bukkan fel egyszerre.
Mi fog történni?
Mielőtt navigálhatna a felmerülő akadályok között,
az autónak fel kell ismernie azokat.
Elég információra van szüksége azok méretéről, alakjáról és elhelyezkedéséről
ahhoz, hogy a vezérlő algoritmusa megtervezhesse a legbiztonságosabb utat.
Mivel nincs sofőr a volánnál, az autónak okosszemekre,
szenzorokra van szüksége, hogy megfejtse ezeket a részleteket,
környezettől, időjárástól függetlenül, és bármilyen sötét is legyen –
mindezt a másodperc töredéke alatt.
Ez kemény dió, de van egy megoldás, amely két részből áll:
egy különleges lézer-alapú távérzékelés, a LIDAR,
és a kommunikációs technológia egy miniatűr verziója,
ami az internetet működteti, az integrált fotonika.
A LIDAR megértését kezdjük a radarral, ami egy kapcsolódó technológia.
A légi közlekedésben
a radar antennák rádió- vagy mikrohullámokat bocsátanak ki a repülőkre,
hogy a visszaverődés idejét mérve megismerjék a helyzetüket.
Ez azonban korlátozott képet ad,
mert a nagy méretű sugarak nem adnak képet a finom részletekről.
Ezzel ellentétben egy önvezető autó LIDAR rendszere,
vagyis lézer-alapú távérzékelési rendszere
egy vékony, láthatatlan infravörös lézert használ.
Ez képes olyan apró részleteket felismerni,
mint egy gomb az út túloldalán álló gyalogos ingén.
De hogyan határozzuk meg a jellemzők alakját vagy mélységét?
A LIDAR nagyon rövid lézerimpulzusok sorát kibocsátva ad képet a mélységről.
Vegyük például a jávorszarvast az országúton.
Ahogy az autó elhalad, egy LIDAR impulzus szétszóródik az agancsai tövéről,
míg egy másik talán az egyik agancsa tetejéhez jut el, mielőtt visszaverődne.
Ha megmérjük, mennyivel több idő, mire a második impulzus visszaérkezik,
információt kapunk az agancs alakjáról.
A LIDAR rendszer sok rövid impulzust használva gyorsan ad részletes képet.
Fényimpulzust legegyszerűbben egy lézer ki- és bekapcsolásával hozhatunk létre.
Így viszont a lézer instabil lesz, és ez hat az impulzusok pontos időzítésére is,
ami korlátozza a mélységről kapott képet.
Jobb, ha bekapcsolva hagyjuk,
és mással zárjuk le periodikusan, megbízhatóan és gyorsan a fény útját.
Itt jön a képbe az integrált fotonika.
Az internet digitális adatait
olyan precízen időzített fényimpulzusok szállítják,
melyek olykor csak száz pikomásodperc hosszúak.
Egy Mach-Zehnder modulátorral lehet például ilyen impulzusokat létrehozni.
Ez az eszköz a hullámok egyik tulajdonságát használja fel,
melyet interferenciának nevezünk.
Képzeld el, hogy kavicsokat dobálsz egy tóba.
Ahogy a fodrok terjednek és egymásba érnek, létrejön egy minta.
Néhány helyen a hullámok összeadódnak, és nagyon nagyok lesznek,
máshol kioltják egymást.
A Mach-Zehnder modulátor hasonlóképpen működik.
A fényhullámokat két párhuzamos elágazás mentén elválasztja, majd újra egyesíti.
Ha a fényt lelassítjuk és késleltetjük az egyik ágon,
a hullámok az újraegyesüléskor kioltják egymást, elzárva a fényt.
Ha váltogatjuk ezt a késést az egyik ágon,
a modulátor kapcsolóként működik, fényimpulzusokat bocsát ki.
Egy száz pikomásodpercig tartó fényimpulzus
néhány centiméter pontosságú mélységfelbontásról ad képet,
de a jövő autóinak jobban kell látniuk ennél.
Ha összepárosítjuk a modulátort egy igen pontos, gyors fényérzékelővel,
a felbontás milliméter pontosságúra finomítható.
Ez több, mint százszor jobb annál,
amit éles látással láthatunk az utca túloldaláról.
Az első generációs autós LIDAR összetett forgó rendszereken alapult,
mely az autó tetejéről vagy a motorháztetőről szkennel.
Az integrált fotonika segítségével
a modulátorok és detektorok a milliméter tizedénél kisebb nagyságúra zsugorodnak,
parányi chipekbe kerülnek, amelyek egy nap elférnek majd egy autó lámpájában.
Ezek a chipek a modulátor egy okos variációját is tartalmazni fogják
a mozgó részek kiiktatására és a nagy sebességű szkennelés elősegítésére.
Ha csupán egész kicsit lassítjuk a fényt a modulátor egyik ágán,
ez a másik eszköz inkább fénytompítóhoz hasonlít majd, nem pedig kapcsolóhoz.
Ha sok ilyen ágat párhuzamosan egymásra halmozunk,
mindet egy kis kontrollált késleltetéssel, valami újat hozhatunk létre:
egy irányítható lézersugarat.
Új előnyükből adódóan
ezek az okosszemek sokkal alaposabban észlelnek majd,
mint bármi, amit a természet alkotott –
és bármennyi akadály között segítenek majd navigálni.
Mindezt anélkül, hogy bárki megizzadna közben –
kivéve talán egy zavarodott jávorszarvast.
夜遅く 暗闇に１台の自動運転車が 狭い田舎道をクネクネと進む
突然 ３つの危険物が 同時に現れる
次に何が起こるのか？
障害物の猛攻撃を通り抜ける前に
車がそれらを検知しなければならない
大きさ、形、位置といった 情報を十分に収集することで
制御アルゴリズムが 一番安全なコースを決めるのだ
運転席に人間がいない車は
スマートアイを必要とする
これは どんな環境、天気、暗さにおいても これらの詳細を
一瞬の内に解析する センサーのことだ
無理な要求のようだが 次の２つを組合せることで解決する
ライダーとよばれる レーザーを用いた特殊な検知器と
インターネット通信に 用いられている
集積フォトニクスという通信技術の ミニチュア版だ
ライダーを理解するには 関連技術であるレーダーから始めると良い
航空技術では
レーダーアンテナが飛行機に向けて 電波かマイクロ波のパルスをだす
ビームが跳ね返り戻ってくるまでの時間で 場所を特定するのだ
視角が限られているが
太いビームでは対象物の 細部の見分けがつかないためだ
一方 自動運転車の ライダーシステムは ―
ライダーとは「光による検知と測距」の 意味だが
細く絞り込んだ 目には見えない赤外線をつかっている
歩行者のシャツのボタンほどの 小さなものを
通りの向い側から検知できる
しかし 対象物の形や奥行きを どのように検知するのか
ライダーは奥行き解析のために 超短パルスレーザーを次々と発する
仮にヘラジカが田舎道にいたとして
車が走り過ぎる時 ライダーのパルス波が 角の生え際で散乱し
元の位置に戻ってくるより先に 次のパルスが角の先端に到達する
２つ目のパルスが戻ってくるのに 余分にかかる時間を計測することで
角の形に関するデータが得られる
短いパルスを多く発することで ライダーは形の詳細を迅速に伝えるのだ
光のパルスを発する最もわかりやすい方法は レーザーをオンオフすることである
しかし これではレーザーが安定せず パルスを正確なタイミングで発信するのに影響し
奥行きの分解能が 制限されてしまうので
オン状態のままにし
光の周期的な遮蔽を 信頼性が高く 高速に行える方法を用いるのが良い
ここで 集積フォトニクスが登場する
インターネットのデジタルデータは
100ピコ秒ほどの間隔しかない
高精度に時間制御された 光パルスにより伝送されている
このようなパルスを作りだす１つの方法は マッハ・ツェンダー変調器を使うことだ
この装置は干渉という 波の特性を利用している
池に小石を落とした時の様子を 想像してみたまえ
波が広がり 互いに重なり合うと 模様が作り出される
ある箇所では波の山が重なり とても大きくなるし
完全に打ち消しあう箇所もある
マッハ・ツェンダー変調器は 似たような働きをする
平行する２本のアームに沿って 光の波を分岐させ 最後に再び合流させる
もし光が一本のアームで 速度を落とし 遅延させれば
２つの波は同調を失った状態で合流し 打ち消し合うことで 光をブロックする
１本のアームで この遅延を切換えることで
変調器が光のパルスを発するための オンとオフのスイッチのように作動する
100ピコ秒続く光のパルスは
奥行きについて 数センチの解像度をもたらす
しかし近い将来に登場する車には それ以上の解像度が必要だ
変調器に超高感度で高速に作動する 光検出器を組合わせることで
ミリ単位まで解像度が向上する
これは 通りの向う側のものを見る時に
正常な人間の視力よりも 100倍以上良いということだ
初期の車載ライダーは 屋根かボンネットに取り付けてスキャンする
複雑に組み合わさった回転部品に 依存していた
集積フォトニクスにより
変調器と検知器が 0.1ミリ以下まで小さくなりつつあり
車のライトに入るほどの 小さなチップに搭載されるようになるだろう
さらにこのチップは 巧妙に改良された変調器を搭載しており
動く部品を無くして 高速スキャンを可能にしている
変調器のアームの中の 光の速度をほんの少し減速させることで
この追加装置はオンオフスイッチというよりは 制光装置として機能するだろう
制御のきいたわずかな遅延を 発生させる一連のアームを
並列に配置することで 画期的なものができる
操作可能なレーザービームだ
この新たな特長により
スマートアイは 自然の生き物が捉えられるよりも
徹底的に探査して 見ることができ
どんな数の障害物も 通り抜けられるようになるだろう
難なく ―
ただし 方向性を失ったヘラジカは 難しいかもしれないが
칠흑같이 어두운 늦은 밤에 자율주행차가 시골길을 달리고 있습니다.
