Сегодняшние лидары используют сложные механические детали, чтобы заставить инфракрасные лазеры размером с фонарик вращаться, как старомодные фонари из жевательной резинки на полицейских машинах – по цене от 8000 до 30 000 долларов.
Но теперь команда под руководством инженера-электрика Елены Вукович работает над сокращением механических и электронных компонентов лидара на крыше до одного кремниевого чипа, который, по ее мнению, можно было бы массово производить всего за несколько сотен долларов.
Этот проект вырос из многолетних исследований лаборатории Вуковича, направленных на поиск практического способа воспользоваться преимуществом простого факта: подобно тому, как солнечный свет светит сквозь стекло, кремний прозрачен для инфракрасного лазерного света, используемого лидаром (сокращение от светового обнаружения и определения дальности).
В исследовании, опубликованном в Nature Photonics, исследователи описывают, как они структурировали кремний таким образом, чтобы использовать его инфракрасную прозрачность для управления, фокусировки и использования энергии фотонов, причудливых частиц, составляющих световые лучи.
Команда использовала процесс, называемый обратным дизайном, который лаборатория Вуковича впервые применила за последнее десятилетие. Обратный дизайн основан на мощном алгоритме, который составляет схему реальных фотонных схем, которые выполняют определенные функции – в данном случае, выстрелив лазерным лучом впереди автомобиля, чтобы определить местонахождение объектов на дороге и направить отраженный свет обратно к детектору. На основе задержки между отправкой светового импульса вперед и отражением луча обратно в детектор лидары измеряют расстояние между автомобилем и объектами.
Команде Вуковича потребовалось два года, чтобы создать макет схемы для прототипа лидара на кристалле, который они построили на заводе в Стэнфорде. Ключевую роль в этом процессе сыграли докторант Ки Юл Янг и аспирант Джинхи Скарда, благодаря важнейшим теоретическим открытиям физика из Городского университета Нью-Йорка Андреа Алу и постдокторанта CUNY Мишель Котруфо.
Построение этого механизма определения расстояния на кристалле – это лишь первый, хотя и важный, шаг на пути к созданию недорогих лидаров.
В настоящее время исследователи работают над следующей вехой, чтобы лазерный луч мог двигаться по кругу без использования дорогостоящих механических деталей. По оценке Вукович, ее лаборатории осталось около трех лет до создания прототипа, который был бы готов к дорожным испытаниям.
«Мы находимся на пути к созданию лидара на кристалле, который будет достаточно дешевым, чтобы помочь создать массовый рынок автономных автомобилей», – сказал Вукович.