Att inse potentialen hos självkörande bilar är beroende av teknik som snabbt kan känna av och reagera på hinder och andra fordon i realtid. Ingenjörer från University of Texas i Austin och University of Virginia skapade en ny första i sitt slag för ljusdetektion som mer exakt kan förstärka svaga signaler som studsar bort från avlägsna objekt än vad nuvarande teknik tillåter, ger autonoma fordon en mer fullständig bild av vad som händer på vägen.

Den nya enheten är känsligare än andra ljusdetektorer genom att den också eliminerar inkonsekvens, eller buller, i samband med upptäcktsprocessen. Sådant buller kan få system att missa signaler och utsätta autonoma fordonspassagerare i fara.

"Autonoma fordon skickar ut lasersignaler som studsar mot föremål för att berätta hur långt borta du är. Inte mycket ljus kommer tillbaka, så om din detektor avger mer brus än signalen som kommer in får du ingenting, sa Joe Campbell, professor i el- och datorteknik vid University of Virginia School of Engineering.

Forskare runt om i världen arbetar med enheter, känd som lavinfotodioder, för att möta dessa behov. Men det som gör att den här nya enheten sticker ut är dess trappliknande inriktning. Det inkluderar fysiska steg i energi som elektroner rullar ner, multiplicera längs vägen och skapa en starkare elektrisk ström för ljusdetektering allt eftersom.

2015, forskarna skapade en enstegstrappa. I denna nya upptäckt, detaljerat i Nature Photonics , de har visat, för första gången, en trappa lavinfotodiod med flera steg.

"Elektronen är som en kula som rullar nerför en trappa, " sa Seth Bank, professor vid Cockrell Schools avdelning för elektro- och datorteknik som ledde forskningen tillsammans med Campbell, en före detta professor i Cockrell School från 1989 till 2006 och UT Austin alumn (B.S., Fysik, 1969). "Varje gång marmorn rullar av ett steg, den tappar och kraschar in i nästa. I vårat fall, elektronen gör samma sak, men varje kollision frigör tillräckligt med energi för att faktiskt frigöra en annan elektron. Vi kan börja med en elektron, men att falla av varje steg fördubblar antalet elektroner:1, 2, 4, 8, och så vidare."

Den nya pixelstora enheten är idealisk för ljusdetektion och räckviddsmottagare (lidar), som kräver högupplösta sensorer som känner av optiska signaler som reflekteras från avlägsna objekt. Lidar är en viktig del av tekniken för självkörande bilar, och den har också tillämpningar inom robotik, övervakning och terrängkartering.

Att lägga till steg ökar enhetens känslighet och konsistens. Och den konsekventa multiplikationen av elektroner med varje steg gör de elektriska signalerna från detektorn mer pålitliga, även i svagt ljus.

"Ju mindre slumpmässig multiplikationen är, desto svagare signaler kan du plocka ut från bakgrunden, " sa Bank. "T.ex. som kan tillåta dig att se ut till större avstånd med ett laserradarsystem för autonoma fordon."

Denna typ av avkänningsförmåga har funnits i decennier, men tekniska barriärer höll tillbaka dess framsteg. Fotomultiplikatorrör representerade länge den "heliga gralen" för denna form av avkänning, Bank sa, men den tekniken har funnits i mer än 50 år och använder föråldrade belysningskomponenter och vakuumrör. På 1980-talet Uppfinnaren Federico Capasso tänkte först på lavinfotodiodteknologin som forskarna har studerat. Men verktygen och teknikerna för att göra det till verklighet räckte helt enkelt inte långt.

Vetenskapen bakom detta genombrott kommer i ett nytt sätt att odla material, sa banken. Istället för att odla material med slumpmässigt fördelade atomer, de skapade skiktade legeringar sammansatta av binära föreningar – de som består av två element – ​​staplade ovanpå varandra.

"Vad detta tillåter är att förändra elektronens energilandskap på ett mycket enkelt sätt för att skapa den struktur som Capasso föreställde sig i början av 80-talet, men tyvärr fanns det bara inte möjligheten att syntetisera kristaller som hade alla nödvändiga egenskaper, " sa banken.

En annan viktig del av denna enhet är att den kan fungera vid rumstemperatur. I dag, de känsligaste ljusdetektorerna måste hållas vid temperaturer hundratals grader under noll, vilket gör dem för dyra och opraktiska för applikationer som lidar.

Forskningen finansierades av U.S. Army Research Office (ARO) och The Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Forskarna har medel genom ARO och DARPA för att fortsätta förfina sin process för att lägga till ännu fler steg till enheterna. Och de arbetar med ett halvledarföretag för att kommersialisera tekniken.

Ingenjörerna planerar också att gifta sig med sin flerstegstrappa med en lavinfotodiod som de byggde förra året som är känslig för nära-infrarött ljus, vilket öppnar upp för nya applikationer som fiberoptisk kommunikation och värmeavbildning.

"Detta borde ge oss det bästa av två världar:svar på ett bredare färgspektrum och större känslighet för svaga signaler på grund av den lägre brusförstärkningen som kommer naturligt från trappans arkitektur, " sa banken.