느닷없이 장애물이 한꺼번에 3가지나 나타납니다.
무슨 일이 벌어질까요?
차량이 이런 난관을 헤쳐나가려면
먼저 장애물들을 감지해야 합니다.
크기, 형태, 위치정보를 충분히 모아서
통제규칙이 가장 안전한 길을 그려내게 합니다.
운전대를 잡고 있는 사람은 없으니
차량은 사태를 해결할 지능형 시각인 감지기가 필요합니다.
환경이나 날씨와 상관없이 얼마나 어둡든 간에
찰나의 순간에 모두 처리해야 합니다.
아주 어려운 과제이지만 두 가지를 결합한 해법이 있습니다.
레이저를 사용하는 탐색기, 즉 라이다와
인터넷이 활발하게 움직이게 하는 통신기술의 축소판, 통합광학기입니다.
라이다를 이해하려면 관련기술인 레이다부터 보면 쉽습니다.
항공에서는 레이다 안테나가 항공기에 전파나 초단파를 발사해서
전파가 돌아오는 시간을 측정해서 위치를 알아냅니다.
하지만 그것은 제한적인 방법입니다.
전파의 파장이 크기 때문에 미세한 부분을 형상화하기 어렵습니다.
반대로 자율주행차의 라이다 체계는
광 탐지 및 측정을 의미하는데
좁은 대역의 보이지 않는 적외선 레이저를 사용합니다.
길 건너편 보행자의 셔츠 단추만한 크기도 형상화 할 수 있습니다.
그런데 물체의 형태나 깊이는 어떻게 정할까요?
라이다는 아주 짧은 레이저 펄스를 연속 발사하여 깊이 분해능을 정합니다.
시골길의 큰사슴을 예로 들어보겠습니다.
차가 지나가면서 라이다 펄스 하나가 뿔의 아래 부분에서 산란됩니다.
다른 펄스 하나는 뿔의 끝부분에서 산란되어 돌아옵니다.
두 번째 펄스가 돌아오기까지 시간이 얼마나 더 걸렸는지 측정하여
뿔의 형태에 대한 자료를 얻습니다.
짧은 펄스를 많이 사용하여 라이다는 상세한 형태를 빠르게 그려냅니다.
빛의 펄스를 만드는 가장 확실한 방법은 레이져를 켰다 껐다하는 것입니다.
그렇게 하면 레이져는 불안정해져서 펄스의 정밀한 시간에 영향을 줍니다.
결국 깊이 분해능에 제한을 줍니다.
차라리 그냥 켜둔 채로 두고 주기적으로 빛을 차단하는
신뢰성있고 신속한 다른 방법을 사용하는 것이 더 낫습니다.
바로 그것이 통합 광학기를 사용하는 이유입니다.
인터넷의 디지털 자료들은
정밀하게 맞춰진 빛의 펄스에 실려 전달됩니다.
펄스는 100피코 초 정도로 짧습니다.
이런 펄스를 만드는 한 가지 방법은 마하젠더 변조기를 사용하는 것입니다.
이 기구는 파동의 특정한 상태를 이용합니다.
이는 바로 간섭이지요.
연못에 던진 돌멩이를 생각해보십시오.
파문이 퍼져 나가고 겹치면서 패턴을 만듭니다.
어떤 곳에서는 마루가 합쳐지면서 아주 높이 솟습니다.
다른 곳에서는 상쇄되어 없어집니다.
마하젠더 변조기는 이와 비슷한 일을 합니다.
빛의 파동을 평행한 두 부분으로 분리했다가 다시 합칩니다.
만약 한 쪽에서 느려지고 살짝 지연되면
파동은 동기화가 깨진 채로 합쳐져서 상쇄하거나 빛을 가로막습니다.
한쪽에서 이런 지연을 조작하면
변조기는 빛의 펄스를 발하는 스위치와 같은 역할을 합니다.
100피코 초 동안 나오는 빛의 펄스는
몇 cm의 깊이 분해능을 보여줍니다.
하지만 미래의 차는 성능이 더 좋아야 할 것입니다.
매우 민감하고 빠른 광탐지기와 변조기를 합치면
분해능은 1 mm까지 정밀해집니다.
길 건너에서 좋은 시력으로 보는 것보다 100배 이상 좋은 것입니다.
1세대 자동차 라이다는
지붕이나 후드에 설치한 복잡한 회전 부품을 사용했습니다.
통합 광학기를 사용한 변조기와 탐지기는 0.1 mm보다 작아졌으며
차량의 전조등에 들어갈 만큼 작은 칩에 집어 넣을 수 있을 것입니다.
또한 이 칩에는 개선된 변조기가 내장되어
움직이는 부품을 제거하여 빠른 속도로 탐지하게 됩니다.
변조기의 한 팔에서 빛의 속도를 아주 조금 지연시킴으로써
이 추가적인 기기는 스위치보다는 조광기로 작동할 것입니다.
의도적으로 지연시킨 기기들을 여럿 묶어서
평행하게 쌓으면 멋진 것이 탄생합니다:
조향 가능한 레이져 빔입니다.
새로운 시각에서 보면 이 지능형 시각은
자연에서 볼 수 있는 어떤 것보다 더 철저하게 탐지하고
많은 장애물을 헤쳐 나갈 수 있습니다.
아무도 신경 쓸 필요없습니다.
아마도 길잃은 큰사슴은 제외하고요.
کات درەنگە، شەوە زەنگە، ئۆتۆمبێلێکی بێ شۆفێر بە شەقامێکی تەنگی شاردا دەڕوات.
لە پڕێکدا، سێ خاڵی سوور کە بەربەستن لە یەک کاتدا دەردەکەون.
