MIT'den 3D Tarama İçin Silikon Fotonik Araştırmalarında Çığır Açan Yenilik

MIT araştırmacıları tarafından yapılan çalışmalar, drone'ları, robotları ve kendi kendine giden arabaları hem daha uygun fiyatlı hale getirebilir hem de performanslarını artırabilir. Yeni bir çip üzerinde lidar'ın başarılı bir şekilde ticarileştirilmesi, geliştirilmiş 3D taramanın maliyetini Maker'lar için erişilebilir hale getirebilir.

Çoğumuz, çevremizdeki dünya hakkında otomatik olarak bilgi edinme ve içinde bulunduğumuz manzarada gezinme yeteneğini şanslı bir şekilde kabul ederiz. Ortam, kalabalık bir şehir caddesi veya engebeli bir kıyı yolu olsun, duyularımızın ve beynimizin birleşimi, nesnelerden kaçınmamızı ve dik durmamızı sağlar. Bu yeteneği makinelerde yeniden oluşturmak, silikon fotonikteki ilerlemelerin çözmeye yardımcı olabileceği bir zorluktur.

MIT araştırmacıları Christopher V. Poulton ve Prof. Mike R. Watts, IEEE Spectrum’un Tech Talk blogunda silikon fotoniği şu şekilde tanımlıyor: "Silisyum dalga kılavuzlarını kullanarak birkaç yüz nanometre kesitli çip teknolojisi, optik fiberlere benzer özelliklere sahip ancak çok daha küçük ölçekte olan 'ışık için teller' oluşturur."

Bu dalga kılavuzları bir çipe entegre edilebilir ve geleneksel elektrik mühendisliğinde görülen teller ve konektörlerle benzer bir işlevi yerine getirir. Fark, verilerin ışık yerine elektrik ile iletilmesi, devrelerin anahtarlanması ve bir çip tarafından yaygın olarak gerçekleştirilen diğer görevlerin yerine getirilmesidir. Işık kullanmanın avantajı, bakır konektörler aracılığıyla elektrikle veri göndermeye kıyasla daha düşük güç gereksinimidir. Fotonik uygulamalar hâlâ gelişmekte olup, yaygın kullanımı, geleneksel mikroçip üreticilerinin bu teknoloji için kitlesel üretim tesislerini uyarlamasıyla giderek daha olası hale gelmektedir.

Bu üreticiler arasında Intel ve Luxtera gibi şirketler yer almakta olup, yaklaşık 15 yıldır silikon fotoniklerini geliştirmektedirler. Luxtera, piyasaya sürülen ilk kitlesel üretilmiş ürünü getiren ilk şirket oldu ve bu teknolojiye CMOS fotoniği adını veriyor.

MIT'nin Fotonic Microsystems Grubu'nda Poulton ve Watts tarafından yapılan çalışmalar, "iletişim, algılama ve birleşik mikrodalga-fotonik devreler de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için mikro-fotonik elemanlar, devreler ve sistemler geliştirir." Bu ayın başlarında grup, DARPA destekli bir projede silikon fotoniklerini kullanarak çip üzerinde lidar sağlama konusunda başarı elde ettiklerini duyurdu.

Lidar ve Radar Karşılaştırması ve Google ile Tesla

Radar, çevresindeki ortamın bir resmini oluşturmak için radyo dalgalarını kullanır. Radyo dalgasının yolundaki katı nesneler dalgayı yansıtabilir veya bozabilir ve bu olayların tespiti, ortamın bir resmini oluşturmak için kullanılabilir. Lidar, benzer bir kavram kullanır, iletilen bir sinyalin yansımasını, ancak radyo dalgası yerine bir ışık dalgası gönderir. Sistemlerin tam adı "Işık Algılama ve Menzil Bulma" dır. Işık, kızılötesi, ultraviyole, lazer veya başka bir kaynaktan olabilir.

Her iki yöntem de bir nesnenin bir uzayda konumunu belirlemek için kullanılabilir. Doppler kaymasını kullanarak, nesnenin hızı ve hareket yönü de hesaplanabilir. Polis, bu amaçla 1989'dan beri lidar hız tabancalarını kullanmaktadır. Frank Wolfs, iki yöntem arasındaki farkları şu şekilde açıklıyor: "Radyo dalgaları bir radyo antenindeki elektronların hızlanmasıyla oluşturulur ve ışık dalgaları atomlar içindeki elektronların salınımlarıyla oluşturulur." Ayrıca, ışık dalgaları daha küçük dalga boylarında çalıştığından, yaklaşık 100.000 kat daha küçük, bir ortamın veya nesnenin tanımlanmasında daha yüksek bir ayrıntı seviyesi mümkündür. Bu nedenle, Lidar daha yüksek hassasiyet sunmasıyla tanınır, ancak teknoloji yağmur veya sis gibi olumsuz hava koşullarından olumsuz etkilenebilir.

