Iluminare cu laser, LiFi și LiDAR

WiFi este încorporat în viața noastră astăzi. Termenul a apărut în urmă cu aproximativ patru decenii (ca un truc de marketing, conceput pentru a rima cu termenul „Hi-Fi”) și a revoluționat comunicațiile personale, accesul la internet, rețelele sociale și Internetul lucrurilor (IoT). WiFi folosește unde radio modulate pentru comunicații de date fără fir pe rază scurtă. DSRC (comunicații dedicate pe distanță scurtă). Tehnologia sa dovedit critică în timpul recentei pandemii, permițând studenților să continue să învețe și multor profesioniști să lucreze de la distanță. În acest moment, este un element de bază al vieții - cum ar fi apa și electricitatea. LiFi folosește aceeași idee, cu excepția faptului că folosește mai degrabă lumină vizibilă modulată decât unde radio. Este gata să revoluționeze mai multe aplicații, una cheie fiind comunicațiile V2X (Vehicle to X unde X ar putea fi vehicule, infrastructură de trafic, iluminare a drumurilor etc.), care este un factor critic pentru vehiculele conectate și autonome (CAVE).

Harald Haas, profesor la Universitatea din Strathclyde/Glasgow, a susținut o discuție TED fundamentală intitulată „Date fără fir de la fiecare becMatei 22:21 în 2011. Prezentarea a inclus o demonstrație fizică a transmisiei video în timp real, folosind un bec vizibil cu LED-uri. El a inventat termenul LiFi (fidelitate de lumină) și a prezentat o imagine convingătoare a modului în care ar putea furniza cerințe de date din ce în ce mai mari folosind baza instalată de miliarde de becuri în spațiile publice și automobile. Profesorul Haas a discutat patru probleme cheie cu care se confruntă WiFi-ul tradițional (folosind unde radio) – disponibilitate, eficiență, capacitate și securitate. LiFi are potențialul de a le rezolva în ordine de mărime, folosind o bază deja instalată de infrastructură de iluminat. Transportul inteligent (prin utilizarea vehiculelor inteligente și a infrastructurii) poate valorifica aceste avantaje pentru a spori autonomia și eficiența în siguranță.

Ultimul deceniu a cunoscut o proliferare crescută a iluminatului bazat pe LED-uri în case, industrii, mașini și infrastructura de trafic. Alături de un iluminat mai eficient și mai ecologic, aplicațiile LiFi au crescut și în aviație, asistență medicală, electronice de larg consum, apărare și aplicații industriale. Studiile indică o piață de ~6 miliarde de dolari în 2020, în creștere cu un factor de > 10 ori până în 2025. Mai mulți jucători, de la start-up-uri finanțate de risc până la jucători mari precum Panasonic și Phillips Lighting sunt activi în acest domeniu. Oportunitatea este convingătoare, mai ales într-o lume în care volumul de date explodează și accesarea eficientă a acestor date este imperativă. Există provocări – iluminatul fluorescent trebuie înlocuit cu becuri LED cu electronică modulantă, infrastructura de comunicații și software-ul trebuie implementate, iar standardele de operabilitate trebuie finalizate (standardul de comunicare luminoasă IEEE 802.11 bb este în prezent în curs de dezvoltare).

Mai recent, au apărut farurile pe bază de laser. Tehnologia pentru producerea de iluminare laser albă de mare putere (400-700 nm lungime de undă) folosind o combinație de diode laser albastre (440-450 nm lungime de undă) cuplate la un fosfor luminescent a fost dezvoltată la Soraa Laser Diodes (SLD, achiziționată de Kyocera în 2020, pentru a forma Kyocera SLD sau KSLD). Printre fondatorii săi se numără dr. Shuji Nakamura, care a câștigat premiul Nobel în 2014. Profesorul Haas și John Peek (ex-CTO al Phillips Automotive Lighting) fac parte din consiliul lor consultativ. Produsul lor emblematic pentru automobile este motorul LaserLight™, care oferă iluminare de mare intensitate pentru a ilumina carosabilul la o rază de 650 m (1 km este posibil, dar în prezent este constrâns de reglementări). Aceste surse de lumină sunt în producție din 2019 pentru modelul BMW Seria 5 și, mai recent, pentru SUV-urile electrice iX3 și iX4.

LiFi funcționează prin modularea sursei de lumină și integrarea receptoarelor optice în lungimea de undă vizibilă care pot capta fotoni și îi pot transforma în electroni (aceste lungimi de undă sunt sigure pentru ochi la niveluri de intensitate ridicată). Modulația este rapidă, nu este observabilă de ochiul uman și poate apărea cu sau fără funcționarea funcției de iluminare a sursei de lumină. Laserele oferă avantaje semnificative de viteză și capacitate față de LED-uri pentru LiFi și comunicațiile de date. Acesta este o schimbare de joc pentru comunicațiile V2X, deoarece siguranța devine primordială odată cu nivelurile crescute de conducere autonomă în mașini și camioane. Figura 3 este o ilustrare a modului în care LiFi ar putea funcționa într-un mediu auto.