دواتر چی ڕوودەدات؟
سەیارەکە پێش ئەوەی بەرەو ئەم بەربەستە مەترسیدارانە لێبخوڕێت،
پێویستە لێیان بکۆڵێتەوە—
زانیاری دەربارەیی قەبارە و شێوە و شوێنەکانیان کۆ بکاتەوە،
بۆ ئەوەی ھەنگاو بە ھەنگاو ڕێگەی سەلامەت بدۆزێتەوە.
بێ ئەوەی ھیچ کەسێک لێی بخوڕێت،
سەیارەکە پێویستی بە دوو چاوی تیژ و ھەستەوەرە تا ئەم زانیارییانەی بۆ کۆبکاتەوە
گرنگ نییە ژینگە، کەشوھەوا چۆنە یا چەندێک تاریکە—
دەبێت ھەمووی لە نیو چرکەدا کۆ بکاتەوە.
ئەمە ئەرکێکی قورسە، بەڵام لێرەدا دوو چارەسەر ھەیە:
جۆرێکی تایبەتی لەیزەری ھەستدار پێی دەگوترێ "ڵایدار"،
و جۆرێکی بچوک و تایبەتی تەکنەلۆجیایی پەیوەندی،
کە ناهێڵێت ھێڵی ئینتەرنێت بپچڕێت، پێی دەگوترێت"ئینتگرەیتید فۆتۆنیکس".
بۆ ئەوەی لە ڵایدار تێبگەیین، پێویستە بزانین تەکنەلۆجیای ڕادار چییە.
لە زانستی فڕیندا،
ھەستەوەرەکانی ڕادار شەپۆلی ڕادیۆیی و مایکرۆوەیڤی دەگرنە فڕۆکەکان
بۆ زانینی شوێنەکانیان ئەویش بەوەی چەندێک خێرا تیشەکەکان دەگەڕێنەوە بۆیان.
ھەرچەندە، ئەمە ڕێگەیەکی سنورداری بینینە،
لەبەر ئەوەی ئەم تیشکە گەورانە ناتوانن زانیاری ورد ببینن.
بەپێچەوانەوە، سیستەمی ڵایدار بۆ لێخوڕینی ئۆتۆمبێلی بێ شۆفێر،
کە بەکاردێت بۆ ڕووناکی دۆزینەوە و مەودای بینین،
تیشکێکی بچووکی ژێر سوور بەکاردەهێنێت.
کە دەتوانێ وێنەی بچوکترین شت بگرێت وەک قۆپچەی کراسی ڕێبوارێک
لەسەر شەقامەکە.
بەڵام چۆن ئێمە شێوە و قووڵی ئەم شتانە دیاری دەکەین؟
ڵایدار زنجیرەیەک شەپۆلی کورتی لەیزەری دەنێڕێت بۆ بەدەستھێنانی ئەم زانیاریانە.
لە کاتی ڕۆشتندا بزنە کێوییەک دێتە سەر ڕێگەکەت.
کاتێک ئۆتۆمبێلەکە دەچێتە پێش، ڵایدارێک تیشک دەگرێتە بنی شاخەکانی،
لە کاتێکدا تیشکی دووەم بەرەو لوتکەیی یەکێک لە شاخەکانی دەڕوات پێش گەڕانەوەی.
پێوانەکردنی ئەوەی کە لێدانی دوەەم چەند چرکە زیاتری پێدەچێت بۆ گەڕانەوە
زانیاریت دەداتێ دەربارەی شێوەی شاخەکانی.
سیستەمی ڵایدار بەلێدانی تیشکی کورت، زۆر بەخێرایی زانیاری تەواو ورد دەگوازێتەوە.
ئاسانترین ڕێ بۆ دروست کردنی لێدانی ڕوناکی، کوژاندنەوە و ھەڵکردنەوەی لەیزەرەکەیە
بەڵام ئەمە لەیزەرەکە ناجێگیر دەکات کار دەکاتە سەر وردی کاتی لێدانەکانی،
کە دەبێتە ھۆی سنوردارکردنی زانییارییە وردەکان.
باشترە هەڵکراو بن،
و شتێکی تر بەکاربھێنن کە بەڕێکخراوی و خێرایی ڕێگە لە دەرچوونی ڕووناکی بگرێت.
لێرەد ڕۆڵی ئینتیگرەیتید فۆتۆنیکس دەردەکەوێت.
کە زانیاریەکانی دیجیتاڵ ئینتەرنێت
لە کاتی خۆییدا و بە وردی یەکەکانی ڕوناکی دەگوازێتەوە،
ھەنێکیان ھێندە کورتن ھێندەی سەد پیکۆ چرکە.
ڕێگەیەک بۆ درووست کردنی ئەم لێدانانە ئامێری ماک زێندەرە.
ئەم ئامێرە سود وەردەگرێت لە یەکێک لە خاسیەتەکانی شەپۆل.
پێی دەوترێ تێەکەڵبوون.
بیھێنە پێش چاوت، ھەندێک زیخ دەخەیتە دەریاچەیەکەوە:
شەپۆلەکانی ئاو جیا دەبنەوە و پێکدادەچن و شێوە وەردەگرن.
لە شوێنێکدا لوتکەی شەپۆلەکان یەک دەگرن بۆ ئەوەی گەورەتر ببن.
لە شوێنێکی تر بە تەواوی لێک جیادەبنەوە.
ئامێری شەپۆلگۆڕی ماک زێندەریـش شتێکی لەو شێوەیە دەکات، شەپۆلەکانی
ڕووناکی لە دوو باڵی تەریب لێک جیادەکاتەوە و لە کۆتایدا بەیەکیانەوە دەبەستێتەوە.
ئەگەر ڕووناکیەکە لە باڵێکەوە خاوبێتەوە و درەنگ بکەوێت،
شەپۆلەکان تێکەڵ دەبنەوە و لە کاردەکەون و بەر لە ڕووناکیەکە دەگرن.
بەھۆێ ئەم دواکەوتنەوە لە باڵێكەوە ،
ئامێرەکە لە خۆوە ھەڵدەبێت و دەکوژێتەوە و لێدانەکانی ڕووناکی دەنێرێت.
یەک لێدان بۆ سەد پیکۆچرکە دەمێنێتەوە
دەتوانێت زانیاری وردی چەند سانتیمەترێک وەبگرێت،
بەڵام لە داھاتوو سەیارەکان پێویستە باشتر ببن.
بە جووتکردنی ئامێرەکە لەگەڵ پشکنەرێکی ڕووناکی زۆر ھەستیار و خێراکرداردا،
توانای بینین باشتر دەکات بۆ بینینی زانیاری شتێک کە میلیـمەترێک بێت،
کە ئەمە سەد جار باشرە لە چاوی ئێمە
کە ٦ لەسەر ٦ و دەمانەوێت سەیری شتێک لەوبەری شەقامەکە بکەین.
نەوەی یەکەمی ئۆتۆمبێلی ڵایدار بە پارچەیەکی خولاوەی ئاڵۆز پشتی بەستبوو
کە لەسەر ئۆتۆمبێل یان بۆنیت دەبەسترێت.
لەگەڵ ئینتیگرەیتید فۆتۆنیکس،
ئامێری شەپۆلگۆڕەکە و پشکنەرەکە بچووک دەبنەوە بۆ ١٠جار کەمتر لە میلیـمەترێک.
و دەبنە پارچەی بچوک کە ڕۆژێک گونجاودەبن بۆ دانانیان لەنێو لایتی سەیارە.
و ئەم پارچە بچووکانە گۆڕانی پێشکەوتووی تێدا دەبێت لەناو ئامێری شەپۆلگۆڕەکە،
کە یارمەتی ڕزگاربوون لە بەشە جوڵاوەکەی دەدات و لە خێراییەکی زۆردا پشکنین دەکات.