Google'ın kendi kendine giden arabaları, çevrelerini anlamak için lidara bağımlıdır. Lidar birimi, arabanın tavanında belirgin bir işaretçi şeklinde monte edilmiştir ve her yönde 60 metre tarama yapar. The Guardian gazetesine göre Google tarafından kullanılan ekipman, birim başına 70.000 dolara kadar mal olabilir. Bu yüksek maliyet, rakip kendi kendine giden araba şirketi Tesla'nın radar kullanmaya olan bağlılığını kısmen açıklayabilir. Tesla CEO'su Elon Musk, lidar yerine radar, kameralar, ultrason ve diğer sensörleri kullanan bir sistem tercih ettiğini defalarca dile getirmiştir ve lidarın, "kendi kendine giden bir araba için mantıklı olmadığını" söylemiştir. En son Temmuz ayında, Musk, bu konudaki düşüncelerini tweetleyerek "Mevcut Tesla radarını (kameradan ayrılmış olarak) zaman içi yumuşatma ile yalnızca lidar gibi kaba bir nokta bulutu oluşturmak için çalışıyoruz." yazdı. Bu tweet, bir Tesla Model S sahibinin araçlarını otomatik pilot modunda kullanırken öldüğü üzücü haberden birkaç hafta sonra geldi.

Hareketli Parçasız 10 Dolarlık Lidar

Mevcut lidar birimleri, lensler ve verici ve alıcıyı döndürmek için cihazlar da dahil olmak üzere birden fazla bileşene sahip mekanik sistemlerdir. Bu, sistemde daha fazla potansiyel arıza noktası bulunduğundan karmaşıklığı artırır. Ayrıca birimleri hantal hale getirir ve tarama hızını sınırlar, nesnelerin tespitini yavaşlatır. MIT cihazı, "yönlendirilebilir iletici ve alıcı faz dizilerine ve çip üzerinde germanyum fotodedektörlerine sahip 0.5 mm x 6 mm silisyum fotonik çiptir." Lazer cihazın bir parçası değildir, ancak araştırma, gelecekte entegrasyonun mümkün olduğunu göstermiştir.

Çip üzerindeki lidar, entegre bir antenin fazını kontrol ederek çalışır. Bu, dalga kılavuzlarını ısıtarak yapılır ve silisyum ısındıkça özellikleri değişir. Özellikle kırılma indisi, yani ışığın bir malzeme içinden nasıl hareket ettiği değişir. Işık çipten geçerken, bir anten olarak işlev görmek üzere tasarlanmış bir çıkıntının üzerinden geçer ve demeti dağıtır. Bu antenlerin belirgin bir "yayılma deseni" vardır ve tüm yayılma desenlerinin yapıcı olarak girişim yaptığı yerde, merceklere gerek kalmadan odaklanmış bir demet oluşturulur.

Araştırmacılar, çipin "mevcut mekanik lidar sistemlerinden 1.000 kat daha hızlı" olduğunu söylüyor. Bu, drone gibi yüksek hızlı otonom bir cihaz için çok yararlı olabilir, çünkü küçük, hızlı hareket eden nesnelerin doğru bir şekilde izlenmesini ve önlenmesini sağlar. Şu anda, cihazın menzili 2 metredir ve araştırmacılar bu menzili yıl sonuna kadar 10 metreye çıkarmayı planlıyorlar. Mevcut lidar sistemleri 1.000 ila 70.000 dolar arasında maliyetliyken, MIT'nin lidar çipleri mevcut yarı iletken fabrikalarda kullanılan üretim tekniklerini kullandığından, araştırmacılar 10 dolarlık bir üretim fiyatının mümkün olduğunu düşünüyorlar. AIM Photonics'in CTO'su olarak görev yapan Profesör Watts, bu teknolojiyi pazara sunma konusunda önemli bir rol oynayabilir ve ticari çip üzerinde lidar'ın "birkaç yıl içinde" gelmesi muhtemeldir.

Araştırmacılar, yüksek çözünürlüklü görüntülemenin mümkün olması nedeniyle çip üzerindeki lidar'ın robot parmaklarında sensörler gibi uygulamalarının olabileceğine inanıyorlar. Ayrıca, uygun fiyatlı lidar'ın, örneğin Endüstri 4.0 kapsamında akıllı fabrikalarda yüksek kaliteli veri sağlayarak geleceğin otomatik fabrikalarında nasıl hizmet edebileceğini hayal etmek kolaydır. Daha az endüstriyel hırsları olanlar için, kitlesel çip üretimi düşük bir fiyat noktasına yol açarsa, lidar'ı Maker projelerine entegre etmek anlamına gelebilir.