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.