بە کەمێک کەمکردنەوەی خێرایی ڕووناکی لە لایەکی ئامێری شەپۆلگۆڕەکە،
پارچە پچووکە زیادکراوەکە زیاتر وەک کزکەرێک دەبێت نەک سویچی کوژاندنەوە و ھەڵکردن.
ئەگەر ڕێکخستنی یەکێک لەم باڵانە کەمێک درەنگ بکەوێت،
شتێکی نوێ درووست دەبێت:
تیشکی لەیزەری کۆنترۆڵکراو،
لەم پێشکەوتنە تازەیەدا،
ئەم چاوە زیرەکانە قووڵ دەبنەوە و ھەموو شتێک دەبینن
ھەرشتێک کە لە سروشتدا ھەبێت
و دەتوانێ خۆی لە ھەموو بەربەستێک لابدات.
هەموو ئەمانە دەکرێت ڕوو بدەن بێ هیچ ئیستۆپێک
بەڵام ئەگەر بزنە کێوییەکی سەرلێشێواو نەیەتە سەر ڕێگەکە.
ညဉ့်နက် မှောင်မည်းချိန် မိမိဘာသာ မောင်းနေ တဲ့ကား လမ်းကျဉ်းမှာ အရှိန်နဲ့ မောင်းနေတယ်။
ရုတ်တရက် အန္တရာယ်သုံးခု တစ်ချိန်တည်းမှာ ပေါ်လာကြတယ်။
အဲဒီနောက် ဘယ်လို ဖြစ်လာမလဲ။
အဲဒီလို အတားအဆီးတွေ ကျော်မောင်းနိုင်ဖို့
ကားဟာ အဲဒါတွေကို စုံစမ်းကြည့်ဖို့ လိုမယ်—
၎င်းတို့ရဲ့ အရွယ်အစား၊ ပုံသဏ္ဍာန်နဲ့ အနေ အထားဆိုင်ရာ အချက်အလက်တွေကို ရယူခြင်းဖြင့်
၎င်းရဲ့ ထိန်းချုပ်ရေး အယ်လဂိုရီသမ်တွေက ဘေး အကင်းဆုံး လမ်းကြောင်းကို ချမှတ်ပေးမှာပါ။
ကားကို မောင်းတဲ့ လူသား မရှိလို့
ကားဟာ အဲဒီလို အသေးစိတ်တွေကို၊ ရာသီဥတု မရွေး၊ ဘယ်လိုပဲ မှောင်မှောင်၊
သိရှိရန် စမတ် မျက်လုံးတွေ၊ အာရုံခံကိရိယာတွေြဖင့်
စက္ကန့်ပိုင်းအတွင်းမှ သိရှိရန် လိုအပ်ပါတယ်။
အဲဒါက ခဲယဉ်းတဲ့ စနစ်ဖြစ်ပေမဲ့ အရာနှစ်ခုကို အခြေခံပြီး ဖြေရှင်းပေးနိုင်တယ်-
LIDAR လို့ခေါ်တဲ့ လေဆာ အခြေခံ စူးစမ်းမှုနဲ့
integrated photonics လို့ခေါ်တဲ့ အင်တာနက်ကို အသုံးပြုတဲ့
ဆက်သွယ်ရေး နည်းစနစ် အသေးလေးပါ။
LIDAR ကိုနားလည်ဖို့ ဆက်စပ်နေတဲ့ ရေဒါ နည်းပညာကို နားလည်သင့်တယ်။
လေကြောင်းပျံသန်းမှုမှာ
ရေဒါအင်တင်နာတွေက ရေဒီယို (သို့) မိုက်ခရို ဝေ့ လှိုင်းတွေကို လေယာဉ်များဆီ စေလွှတ်ပြီး
ရောင်ချည်တန်း တန်ပြန် ရောက်လာတဲ့ အချိန်ကို တိုင်းကြည့်ပြီး တည်နေရာကို တိုင်းယူတယ်။
ရောင်ချည်တန်း အရွယ်အစား ကြီးတဲ့အတွက် အသေးစိတ်တွေ မပေါ်လွင်လို့
ကန့်သတ်ချက်ရှိတဲ့ ကြည့်ရှုနည်းပါ။
အဲဒီလို မဟုတ်ဘဲ၊ မောင်းသူမဲ့ ကားရဲ့ LIDAR ခေါ်
Light Detection and Ranging စနစ်ကျတော့
ကျဉ်းမြောင်းပြီး မြင်မရတဲ့ အနီအောက် ရောင်ခြည်လေဆာကိုသုံးပါတယ်။
အဲဒါက လမ်းတစ်ဖက်မှာ လမ်းလျှောက်နေသူ ရှပ်အင်္ကျီပေါ် က ကြယ်သီးရဲ့ ပုံကိုတောင်
ဖေါ်ထုတ်နိုင်စွမ်း ရှိတယ်။
ဒါပေမဲ့ အဲဒီလို အရာတွေရဲ့ ပုံသဏ္ဍန် (သို့) နက်ရှိုင်းမှုကိုရော ဘယ်လို ဆုံးဖြတ်မလဲ။
LIDAR က သိပ်တိုတဲ့ လေဆာရောင်ချည်နဲ့ ဆက် တိုက်ပစ်ရင်း နက်ရှိုင်းမှုကို တိုင်းယူတယ်။
ကျေးလက် ဒေသက လမ်းပေါ်မှာ သွားနေတဲ့ နွားဆိုပါစို့။
ကားကို မောင်းသွားနေစဉ် LIDAR ရဲ့ လှိုင်းက နွားရဲ့ ခြေမြစ်ထံမှ တုံ့ပြန်လာတယ်၊
နောက်တစ်ကြိမ်တွင် အလားတူပဲ ဦးချို တစ်ခုထံမှ ပြန်လာနိုင်ပါတယ်။
ထပ်ပြီး စေလွှတ်လိုက်တဲ့လှိုင်း ပြန်လာဖို့ ဘယ်လောက်ကြာတာကို တိုင်းကြည့်ရင်
ဦးချိုရဲ့ ပုံသဏ္ဍာကို သိလာရမှာပါ။
အဲဒီလှိုင်းများကို ပို့ပေးလျက် LIDAR စနစ်က ခဏတွင်း ပုံပမ်းအသေးစိတ် ဖေါ်ထုတ်နိုင်မယ်။
လေဆာ လှိုင်းတို စေလွှတ်ဖို့ အထင်ရှားဆုံး နည်းမှာ ခလုတ်ကို ဖွင့်ပိတ်ပေးဖို့ပါပဲ။
ဒါပေမဲ့ အဲဒါက လေဆာကို မတည်မငြိမ် ဖြစ်စေကာ လှိုင်းတိုအချိန်တိကျမှုကို သက်ရောက်လို့
နက်ရှိုင်းမှုရဲ့ တိကျမှုကို ကန့်သတ်မှာပါ။
ခလုတ်ကို ဖွင့်ထားပြီး
အလင်းရောင်ကို စိတ်ချ လျင်မြန်စွာ ပုံမှန် ပိတ်ဆို့ဖို့ အခြားနည်းကို သုံးသင့်တယ်။
အဲဒါကို integrated photonics က ဝင်လုပ်ပေးနိုင်မှာပါ။
အင်တာနက်ရဲ့ ဒီဂျီတယ် ဒေတာကို
picosecond တစ်ရာထိ တိကျစွာ ညှိထားတဲ့ အလင်း လှိုင်းတိုများဖြင့်
သယ်ဆောင်ပေးတာပါ။
လှိုင်းတိုများကို ဖန်တီးပေးဖို့ တစ်နည်းက Mach-Zehnder modulator ကို သုံဖို့ပါ။
ဒီကိရိယာက လှိုင်းတစ်ခုဆီမှာ ရှိတတ်တဲ့ interference လို့ခေါ်တဲ့
ထူးခြားချက်ကို အသုံးချတာပါ။
ရေကန်ထဲကို ကျောက်စရစ်လုံးတွေ ချပေးနေတာ စိတ်ကူးကြည့်ပါ၊
ဂယက်တွေ ပေါ်လာကာ တစ်ခုနဲ့တစ်ခု ထပ်လိုက် ခြင်းဖြင့် ပုံသဏ္ဍန်တွေ ပေါ်လာကြတယ်။
တချို့နေရာမှာ လှိုင်းထိပ်တွေ ပေါင်းမိလို့ သိပ်အကို ကြီးမားလာနိုင်သလို၊
တခြားနေရာတွေမှာ တစ်ခုကိုတစ်ခုက လုံးဝ ချေဖျက်ပစ်ကြတယ်။
Mach-Zehnder စက်ကလည်း အလားတူ လုပ်ပေးတာပါ။
