Het potentieel van zelfrijdende auto's realiseren hangt af van technologie die obstakels en andere voertuigen snel en in realtime 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 zwakkere signalen die weerkaatsen van verre objecten nauwkeuriger kan versterken dan de huidige technologie toelaat, autonome voertuigen een vollediger beeld te geven van wat er op de weg gebeurt.

Het nieuwe apparaat is gevoeliger dan andere lichtdetectoren omdat het ook inconsistenties elimineert, of lawaai, gekoppeld aan het detectieproces. Dergelijke ruis kan ertoe leiden dat systemen signalen missen en passagiers in zelfrijdende voertuigen in gevaar brengen.

"Autonome voertuigen zenden lasersignalen uit die weerkaatsen op objecten om je te vertellen hoe ver je bent. Er komt niet veel licht terug, dus als uw detector meer ruis produceert dan het signaal dat binnenkomt, krijgt u niets, " zei Joe Campbell, hoogleraar elektrische en computertechniek aan de University of Virginia School of Engineering.

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 rollen, gaandeweg vermenigvuldigen en een sterkere elektrische stroom creëren voor lichtdetectie terwijl ze gaan.

anno 2015, de onderzoekers creëerden een trapapparaat met één stap. In deze nieuwe ontdekking gedetailleerd in Natuurfotonica , ze hebben laten zien, Voor de eerste keer, een trap lawine fotodiode met meerdere treden.

"Het elektron is als een knikker die van een trap rolt, " zei Seth Bank, professor in de afdeling Electrical and Computer Engineering van de Cockrell School die het onderzoek leidde met Campbell, een voormalig professor aan de Cockrell School van 1989 tot 2006 en UT Austin alumnus (B.S., Natuurkunde, 1969). "Elke keer dat de knikker van een trede rolt, het valt en crasht in de volgende. In ons geval, het elektron doet hetzelfde, maar bij elke botsing komt genoeg energie vrij om daadwerkelijk een ander elektron te bevrijden. We kunnen beginnen met één elektron, maar bij elke stap vallen verdubbelt het aantal elektronen:1, 2, 4, 8, enzovoort."

Het nieuwe apparaat ter grootte van een pixel is ideaal voor lichtdetectie en Ranging (lidar) ontvangers, waarvoor sensoren met een hoge resolutie nodig zijn die optische signalen detecteren die worden gereflecteerd door verre objecten. Lidar is een belangrijk onderdeel van zelfrijdende autotechnologie, en het heeft ook toepassingen in robotica, bewaking en terreinkartering.

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 van de achtergrond kunt onderscheiden, "zei Bank. "Bijvoorbeeld, waarmee je met een laserradarsysteem voor autonome voertuigen op grotere afstanden kunt kijken."

Dit type detectievermogen bestaat al tientallen jaren, maar technologische barrières hielden de vooruitgang tegen. Fotomultiplicatorbuizen vertegenwoordigden lang de "heilige graal" van deze vorm van waarneming, bank zei, maar die technologie bestaat al meer dan 50 jaar en maakt gebruik van verouderde verlichtingscomponenten en vacuümbuizen. In 1980, uitvinder Federico Capasso bedacht voor het eerst de lawinefotodiodetechnologie die de onderzoekers hebben bestudeerd. Maar de tools en technieken om het te realiseren waren gewoon niet ver genoeg.

De wetenschap achter deze doorbraak komt in een nieuwe manier om materialen te kweken, zei Bank. In plaats van materialen te laten groeien met willekeurig verdeelde atomen, ze creëerden gelaagde legeringen bestaande uit binaire verbindingen - die bestaande uit twee elementen - op elkaar gestapeld.

"Wat dit mogelijk maakt, is om het energielandschap van het elektron op een heel eenvoudige manier te veranderen om de structuur te creëren die Capasso in de vroege jaren 80 voor ogen had, 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. Vandaag, de meest gevoelige lichtdetectoren moeten worden bewaard bij temperaturen van honderden graden onder nul, waardoor ze te duur en onpraktisch zijn voor toepassingen zoals lidar.

Het onderzoek werd gefinancierd door het U.S. Army Research Office (ARO) en The 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 samen met een halfgeleiderbedrijf om de technologie te commercialiseren.

De ingenieurs zijn ook van plan om hun meertrapstrapapparaat te trouwen met een lawinefotodiode die ze vorig jaar hebben gebouwd en die gevoelig is voor nabij-infraroodlicht. wat nieuwe toepassingen opent, zoals glasvezelcommunicatie en thermische beeldvorming.

"Dit zou ons het beste van twee werelden moeten bieden:reactie op een breder scala aan kleuren en grotere gevoeligheid voor zwakke signalen vanwege de lagere ruisversterking die van nature voortkomt uit de trappenhuisarchitectuur, ' zei Bank.