Het realiseren van het potentieel van zelfrijdende auto's hangt ervan af technologie die snel en in realtime obstakels en andere voertuigen kan detecteren en erop kan reageren. Ingenieurs van de Universiteit van Texas in Austin en de Universiteit van Virginia hebben een nieuw, eerste in zijn soort lichtdetectieapparaat ontwikkeld dat zwakke signalen die door verre objecten weerkaatsen nauwkeuriger kan versterken dan de huidige technologie toestaat, waardoor autonome voertuigen een vollediger beeld krijgen van wat er onderweg gebeurt.
Het nieuwe apparaat is gevoeliger dan andere lichtdetectoren doordat het ook inconsistenties of ruis elimineert die verband houden met het detectieproces. Dergelijke ruis kan ertoe leiden dat systemen signalen missen en autonome voertuigpassagiers in gevaar brengen.
“Autonome voertuigen zenden lasersignalen uit die op objecten weerkaatsen om u te vertellen hoe ver u verwijderd bent. Er komt niet veel licht terug, dus als je detector meer ruis afgeeft dan het signaal dat binnenkomt, krijg je niets.
Onderzoekers over de hele wereld werken aan apparaten, bekend als lawinefotodiodes, om aan deze behoeften te voldoen. Maar wat dit nieuwe apparaat onderscheidt, is de trapachtige uitlijning. Het omvat fysieke stappen in energie die elektronen naar beneden laten rollen, zich onderweg vermenigvuldigen en een sterkere elektrische stroom creëren voor lichtdetectie terwijl ze gaan.
"Het elektron is als een knikker die van een trap naar beneden rolt", zegt Seth Bank, professor aan de Cockrell School's Department of Electrical and Computer Engineering die het onderzoek leidde met Campbell, een voormalig professor aan de Cockrell School van 1989 tot 2006 en UT Austin-alumnus (BS, natuurkunde, 1969). “Elke keer dat het marmer van een trede rolt, valt het neer en botst tegen de volgende. In ons geval doet het elektron hetzelfde, maar bij elke botsing komt genoeg energie vrij om daadwerkelijk een ander elektron vrij te maken. We kunnen beginnen met één elektron, maar als we eraf vallen, verdubbelt het aantal elektronen: 1, 2, 4, 8, enzovoort. "
Het nieuwe pixelformaat apparaat is ideaal voor Light Detection and Ranging (lidar) ontvangers, waarvoor sensoren met hoge resolutie nodig zijn die optische signalen detecteren die worden weerkaatst door verre objecten. Lidar is een belangrijk onderdeel van zelfrijdende autotechnologie en heeft ook toepassingen in robotica, bewaking en terreinkaarten.
Het toevoegen van stappen verhoogt de gevoeligheid en consistentie van het apparaat. En de consistente vermenigvuldiging van elektronen bij elke stap maakt de elektrische signalen van de detector betrouwbaarder, zelfs bij weinig licht.
"Hoe minder willekeurig de vermenigvuldiging is, hoe zwakker de signalen die je uit de achtergrond kunt halen", zei Bank. "Zo zou je bijvoorbeeld naar grotere afstanden kunnen kijken met een laserradarsysteem voor autonome voertuigen."
Dit type detectievermogen bestaat al decennia, maar technologische barrières hielden de vooruitgang ervan in de weg. Fotomultiplicatorbuizen vertegenwoordigden lange tijd de "heilige graal" van deze vorm van waarneming, zei Bank, maar die technologie bestaat al meer dan 50 jaar en maakt gebruik van verouderde verlichtingscomponenten en vacuümbuizen. In de jaren tachtig bedacht uitvinder Federico Capasso voor het eerst de lawinefotodiodetechnologie die de onderzoekers bestudeerden. Maar de tools en technieken om het te realiseren waren gewoon niet ver genoeg.
De wetenschap achter deze doorbraak komt op een nieuwe manier om materialen te kweken, zei Bank. In plaats van materialen te laten groeien met willekeurig verdeelde atomen, creëerden ze gelaagde legeringen die waren samengesteld uit binaire verbindingen - die uit twee elementen bestaan - die op elkaar waren gestapeld.
"Wat dit mogelijk maakt, is om het energielandschap van het elektron op een zeer eenvoudige manier te veranderen om de structuur te creëren die Capasso voor ogen had in de vroege jaren 80, maar helaas was er gewoon niet de mogelijkheid om kristallen te synthetiseren die alle vereiste eigenschappen hadden," zei Bank. .
Een ander belangrijk onderdeel van dit apparaat is dat het op kamertemperatuur kan werken. Tegenwoordig moeten de meest gevoelige lichtdetectoren bij temperaturen van honderden graden onder nul worden bewaard, waardoor ze te duur en onpraktisch zijn voor toepassingen zoals lidar.
Het onderzoek werd gefinancierd door het US Army Research Office (ARO) en het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). De onderzoekers hebben financiering via ARO en DARPA om hun proces te blijven verfijnen om nog meer stappen aan de apparaten toe te voegen. En ze werken met een Halfgeleider bedrijf om de technologie te commercialiseren.
De ingenieurs zijn ook van plan om hun meerstaps trapapparaat te trouwen met een lawinefotodiode die ze vorig jaar hebben gebouwd en die gevoelig is voor nabij-infrarood licht, wat nieuwe toepassingen mogelijk maakt, zoals glasvezel. communicatie en thermische beeldvorming.
"Dit zou ons het beste van twee werelden moeten geven: respons op een breder kleurengamma en grotere gevoeligheid voor zwakke signalen vanwege de lagere ruisversterking die van nature uit de trappenhuisarchitectuur komt", aldus Bank.