ပြိုင်နေတဲ့ အလင်းလှိုင်း လိုင်းများအဖြစ် ပိုင်းခြားပေးပြီးနောက် ပြန်ပေါင်းပေးတာပါ။
လိုင်း တစ်ခုထဲက အလင်းကို နှေးလိုက်ပြီး အချိန်ကို ဆွဲပေးလိုက်ရင်၊ ညှိယူမှုနောက်မှာ
လှိုင်းတွေ ပြန်ပေါင်းလိုက်ခြင်းဖြင့် ဖျက်ခံရလို့ အလင်းကို ပိတ်လိုက်ကြတယ်။
လိုင်းတစ်ခုရဲ့ ကြန့်ကြာမှုကို ကစားပေးခြင်းဖြင့်
modulator က ဖွင့်ပိတ်ပေးတဲ့ ခလုတ်လို အလင်းအချက်ပြမှုကို ထုတ်လွှတ်ပေးနိုင်တယ်။
picosecond တရာကြာတဲ့ အလင်းစေလွှတ်မှုက
နက်ရှိုင်းမှုကို စင်တီမီဝာ အနည်းငယ်အထိ တိကျစွာ တိုင်းနိုင်ပေမဲ့၊
အနာဂတ် ကားတွေကျတော့ ဒီ့ထက်ကို ပိုပြီး ကောင်းမွန်စွာ မြင်ဖို့ လိုအပ်လိမ့်မယ်။
စူပါအာရုံခံနိုင်မယ့် အလင်းဖမ်းစက်နဲ့ modulator ကို တွဲသုံးမယ်ဆိုရင်
တိကျမှုကို မီလီမီတာ အထိကို မြှင့်တင်ပေးနိုင်မှာပါ။
အဲဒီတိကျမှုဟာဖြင့် 20/20 ကြည့်စက်ဖြင့်
လမ်းတစ်ဘက်ရှိ အရာများကို တိုင်းနိုင်တာထက် အဆတစ်ရာ ပိုတိကျပါတယ်။
မော်တော်ယာဉ်သုံး ပထမမျိုးဆက် LIDAR စက်တွေဟာ ကားအမိုး ဒါမှမဟုတ် ဘောင်ပေါ်မှာ
တပ်ထားတဲ့ ရှုပ်ထွေးတဲ့ ကိရိယာတွေကို သုံးခဲ့ကြတယ်။
photonic တွေ၊ modulator တွေနဲ့ အာရုံခံ စနစ်တွေကို
တစ်စုတစ်လုံးတည်း ပေါင်းလိုက်ကာ မီလီမီတာရဲ့ ဆယ်ပုံတစ်ပုံထိ သေးအောင် လုပ်နိုင်ပြီး
သေးငယ်တဲ့ ချစ်ပ်အဖြစ် ကားရဲ့ မီးလုံးအိမ်ထဲမှာ တပ်ပေးလာနိုင်မှာပါ။
အဲဒီချစ်ပ်တွေထဲတွင် modulator ပေါ်မှာ ပညာသား ပါတဲ့ ကိရိယာ ပါဦးမှာမို့လို့
ရွေ့လျားအရာများကို ရှောင်နိုင်ရန်နဲ့ အမြန် မောင်းနေချိန်မှာ စကန် ဖတ်ပေးနိုင်မှာပါ။
modulator လိုင်းတစ်ခုထဲက အလင်းကို နည်းနည်းလေး နှေးပေးခြင်းဖြင့်၊
အဲဒီအပိုဆောင်းကိရိယာက ဖွင့်ပိတ် ခလုတ်ထက် လင်းမှုကို ထိန်းချုပ်မှု ဖြစ်ပါလိမ့်မယ်။
အဲဒီလို လိုင်းတွေ တသီကြီးရှိပြီး တစ်ခုစီ ကြန့်ကြာအောင် ထိန်းချုပ်ပေးနိုင်ရင်၊
လုံးဝ ဆန်းသစ်တဲ့ ပုံစံနဲ့ အသုံးချနိုင်အောင် ဒီဇိုင်းဆွဲနိုင်လို့
လိုသလို လှည့်သုံးနိုင်မယ့် လေဆာ အလင်းတန်း ဖြစ်လာမယ်။
အဲဒီလို ဆန်းသစ်မယ့် ကိရိယာတွေဟာ
စမတ်မျက်လုံးတွေနဲ့ တူကြမှာမို့
စိတ်ကူးလို့ ရနိုင်တဲ့ ဘယ်သဘာဝ အရာကို မဆို အသေးစိတ် မြင်နိုင်မှာ ဖြစ်ပြီး
ဘယ်လောက်ပဲ များတဲ့ အတားအဆီးတွေကို မဆို မြင်နိုင်ပြီး ရှောင်နိုင်မှာပါ။
ပြီးတော့ လမ်းမှားသွားလို့ ရုတ်တရက် ပေါ်လာနိုင်တဲ့ သမင်ကလွဲလို့
ဘယ်သူမှာမှ ပင်ပင်ပန်းပန်း အားထုတ် ကြိုးပမ်းရန် လိုမှာ မဟုတ်ပါဘူး။
Faz-se tarde, está escuro como breu
e um carro autónomo abranda numa estrada rural estreita.
Subitamente, aparecem três obstáculos ao mesmo tempo.
O que acontece de seguida?
Antes de conseguir orientar-se perante esta investida de obstáculos,
o carro tem de os detetar:
compilando informações suficientes sobre o seu tamanho, forma e posição,
de modo que os seus algoritmos de controlo consigam traçar a rota mais segura.
Sem uma pessoa ao volante,
o carro precisa de olhos inteligentes: sensores que decomponham esses detalhes,
independentemente do ambiente, do tempo, ou da escuridão,
tudo numa fração de segundos.
É uma tarefa difícil, mas há uma solução que combina duas coisas:
um tipo especial de sonda baseado em "lasers", o LIDAR,
e uma versão em miniatura da tecnologia de comunicação
que mantém a Internet a funcionar, chamada fotónica integrada.
Para compreender o LIDAR, ajuda começar por uma tecnologia relacionada: o radar.
Na aviação,
as antenas de radar enviam pulsos de rádio ou de micro-ondas para os aviões
para determinar as suas localizações ao temporizar o reflexo dos pulsos.
No entanto, essa é uma visualização limitada
porque os grandes feixes não conseguem visualizar os pequenos detalhes.
Em contraste, num carro autónomo, o sistema LIDAR
que significa Sistema de Varredura a Laser,
utiliza um "laser" invisível estreito de infravermelhos.
Consegue visualizar detalhes tão pequenos como o botão da camisa de um transeunte,
do outro lado da rua.
Mas como determinamos a forma ou profundidade dessas características?
