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.