Laserska razsvetljava, LiFi in LiDAR

WiFi je danes vpet v naše življenje. Izraz je nastal pred približno štirimi desetletji (kot marketinški trik, zasnovan tako, da se rima z izrazom "Hi-Fi") in je revolucioniral osebno komunikacijo, dostop do interneta, družbene medije in internet stvari (IoT). WiFi uporablja modulirane radijske valove za brezžično podatkovno komunikacijo kratkega dosega. DSRC (namenske komunikacije kratkega dosega). Tehnologija se je med nedavno pandemijo izkazala za kritično, saj je študentom omogočila nadaljevanje učenja, številnim strokovnjakom pa delo na daljavo. Na tej točki je osnovna življenjska sestavina – kot voda in elektrika. LiFi uporablja isto idejo, le da uporablja modulirano vidno svetlobo in ne radijske valove. Pripravljen je za revolucijo v več aplikacijah, pri čemer je ključna komunikacija V2X (od vozila do X, kjer so X lahko vozila, prometna infrastruktura, osvetlitev cestišča itd.), ki je kritičen pripomoček za povezana in avtonomna vozila (CAVE).

Harald Haas, profesor na Univerzi Strathclyde/Glasgow, je imel pomemben TED govor z naslovom »Brezžični podatki iz vsake žarnice" leta 2011. Predstavitev je vključevala fizični prikaz prenosa videa v realnem času z uporabo vidne LED žarnice. On je skoval izraz LiFi (svetlobna zanesljivost) in naslikal prepričljivo sliko o tem, kako bi lahko zagotavljal vedno večje zahteve po podatkih z uporabo nameščene baze milijard žarnic v javnih prostorih in avtomobilih. Profesor Haas je razpravljal o štirih ključnih vprašanjih, s katerimi se sooča tradicionalni WiFi (z uporabo radijskih valov) – razpoložljivost, učinkovitost, zmogljivost in varnost. LiFi ima potencial, da jih reši po velikosti, z uporabo že nameščene baze svetlobne infrastrukture. Pametni prevoz (z uporabo pametnih vozil in infrastrukture) lahko te prednosti izkoristi za izboljšanje varne avtonomije in učinkovitosti.

V zadnjem desetletju je prišlo do povečanega širjenja LED razsvetljave v domovih, industriji, avtomobilih in prometni infrastrukturi. Poleg učinkovitejše in okolju prijaznejše razsvetljave so se LiFi aplikacije povečale tudi v letalstvu, zdravstvu, potrošniški elektroniki, obrambi in industrijskih aplikacijah. Študije kažejo trg približno 6 milijard dolarjev v letu 2020, ki se bo do leta 10 povečal za faktor > 2025X. Na tem področju je dejavnih več akterjev, od zagonskih podjetij, financiranih s tveganim financiranjem, do velikih igralcev, kot sta Panasonic in Phillips Lighting. Priložnost je prepričljiva, zlasti v svetu, kjer količina podatkov eksplodira in je učinkovit dostop do teh podatkov nujen. Obstajajo izzivi – fluorescenčno razsvetljavo je treba zamenjati z LED žarnicami z modulirajočo elektroniko, uvesti je treba komunikacijsko infrastrukturo in programsko opremo ter dokončati standarde delovanja (trenutno je v razvoju komunikacijski standard IEEE 802.11 bb).

Bolj nedavno pojavili so se laserski žarometi. Tehnologija za proizvodnjo visoko zmogljive bele laserske osvetlitve (valovna dolžina 400-700 nm) s kombinacijo modrih laserskih diod (440-450 nm valovne dolžine), povezanih z luminiscenčnim fosforjem, je bila razvita pri Soraa Laser Diodes (SLD, ki jo je kupila Kyocera leta 2020, ustanoviti Kyocera SLD ali KSLD). Med njegovimi ustanovitelji je dr. Shuji Nakamura, ki je leta 2014 prejel Nobelovo nagrado. Profesor Haas in John Peek (nekdanji tehnični direktor družbe Phillips Automotive Lighting) sta v njunem svetovalnem svetu. Njihov vodilni avtomobilski izdelek je motor LaserLight™, ki zagotavlja visoko intenzivno osvetlitev za osvetlitev cestišča v dosegu 650 m (mogoče je 1 km, vendar je trenutno omejen s predpisi). Ti svetlobni viri se proizvajajo od leta 2019 za model BMW serije 5, pred kratkim pa za električna terenska vozila iX3 in iX4.

LiFi deluje tako, da modulira svetlobni vir in integrira optične sprejemnike v vidno valovno dolžino, ki lahko zajamejo fotone in jih pretvorijo v elektrone (te valovne dolžine so varne za oči pri ravneh visoke intenzivnosti). Modulacija je hitra, človeško oko je ne opazi in se lahko pojavi z ali brez delovanja osvetlitvene funkcije svetlobnega vira. Laserji zagotavljajo pomembne prednosti glede hitrosti in zmogljivosti pred LED diodami za LiFi in podatkovno komunikacijo. To je sprememba za komunikacijo V2X, saj varnost postane najpomembnejša z večjo stopnjo avtonomne vožnje v avtomobilih in tovornjakih. Slika 3 prikazuje, kako bi LiFi lahko deloval v avtomobilskem okolju.