O LIDAR dispara um conjunto de pulsos "laser" muito curtos
para determinar a sua profundidade.
Imaginem um alce numa estrada rural.
À medida que o carro anda, um pulso LIDAR dispersa-se na base dos seus galhos,
enquanto um outro talvez viaje até ao topo de um galho antes de se refletir.
Ao medir quanto mais tempo demora o segundo pulso a voltar,
obtêm-se informações sobre a forma do galho.
Com muitos pulsos curtos, um sistema LIDAR forma rapidamente um perfil detalhado.
A forma mais óbvia de criar um pulso de luz é ligar e desligar um "laser".
Mas isto torna o laser instável e afeta a temporização precisa dos seus pulsos,
o que limita a sua profundidade.
O melhor é deixá-lo ligado,
e utilizar outra coisa para bloquear a luz periodicamente de modo rápido e fiável.
É aí que entra a integração fotónica.
Os dados digitais da Internet
são transportados por pulsos de luz temporizados precisamente,
alguns tão curtos quanto 100 picossegundos.
Uma forma de criar esses pulsos é através de um modulador Mach-Zehnder.
Este dispositivo tira proveito de uma propriedade particular da onda,
designada interferência.
Imaginem deixar cair umas pedrinhas num lago:
as ondulações espalham-se e sobrepõem-se, formando um padrão.
Nalguns lugares, os picos das ondas sobrepõem-se e tornam-se enormes.
Noutros, cancelam-se uns aos outros.
O modulador Mach-Zehnder faz algo semelhante.
Divide ondas de luz ao longo de dois braços paralelos e reúne-os eventualmente.
Se a luz for atrasada num braço,
as ondas reúnem-se fora de sincronia e cancelam-se, bloqueando a luz.
Ao comutar este atraso num braço,
o modulador age como um interruptor, emitindo pulsos de luz.
Um pulso de luz, que dura 100 picossegundos,
forma uma resolução de alguns centímetros,
mas os carros do futuro vão precisar de ver melhor que isso.
Ao combinar o modulador com um detetor de luz bastante sensível e de ação rápida,
a resolução pode ser melhorada até um milímetro.
Isso é mais de uma centena de vezes melhor
que a visão perfeita de uma pessoa do outro lado da rua.
O primeiro LIDAR para automóveis baseou-se em montagens complexas giratórias
que digitalizam a partir de telhados ou capôs.
Com a integração fotónica,
os moduladores e detetores estão a ser encolhidos para menos de 0,1 milímetros,
e colocados em pequenos chips que, um dia, caberão dentro dos faróis dos carros.
Estes chips também incluirão uma variação inteligente do modulador
para acabar com as partes móveis e poder digitalizar a altas velocidades.
Ao atrasar apenas um pouco a luz no braço do modulador
este componente adicional agirá mais como um regulador do que um interruptor.
Se um conjunto de braços destes, cada um com um atraso controlado,
estiver colocado em paralelo, algo novo pode ser concebido:
um feixe "laser" orientável.
Com esta nova vantagem,
estes olhos inteligentes conseguem sondar e ver mais detalhadamente
do que alguma vez a Natureza conseguiu,
e ajudar a orientar-se entre qualquer número de obstáculos.
Tudo sem o esforço de ninguém,
exceto talvez o de um alce desorientado.
Está tarde, escuro como breu
e um carro autônomo segue por uma estrada estreita no interior.
De repente, surgem três perigos ao mesmo tempo.
O que acontece depois?
Antes que possa navegar por esse ataque de obstáculos,
o carro tem que detectá-los,
colhendo informações suficientes sobre tamanho, forma e posição deles
para que seus algoritmos de controle possam traçar o rumo mais seguro.
Sem um ser humano ao volante,
o carro precisa de olhos inteligentes, sensores que resolverão esses detalhes,
não importa o ambiente, o clima ou quanto esteja escuro,
tudo em uma fração de segundo.
Essa é uma tarefa difícil, mas há uma solução que alia duas coisas:
um tipo especial de sensor a laser chamado LIDAR,
e uma versão em miniatura da tecnologia de comunicações
que mantém a internet ativa,
chamada fotônica integrada.
Para ajudar a entender o LIDAR, começamos com uma tecnologia relacionada: o radar.
Na aviação,
as antenas de radar lançam pulsações de rádio ou microondas aos aviões
para descobrir suas localizações,
cronometrando quanto tempo os feixes de luz levam para retornar.
Porém, esse é um modo limitado de verificação,
pois a grande extensão do feixe não consegue visualizar detalhes precisos.
Em contraste, o sistema LIDAR de um carro autônomo,
cuja sigla em inglês significa "Light Detection and Ranging",
usa um laser infravermelho estreito e invisível,
que pode visualizar aspectos tão pequenos
quanto o botão da camisa de um pedestre do outro lado da rua.
Mas como determinamos a forma ou a profundidade desses aspectos?
LIDAR dispara uma sucessão de pulsações de laser supercurtas
para dar resolução de profundidade.
Considere o alce na estrada.
Enquanto o carro passa, uma pulsação LIDAR atinge a base dos chifres do alce,
enquanto a próxima pulsação pode chegar até a ponta de um chifre antes de voltar.
A medição do tempo que a segunda pulsação leva para retornar
fornece dados sobre a forma do chifre.
Com muitas pulsações curtas,
um sistema LIDAR renderiza rapidamente um perfil detalhado.
A maneira mais óbvia de criar uma pulsação de luz é ligar e desligar um laser.
Mas isso torna o laser instável e afeta o tempo preciso de suas pulsações,
o que limita a resolução da profundidade.
É melhor deixá-lo ligado
e usar outra coisa para bloquear periodicamente a luz
de maneira confiável e rápida.
É aí que entram os fotônicos integrados.
Os dados digitais da internet
são carregados por pulsações de luz com precisão cronometrada,
algumas tão curtas quanto 100 picossegundos.
Uma maneira de criar essas pulsações é com um modulador Mach-Zehnder.
Esse dispositivo tira proveito de uma determinada propriedade de onda,
chamada de interferência.
Imagine jogar pedrinhas em um lago:
conforme as ondulações se espalham e se sobrepõem, forma-se um padrão.
Em alguns lugares, os picos de ondulação somam-se e aumentam muito;
em outros, desaparecem totalmente.
O modulador Mach-Zehnder faz algo semelhante.
Divide ondas de luz ao longo de dois braços paralelos
e, por fim, volta a reuni-las.
Se a luz for retardada e atrasada em um braço,
as ondas se recombinam fora de sincronia e desaparecem, bloqueando a luz.
Ao controlar esse atraso em um braço,
o modulador age como um interruptor liga/desliga, emitindo pulsações de luz.
Uma pulsação de luz com duração de 100 picossegundos
leva a uma resolução de profundidade de alguns centímetros,
mas os carros do futuro precisarão enxergar melhor do que isso.
Ao juntar o modulador com um detector de luz supersensível e de ação rápida,
a resolução pode ser aperfeiçoada para um milímetro.
Isso é mais do que 100 vezes melhor
do que o que conseguimos discernir com visão perfeita, do outro lado da rua.
A primeira geração de automóveis LIDAR conta com conjuntos giratórios complexos
que escaneiam a partir do topo ou capota do carro.
Com a fotônica integrada,
moduladores e detectores estão sendo reduzidos
a menos de um décimo de milímetro
e acondicionados em minúsculos chips
que, um dia, caberão dentro dos faróis de um carro.
Esses chips também incluirão uma variação inteligente no modulador
para ajudar a eliminar partes móveis e digitalizar em velocidades rápidas.
Ao desacelerar apenas um pouco a luz em um braço do modulador,
esse dispositivo adicional atuará mais como regulador de intensidade
do que como interruptor liga/desliga.