Potrivit lui Paul Rudy, director de marketing al KSLD, „Emisia simulată (în lasere) față de emisia spontană (în LED-uri) permite o densitate mai mare a puterii și o formă superioară a fasciculului, cu o luminozitate de 100 de ori mai mare și un interval de 10 ori mai mare”. Acest lucru duce la următoarele avantaje cheie ale iluminării pe bază de laser (față de LED-uri) pentru LiFi:

• Profil spațial și spectral de 5 ori mai îngust
• Comunicare și detecție > de 100 de ori mai rapide (laserele pot fi modulate la 10 GHz față de 100 MHz pentru LED-uri)

Pe măsură ce nivelurile crescute de autonomie sunt încorporate în vehiculele rutiere și camioane (L3 și L4), tipul și numărul de senzori necesari pentru a asigura siguranța și eficiența crește (camere, radare, LiDAR, IMU, GPS etc.). Acest lucru duce la o explozie masivă de date, dintre care unele sunt procesate cu computere de bord (estimările indică ~10 TB/oră generate de senzorii de pe vehiculele autonome). Ideea de a partaja aceste date în siguranță cu alte vehicule și infrastructură fixă ​​(V2X) este un domeniu activ de discuții și cercetare. DSRC (comunicații dedicate pe distanță scurtă) și conectivitatea celulară sunt deja utilizate sau sunt iminente. Cu toate acestea, pe măsură ce revoluția CAVE progresează, aceste soluții vor rămâne fără capacitate și lățime de bandă pentru a suporta partajarea informațiilor cu latență scăzută. LiFi este o soluție potențială. LaserLight™ folosit pentru iluminare poate fi, de asemenea, utilizat pentru a transmite cantități mari de date în siguranță între vehicule sau către receptoarele bazate pe infrastructura de trafic. Deși costul iluminatului cu laser este cu 20-30% mai mare decât iluminatul cu LED, funcționalitatea adăugată LiFi poate contribui la reducerea numărului de senzori la bord și a resurselor de calcul necesare pentru funcționarea autonomă.

Profesorul Haas indică următoarele provocări pentru a permite comunicațiile LiFi pentru transportul terestre: „Conectarea vehiculelor la distanțe și viteze diferite, asigurând în același timp conexiuni de date fiabile (la viteze de transmisie gigabit) cu zero interferențe încrucișate creează provocări interesante. Direcționalitatea și gama dispozitivelor LaserLight™ de la KSLD permit ca acestea să fie abordate în mod eficient. În această etapă, este doar o chestiune de adopție. În acest scop, interoperabilitatea dintre mașini și standardele aferente va fi extrem de benefică. Prevăd un viitor foarte luminos al LiFi în sectorul auto pentru V2X, care susține conducerea autonomă și siguranța rutieră îmbunătățită. Aștept cu nerăbdare să lucrez cu KSLD pentru a aduce aceste inovații pe drum”

Costul este un factor critic în înlocuirea iluminatului convențional cu halogen și LED în vehicule și în infrastructura de transport. Iluminarea laser oferă performanțe semnificativ mai mari, dar va fi la un preț mai mare inițial (cu 20-30% mai mare) și nu va fi accesibilă pentru vehiculele de gamă medie. După cum sa discutat mai sus, combinarea iluminatului cu capabilitățile LiFi ajută, deoarece capabilitățile V2X pot reduce cantitatea de senzori și resurse de calcul integrate. O a treia funcție este posibilă și în produsul KSLD LaserLight™. În afară de laserele albastre bazate pe GaN, ansamblul semiconductor include și o diodă cu laser GaAs cu lungime de undă mai mare (850 nm, 905 nm sau 940 nm), care, împreună cu un detector de siliciu, poate oferi capacități de stabilire a distanței și imagini LiDAR.

Spațiul farurilor dintr-un vehicul poate fi utilizat pentru trei funcții critice:

1. Iluminat: folosește luminiscența cu laser GaN + fosfor pentru a crea lumină albă pentru a oferi o iluminare clară, precisă și controlată dinamic în funcție de drum, trafic și condițiile de iluminare
2. LiFi: un circuit de modulație adăugat la cele de mai sus, împreună cu un detector de lungime de undă vizibilă poate oferi comunicații V2X de mare viteză și latență scăzută
3. Sensing și LiDAR: folosește un laser și un detector GaAs în infraroșu (lungime de undă de 9XX nm) pentru a oferi informații simple privind intervalul sau nori de puncte LiDAR mai complexe

Gruparea a trei funcții critice (iluminare, comunicare și detecție) într-un singur ansamblu far oferă câștiguri semnificative în integrarea vehiculului (cost, spațiu, putere) și reduce costurile generale ale sistemului prin înlocuirea altor senzori. Este dificil de cuantificat aceste economii în această etapă, deoarece acestea depind de abordările specifice de integrare urmate de producătorii de vehicule. Dar este rezonabil să concluzionam că prețul superior pentru iluminatul cu laser va fi mai mult decât compensat prin gruparea acestor funcționalități adăugate.

George Lucas a creat Lightsabre fictive (sabie cu energie laser) în urmă cu patru decenii și a devenit un pilon de-a lungul celebrei francize de film Star Wars. Înaintând rapid până în prezent, produse precum LaserLight™ de la KSLD reprezintă o armă importantă în arsenalul nostru pentru a rezolva provocările autonomiei sporite în transport și pentru a crea conectivitate de date sigură și cu latență redusă între mașini și infrastructura de trafic. Fie ca lumina să fie cu tine.