Po besedah ​​Paula Rudyja, glavnega direktorja marketinga KSLD, "simulirana emisija (v laserjih) v primerjavi s spontano emisijo (v LED) omogoča večjo gostoto moči in vrhunsko obliko žarka s 100-krat večjo svetlostjo in 10-krat večjim razponom”. To vodi do naslednjih ključnih prednosti laserske osvetlitve (v primerjavi z LED) za LiFi:

• 5X ožji prostorski in spektralni profil
• >100x hitrejša komunikacija in zaznavanje (laserje je mogoče modulirati pri 10 GHz v primerjavi s 100 MHz za LED diode)

Ker se v cestna vozila in tovornjake vključijo povečane ravni avtonomije (L3 in L4), vrsta in število senzorjev, potrebnih za zagotovitev povečanja varnosti in učinkovitosti (kamere, radarji, LiDAR-ji, IMU, GPS itd.). To vodi do velike eksplozije podatkov, od katerih se nekateri obdelujejo z vgrajenimi računalniki (ocene kažejo, da približno 10 TB/uro ustvarijo senzorji na avtonomnih vozilih). Ideja o varni skupni rabi teh podatkov z drugimi vozili in fiksno infrastrukturo (V2X) je aktivno področje razprav in raziskav. DSRC (namenske komunikacije kratkega dosega) in mobilna povezljivost sta že uporabljena ali pa sta v prihodnosti. Ko pa bo revolucija CAVE napredovala, bo tem rešitvam zmanjkalo zmogljivosti in pasovne širine, da bi podpirale izmenjavo informacij z nizko zamudo. LiFi je potencialna rešitev. LaserLight™, ki se uporablja za osvetlitev, se lahko uporablja tudi za varen prenos velikih količin podatkov med vozili ali sprejemniki, ki temeljijo na prometni infrastrukturi. Čeprav je laserska razsvetljava 20-30 % višja od LED osvetlitve, lahko dodana funkcionalnost LiFi potencialno pomaga zmanjšati število vgrajenih senzorjev in računalniških virov, potrebnih za avtonomno delovanje.

Profesor Haas navaja naslednje izzive pri omogočanju komunikacij LiFi za zemeljski promet: »Povezovanje vozil na različnih razdaljah in hitrostih ob zagotavljanju zanesljivih podatkovnih povezav (pri gigabitnih hitrostih prenosa) z ničelnimi navzkrižnimi motnjami ustvarja zanimive izzive. Usmerjenost in obseg naprav KSLD LaserLight™ omogočata njihovo učinkovito reševanje. V tej fazi gre zgolj za vprašanje posvojitve. V ta namen bo zelo koristna interoperabilnost med avtomobili in povezanimi standardi. Predvidevam zelo svetlo prihodnost LiFi-ja v avtomobilskem sektorju za V2X, ki podpira avtonomno vožnjo in izboljšano varnost v cestnem prometu. Veselim se sodelovanja s KSLD, da bi te inovacije pripeljali na cesto.

Stroški so ključni dejavnik pri zamenjavi običajne halogenske in LED razsvetljave v vozilih in transportni infrastrukturi. Laserska osvetlitev zagotavlja bistveno večjo zmogljivost, vendar bo na začetku cenovno višja (20-30 % višja) in ne bo dostopna za vozila srednjega razreda. Kot je razloženo zgoraj, pomaga povezovanje osvetlitve z zmogljivostmi LiFi, saj lahko zmogljivosti V2X zmanjšajo količino vgrajenih senzorjev in računalniških virov. Tretja funkcija je možna tudi v izdelku KSLD LaserLight™. Poleg modrih laserjev, ki temeljijo na GaN, polprevodniški sklop vključuje tudi GaAs lasersko diodo z višjo valovno dolžino (850 nm, 905 nm ali 940 nm), ki lahko v povezavi s silicijevim detektorjem zagotavlja zmogljivosti za iskanje razdalje in slikanje LiDAR.

Prostor za žaromete v vozilu se lahko uporablja za tri ključne funkcije:

1. Razsvetljava: uporablja GaN laser + fosforno luminiscenco za ustvarjanje bele svetlobe, ki zagotavlja ostro, natančno in dinamično nadzorovano osvetlitev glede na razmere na cesti, prometu in razsvetljavi
2. LiFi: modulacijsko vezje, ki je dodano zgornjemu, skupaj z vidnim detektorjem valovne dolžine lahko zagotovi komunikacijo V2X z visoko hitrostjo in nizko zamudo
3. Zaznavanje in LiDAR: uporablja infrardeči GaAs laser in detektor (valovna dolžina 9XX nm) za zagotavljanje preprostih informacij o dosegu ali bolj zapletenih oblakov točk LiDAR

Združevanje treh kritičnih funkcij (osvetlitev, komunikacija in zaznavanje) v enem samem sestavu žarometov zagotavlja znatne dobičke pri integraciji vozila nad glavo (stroški, prostor, moč) in zmanjša splošne stroške sistema z zamenjavo drugih senzorjev. Te prihranke je na tej stopnji težko količinsko opredeliti, saj so ti odvisni od posebnih pristopov integracije, ki jih uporabljajo proizvajalci vozil. Vendar je smiselno sklepati, da bo višja cena za lasersko razsvetljavo več kot izravnana z združevanjem teh dodatnih funkcionalnosti.

George Lucas je ustvaril izmišljeni svetlobni meč (laserski energijski meč) pred štirimi desetletji in je postal temelj v slavni filmski franšizi Vojna zvezd. Hitro naprej v sedanjost so izdelki, kot je KSLD-jev LaserLight™, pomembno orožje v našem arzenalu za reševanje izzivov povečane avtonomije v transportu in ustvarjanja varne podatkovne povezave z nizko zamudo med avtomobili in prometno infrastrukturo. Naj bo luč z vami.