Se um conjunto de muitos desses braços, cada um com um pequeno atraso controlado,
for montado em paralelo, algo novo pode ser projetado:
um feixe de laser direcionável.
A partir de seu novo posicionamento,
esses olhos inteligentes irão investigar e enxergar mais profundamente
do que qualquer coisa apresentada pela natureza
e ajudar a navegar quaisquer obstáculos.
Tudo sem que ninguém se esforce muito,
exceto talvez um alce desorientado.
E târziu, e beznă și o mașină autonomă merge pe un drum de țară îngust.
Deodată, apar trei pericole în același timp.
Ce se va întâmpla?
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.
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.
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-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,
sistemul LIDAR formează rapid un profil detaliat.
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.
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
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
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:
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,
poate cu excepția elanului dezorientat.
Уже поздно, кромешная тьма, и беспилотник спускается по узкой просёлочной дороге.
Внезапно на дороге появляются одновременно три помехи движению.
Что сейчас произойдёт?
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.
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.
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?
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.
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
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,
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
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 —
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,
разве что какой-нибудь заплутавший лось.
Geç vakitte, zifiri karanlıkta, sürücüsüz bir araç dar taşra yolunda yavaşlıyor.
Aniden, üç tehlike aynı anda ortaya çıkıyor.
Şimdi ne olacak?
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.
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.
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, 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.
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.
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.
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
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.
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.
Đêm đã khuya, trời tối đen,
một chiếc xe tự lái chạy dọc con đường làng nhỏ hẹp.
Đột nhiên, ba chướng ngại vật cùng xuất hiện.
Điều gì sẽ xảy ra tiếp theo?
Trước khi có thể đổi hướng để tránh,
xe phải phát hiện ra các chướng ngại vật,
thu thập đầy đủ thông tin về kích cỡ, hình dáng và vị trí của chúng,
để các thuật toán điều khiển có thể tính toán lộ trình an toàn nhất.
Vì không có người lái,
xe cần những con mắt thông minh, cảm biến để xử lý thông tin chi tiết.
Bất kể môi trường xung quanh, thời tiết hay trời tối thế nào,
nó cần thu thập mọi thông tin trong tích tắc.
Một nhiệm vụ khó khăn,
nhưng khả thi bằng cách kết hợp hai thiết bị:
đầu dò laser đặc biệt tên là LIDAR,
và phiên bản thu nhỏ của công nghệ truyền thông
thúc đẩy sự phát triển của internet, gọi là quang tử tích hợp.
Để hiểu LIDAR, trước tiên cần hiểu về một công nghệ tương quan - radar.
Trong ngành hàng không,
ăng-ten radar phát ra xung sóng vô tuyến hoặc vi sóng đến máy bay,
thời gian chùm tia phản hồi trở lại cho biết vị trí của chúng.
Tuy nhiên, cách này có những hạn chế,
vì dù chùm tia có lớn hơn
cũng không thể cho ra thông số hình ảnh chi tiết.
Ngược lại, hệ thống LIDAR của xe tự lái,
viết tắt của Phát hiện và Định tầm bằng Ánh sáng,
dùng tia laser hồng ngoại nhỏ, vô hình,
có thể nhận dạng các vật nhỏ như chiếc nút trên áo sơ mi
của người đi bộ bên kia đường.
Nhưng làm thế nào để xác định hình dạng và độ dày của các vật thể này?
LIDAR phát ra chuỗi xung laser siêu ngắn để đo độ dày.
Lấy con nai trên đường làm ví dụ.
Khi xe chạy ngang, một xung LIDAR truyền đến đáy gạc,
tia kế tiếp truyền đến đỉnh, rồi phản xạ trở lại.
Tính toán khác biệt thời gian của hai xung
cho ta dữ liệu về hình dạng gạc.
Nhờ nhiều xung ngắn liên tục được phát ra,
hệ LIDAR nhanh chóng thiết lập hồ sơ chi tiết về đối tượng.
Dĩ nhiên, cách đơn giản nhất để tạo ra xung ánh sáng
là bật và tắt nguồn laser
nhưng sẽ làm nó không ổn định
và khiến thời gian phát xung không chuẩn xác,
giới hạn việc phân giải độ sâu.
Tốt hơn hết là giữ nó luôn mở,
và dùng một vật đáng tin khác để chặn ánh sáng thật nhanh.
Đó là lúc cần đến quang tử tích hợp.
Dữ liệu số của Internet
được truyền tải với thời gian chuẩn xác bằng xung ánh sáng,
đôi khi ngắn cỡ một trăm pico giây (100x10^−12 giây).
Một phương pháp để tạo ra xung này là sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder.
Thiết bị này dựa trên một thuộc tính đặc biệt của sóng,
gọi là giao thoa.
Hãy tưởng tượng thả những viên sỏi xuống ao:
vân giao thoa hình thành khi các gợn sóng lan ra và chồng lên nhau.
Tại vài vị trí, đỉnh sóng tăng cường, dao động có biên độ lớn;
một số khác, chúng hoàn toàn triệt tiêu lẫn nhau.
Giao thoa kế Mach-Zehnder có nguyên lý hoạt động tương tự:
phân tách sóng ánh sáng thành hai nhánh song song
rồi kết hợp chúng lại tại đầu ra.
Nếu chùm sáng trong một nhánh bị trễ pha,
sóng kết hợp sẽ lệch pha và bị triệt tiêu, nên không có ánh sáng đi ra.
Bằng cách thay đổi độ trễ trong một nhánh,
bộ điều biến hoạt động như một công tắc bật / tắt,
phát ra các xung ánh sáng.
Một xung ánh sáng dài một trăm pico giây
có thể phân giải độ sâu vài xen-ti-mét,
nhưng trong tương lai, xe cần có độ phân giải tốt hơn.
Bằng cách ghép nối bộ điều biến với máy dò ánh sáng nhanh và siêu nhạy,
có thể tăng độ phân giải lên tầm một mi-li-mét.
Tốt hơn hàng trăm lần
thị lực 20/20 của người bình thường từ bên kia đường.
Thế hệ xe tự lái đầu tiên sử dụng một hệ thống quay phức tạp
quét từ đỉnh hoặc mui xe.
Với quang tử tích hợp,
kích cỡ bộ điều biến và máy dò có thể giảm xuống còn dưới 1/10 mi-li-mét,
và tích hợp thành những con chip nhỏ, một ngày kia, có thể lắp vừa trong đèn xe.
Những con chip này cũng sẽ có thêm một biến tấu trên bộ điều biến
giúp tách biệt với bộ phận quay và quét tốc độ cao.
Bằng cách làm trễ pha ánh sáng trong một nhánh của bộ điều biến,
phụ kiện này sẽ hoạt động giống như dụng cụ chỉnh sáng hơn là công tắc.
Việc tạo ra một dãy các nhánh có thể kiểm soát độ trễ pha,
và đặt song song với nhau, có thể tạo ra một thứ mới:
một chùm tia laser ổn định.
Với những lợi thế mới này,
những con mắt thông minh này có thể dò và nhìn kỹ lưỡng hơn
bất cứ tạo vật nào mà tạo hóa tạo ra,
và giúp điều hướng qua mọi chướng ngại vật
mà không khiến bất kì ai phải toát mồ hôi,
ngoại trừ, có lẽ, chú nai bị mất phương hướng.
