Ultrafølsom lysdetektor giver selvkørende teknologi et stød

At realisere potentialet i selvkørende biler afhænger af teknologi, der hurtigt kan mærke og reagere på forhindringer og andre køretøjer i realtid. Ingeniører fra University of Texas i Austin og University of Virginia skabte en ny første af sin slags lysdetektionsenhed, der mere præcist kan forstærke svage signaler, der hopper af fjerne objekter, end den nuværende teknologi tillader. giver autonome køretøjer et mere fyldigt billede af, hvad der sker på vejen.

Den nye enhed er mere følsom end andre lysdetektorer, idet den også eliminerer inkonsistens, eller støj, forbundet med detektionsprocessen. Sådan støj kan få systemer til at gå glip af signaler og sætte passagerer i autonome køretøjer i fare.

"Autonome køretøjer udsender lasersignaler, der preller af objekter for at fortælle dig, hvor langt væk du er. Der kommer ikke meget lys tilbage, så hvis din detektor udsender mere støj end signalet, der kommer ind, får du intet, " sagde Joe Campbell, professor i elektro- og computerteknik ved University of Virginia School of Engineering.

Forskere over hele kloden arbejder på enheder, kendt som lavinefotodioder, at opfylde disse behov. Men det, der får denne nye enhed til at skille sig ud, er dens trappe-lignende justering. Det inkluderer fysiske trin i energi, som elektroner ruller ned, formerer sig undervejs og skaber en stærkere elektrisk strøm til lysdetektion, mens de går.

I 2015 forskerne skabte en enkelt-trins trappeanordning. I denne nye opdagelse, detaljeret i Naturfotonik , de har vist, for første gang, en trappe lavinefotodiode med flere trin.

"Elektronen er som en marmor, der ruller ned ad en trappe, " sagde Seth Bank, professor i Cockrell School's Department of Electrical and Computer Engineering, der ledede forskningen sammen med Campbell, en tidligere professor i Cockrell School fra 1989 til 2006 og UT Austin alumnus (B.S., Fysik, 1969). "Hver gang marmoren ruller af et trin, den falder og styrter ind i den næste. I vores tilfælde, elektronen gør det samme, men hver kollision frigiver nok energi til faktisk at frigøre en anden elektron. Vi kan starte med en elektron, men ved at falde af hvert trin fordobles antallet af elektroner:1, 2, 4, 8, og så videre."

Den nye enhed i pixelstørrelse er ideel til lysdetektion og rækkevidde (lidar) modtagere, som kræver højopløsningssensorer, der registrerer optiske signaler reflekteret fra fjerne objekter. Lidar er en vigtig del af selvkørende bilteknologi, og det har også applikationer inden for robotteknologi, overvågning og terrænkortlægning.

Tilføjelse af trin øger enhedens følsomhed og konsistens. Og den konsekvente multiplikation af elektroner med hvert trin gør de elektriske signaler fra detektoren mere pålidelige, selv under dårlige lysforhold.

"Jo mindre tilfældig multiplikationen er, jo svagere signaler kan du udvælge fra baggrunden, " sagde Bank. "F.eks. som kunne give dig mulighed for at se ud til større afstande med et laserradarsystem til autonome køretøjer."

Denne type sanseevne har eksisteret i årtier, men teknologiske barrierer holdt dets fremskridt tilbage. Fotomultiplikatorrør repræsenterede længe den "hellige gral" af denne form for sansning, Bank sagde, men den teknologi har eksisteret i mere end 50 år og bruger forældede belysningskomponenter og vakuumrør. I 1980'erne, Opfinderen Federico Capasso udtænkte først lavinefotodiodeteknologien, som forskerne har studeret. Men værktøjerne og teknikkerne til at gøre det til virkelighed var bare ikke langt nok.

Videnskaben bag dette gennembrud kommer i en ny måde at dyrke materialer på, sagde Bank. I stedet for at dyrke materialer med tilfældigt fordelte atomer, de skabte lagdelte legeringer sammensat af binære forbindelser – dem der består af to grundstoffer – stablet oven på hinanden.

"Hvad dette tillader er at ændre elektronens energilandskab på en meget enkel måde for at skabe den struktur, som Capasso forestillede sig i begyndelsen af ​​80'erne, men desværre var der bare ikke evnen til at syntetisere krystaller, der havde alle de nødvendige egenskaber, " sagde Bank.

En anden vigtig del af denne enhed er, at den kan fungere ved stuetemperatur. I dag, de mest følsomme lysdetektorer skal holdes ved temperaturer hundreder af grader under nul, hvilket gør dem for dyre og upraktiske til applikationer som lidar.

Forskningen blev finansieret af U.S. Army Research Office (ARO) og The Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Forskerne har midler gennem ARO og DARPA til at fortsætte med at forfine deres proces for at tilføje endnu flere trin til enhederne. Og de arbejder sammen med et halvlederfirma for at kommercialisere teknologien.

Ingeniørerne planlægger også at gifte deres flertrins trappeenhed med en lavinefotodiode, de byggede sidste år, som er følsom over for nær-infrarødt lys, som åbner op for nye applikationer såsom fiberoptisk kommunikation og termisk billeddannelse.

"Dette burde give os det bedste fra begge verdener:respons på et bredere udvalg af farver og større følsomhed over for svage signaler på grund af den lavere støjforstærkning, der kommer naturligt fra trappearkitekturen, " sagde Bank.