天已晚，黑夜中一辆自动驾驶汽车 沿狭窄的乡村公路蜿蜒行驶而来。
突然间，同时出现了三个危险警示。
接下来会发生什么呢？
在驾驶通过突然出现的障碍物前，
汽车必须先发现障碍物——
收集有关大小、形状和位置信息，
以便用算法规划出最安全的路线。
因为无人驾驶，
汽车需要智能眼， 也就是解决问题的探测器——
无论周围环境、天气如何， 或者天有多黑——
问题要在眨眼间解决。
要求虽高，但有解决方案， 该方案由两样东西组成：
特殊激光探测技术 LIDAR
和集成光电技术，
即实时联网的微通信技术。
要了解光达 LIDAR，需要先了解 与此相关的技术 ——雷达。
在航空领域，
雷达天线向飞机 发射无线电脉冲或微波，
通过计算波束返回时长 来确定飞机位置。
但这一种观察方式很有限，
因为大光束脉冲或微波 无法显示微小的细节。
相反，自动驾驶汽车的 LIDAR 系统
使用窄带不可见红外激光，
LIDAR 是光探测和测距的缩写。
它可以将极其微小物件成像，
如街对面行人衬衫上的扣子。
但是，我们如何确定 这些物件的形状或距离呢？
LIDAR 发射一系列超短 激光脉冲去测距离。
以乡间小路上的驼鹿为例，
汽车驶过时，一个 LIDAR 脉冲 遇到鹿角的根部后散开，
它反弹回来前，下一个脉冲 可能已到达一个鹿角的顶端。
测量这两个脉冲返回的时长差，
可得到有关鹿角形状的数据。
通过发射大量短脉冲，LIDAR 系统可快速得出物体详细轮廓。
打开再关上激光器是 产生光脉冲最简便的方法，
但会造成激光束不稳定， 并影响发射脉冲的精确频率，
影响距离测量准确性。
更好的办法是让激光器开着，
用其他东西定期、快速地阻挡光线。
这就是集成光子技术。
互联网的数字数据
是由精确定时的光脉冲承载的，
有的脉冲短至一百皮秒。
一种产生光脉冲的方法是 使用马赫-曾德尔干涉仪，
该设备利用特定的波特性，
称为干扰特性。
想一下将一些鹅卵石 扔进池塘的情景：
涟漪扩散和交叠 构成了一种花纹，
某些地方的波峰 叠加，变得非常大;
而其他地方，则完全抵消了。
马赫-曾德尔 干涉仪的原理与此类似。
先将光波沿 2 个平行臂 分为 2 束，然后合二为一。
如果一束光减慢而延迟，
因为 2 束光不同步，合并后的 抵消现象就阻挡了光线。
通过切换一束光的延迟，
干扰器就像一个开合的开关， 发射出光脉冲。
持续一百皮秒的光脉冲
可以探测到小至几厘米厚的物体，
但未来的汽车需要更高的分辨率。
将干扰器与超灵敏、 反应快的光探测器配对，
可将分辨率提高到毫米级。
比我们以正常视力看街对面的物体，
要好一百倍以上，
第一代自动驾驶汽车的 LIDAR
依赖车顶或发动机盖上的 复杂旋转组件进行扫描。
借助集成光子技术，
干扰器和探测器可缩小至 不到十分之一毫米，
装在小巧的芯片中， 将来可以放在车灯里。
这些芯片还将包括 干扰器智能调节器，
可消除移动物体，并快速扫描。
通过减慢干扰器一个平行臂发出的光，
这个额外设备的作用不像开关， 更像一个调光器，
如果许多带微型控制延时的 平行臂并列排放的话，
就设计出了新的特性：
可操纵的激光束。
有了这些新优势，
这些智能眼的探测和观察
比能想到的任何自然的东西更彻底——
帮助导航通过任何数量的障碍物,
不费吹灰之力——
或许一头没有方向感的驼鹿除外。
時間很晚了，天很黑，
有一台自動駕駛汽車 在鄉村道路上迂迴行駛。
突然，三樣危險物同時出現。
接下來會發生什麼事？
若這台車要突破這障礙物的阻擋，
它首先得要能偵測到它們——
收集足夠的資訊，了解 它們的大小、形狀、位置，
這麼一來，它的控制演算法 就能夠繪出最安全的路線。
沒有人在操作方向盤，
這台車需要有聰明的眼睛， 即能夠分析這些細節的感測器——
不論在什麼環境中、 什麼氣候下，不論天色有多黑——
都要瞬間判斷。
這簡直是苛求，但有個 結合兩種東西的解決方案：
一種叫做雷射雷達的 特殊雷射探測器，
以及讓網際網路能一直忙碌的
一種迷你版本通訊技術， 叫做積體光學。
若要了解雷射雷達，應該先了解 一項相關技術——雷達。
在航空上，
雷達天線會向飛機發射 無線電波或微波的脈衝，
計算波束反彈回來的時間， 推算出飛機的位置。
不過，這種看見的方式會受限，
因為大型波束無法 視覺化呈現精密的細節。
相對的，自動駕駛汽車的 雷射雷達系統，
也就是「光學定向和測距」系統，
使用狹窄的不可見紅外線雷射。
它的成像能夠精密到 連對街行人的鈕扣
這種小特徵都不放過。
但，我們要如何決定 這些特徵的形狀或深度？
雷射雷達會發射一連串 超短雷射脈衝來解析深度。
以鄉下道路上的麋鹿為例。
當汽車從旁邊開過時，
一個雷射雷達脈衝 會在它的鹿角基部散開，
而下一個脈衝則有可能會碰到 一支角的尖端，然後才反彈回來。
測量第二個脈衝花了 多少時間才彈回來，
這樣的資料就能用來 判斷角的形狀。
雷射雷達用大量的短脈衝 便能快速提供出細節的側寫資訊。
若要創造脈衝光，最明顯的方式 就是把雷射開啟再關閉。
但這會讓雷射不穩定， 且會影響到脈衝的時間精準度，
這就會限制了深度的解析度。
最好是讓它一直開著，
用其他的東西定期、 快速地阻擋光線。
這就是積體光學上場的時候了。
網際網路的數位資料
由精確定時的脈衝光來傳輸，
有些短到一百億分之一秒。 （0.000 000 000 1 秒）
製造這類脈衝的方法之一， 就是用馬赫陳爾德干涉儀。
這個裝置會利用一種特殊的波特性，
叫做干涉。
想像把小卵石丟到池塘中：
漣漪散開和交疊時會形成圖案。
在某些地方，波峰會加疊 在一起，變得非常大；
在其他地方，它們則是完全抵銷。
馬赫陳爾德干涉儀的做法很類似。
它會沿著兩支平行的 臂桿把光波分開，
最終再將它們重新結合起來。
如果一支臂桿的光 被減緩下來並延遲，
重新結合的不同步光波 會彼此抵銷，使光線沒了。
透過在一支臂桿製造延遲，
干涉儀的功能就變成 像是開關，放出脈衝光。
維持一百億分之一秒的脈衝光
能夠產生出幾公分的深度解析度，
但未來的汽車需要 看得比那更清楚。
把干涉儀和超級敏感、 反應快速的光偵測器搭配使用，
解析度可以精密到一公釐。
這比雙眼視力 1.0 的人
看對街時能夠達到的解析度 還要清楚一百倍。
第一代的汽車雷射雷達 要仰賴複雜的旋轉組件
從屋頂或是引擎蓋上做掃瞄。
有了積體光學，
干涉儀和偵測器被縮到 小於十分之一公釐，
裝載到小型晶片上， 將來可以放到車燈中。
這些晶片還將包括 巧妙變造的干涉儀，
得以擺脫可動的部件，以高速掃瞄。
這個額外的裝置 能將干涉儀的一支臂桿
只稍微減緩一點點， 它比較不像開關，更像調光器。
如果一長列這類 控制一點點延遲的臂桿
被平行堆疊起來， 就能設計出很新穎的東西：
可操控的雷射光束。
有了這種新優勢，
這些聰明的眼睛將能夠 探索和看得更完整，
勝過任何大自然想像得出的東西，
導航通過障礙物，不管多少。
無需流汗，毫不費力——
也許那隻迷惘的糜鹿除外。