Lasersko osvjetljenje, LiFi i LiDAR

WiFi je ugrađen u naše današnje živote. Termin je nastao prije otprilike četiri decenije (kao marketinški trik, osmišljen da se rimuje sa terminom "Hi-Fi") i revolucionirao je ličnu komunikaciju, pristup internetu, društvene medije i Internet stvari (IoT). WiFi koristi modulirane radio valove za bežičnu komunikaciju podataka kratkog dometa. DSRC (namjenske komunikacije kratkog dometa). Tehnologija se pokazala kritičnom tokom nedavne pandemije, omogućavajući studentima da nastave sa učenjem, a mnogim profesionalcima da rade na daljinu. U ovom trenutku, to je osnovna životna namirnica – poput vode i struje. LiFi koristi istu ideju, osim što koristi modulirano vidljivo svjetlo, a ne radio valove. Spremna je za revoluciju u više aplikacija, a ključna je V2X (od vozila do X, gdje X može biti vozila, saobraćajna infrastruktura, osvjetljenje puta, itd.) komunikacija koja je kritičan faktor za povezana i autonomna vozila (CAVE).

Harald Haas, profesor na Univerzitetu Strathclyde/Glasgow, održao je ključan TED govor pod naslovom „Bežični podaci iz svake sijalice" 2011. Prezentacija je uključivala fizičku demonstraciju prijenosa videa u realnom vremenu korištenjem vidljive LED sijalice. On je skovao termin LiFi (vjernost svjetlosti) i naslikao uvjerljivu sliku o tome kako može isporučiti sve veće zahtjeve za podacima koristeći instaliranu bazu od milijardi sijalica u javnim prostorima i automobilima. Profesor Haas je razgovarao o četiri ključna pitanja sa kojima se suočava tradicionalni WiFi (koristeći radio talase) – dostupnost, efikasnost, kapacitet i sigurnost. LiFi ima potencijal da ih riješi po redovima veličine, koristeći već instaliranu bazu infrastrukture rasvjete. Pametan transport (kroz upotrebu pametnih vozila i infrastrukture) može iskoristiti ove prednosti kako bi poboljšao sigurnu autonomiju i efikasnost.

U protekloj deceniji došlo je do povećane proliferacije LED rasvjete u kućama, industrijama, automobilima i saobraćajnoj infrastrukturi. Uz efikasniju i ekološki prihvatljiviju rasvjetu, LiFi primjene su također porasle u avijaciji, zdravstvu, potrošačkoj elektronici, odbrani i industrijskim aplikacijama. Studije pokazuju tržište od ~6 milijardi dolara u 2020., koje raste za faktor > 10X do 2025. U ovoj oblasti aktivno je više igrača u rasponu od start-up-a koji se financiraju poduzetništvom do velikih igrača kao što su Panasonic i Phillips Lighting. Prilika je uvjerljiva, posebno u svijetu u kojem obim podataka eksplodira, a efikasan pristup tim podacima je imperativ. Postoje izazovi – fluorescentno osvjetljenje treba zamijeniti LED sijalicama sa modulirajućom elektronikom, potrebno je postaviti komunikacionu infrastrukturu i softver, a standardi operativnosti moraju biti finalizirani (standard IEEE 802.11 bb Light Communication je trenutno u razvoju).

Skorije, pojavila su se prednja svjetla na bazi lasera. Tehnologija za proizvodnju belog laserskog osvetljenja velike snage (400-700 nm talasne dužine) korišćenjem kombinacije plavih laserskih dioda (440-450 nm talasne dužine) spojenih sa luminiscentnim fosforom razvijena je u Soraa Laser Diodes (SLD, koju je kupila Kyocera godine). 2020. da se formira Kyocera SLD ili KSLD). Među njegovim osnivačima je dr. Shuji Nakamura koji je dobio Nobelovu nagradu 2014. Profesor Haas i John Peek (bivši CTO Phillips Automotive Lighting) su u njihovom savjetodavnom odboru. Njihov vodeći automobilski proizvod je LaserLight™ motor koji obezbeđuje osvetljenje visokog intenziteta za osvetljavanje kolovoza na dometu od 650 m (1 km je moguće, ali je trenutno ograničeno propisima). Ovi izvori svjetlosti su u proizvodnji od 2019. godine za BMW-ov model Serije 5, a odnedavno i za električne terence iX3 i iX4.

LiFi funkcioniše tako što moduliše izvor svetlosti i integriše optičke prijemnike u vidljivu talasnu dužinu koji mogu uhvatiti fotone i transformisati ih u elektrone (ove talasne dužine su sigurne za oči na nivoima visokog intenziteta). Modulacija je brza, nije vidljiva ljudskim okom i može se dogoditi sa ili bez rada funkcije osvjetljenja izvora svjetlosti. Laseri pružaju značajne prednosti u brzini i kapacitetu u odnosu na LED diode za LiFi i prijenos podataka. Ovo je promjena igre za V2X komunikaciju jer sigurnost postaje najvažnija s povećanjem nivoa autonomne vožnje u automobilima i kamionima. Slika 3 je ilustracija kako bi LiFi mogao raditi u automobilskom okruženju.

Prema Paulu Rudyju, direktoru marketinga KSLD-a, „simulirana emisija (kod lasera) naspram spontane emisije (kod LED dioda) omogućava veću gustinu snage i superioran oblik zraka, sa 100X većom svjetlinom i 10X većim dometom”. Ovo dovodi do sljedećih ključnih prednosti laserskog osvjetljenja (u odnosu na LED) za LiFi:

• 5X uži prostorni i spektralni profil
• >100x brža komunikacija i sensing (laseri se mogu modulirati na 10 GHz naspram 100 MHz za LED diode)

Kako je povećan nivo autonomije ugrađen u drumska vozila i kamione (L3 i L4), tip i broj senzora potrebnih za osiguranje povećanja sigurnosti i efikasnosti (kamere, radari, LiDAR-i, IMU, GPS, itd.). Ovo dovodi do ogromne eksplozije podataka, od kojih se neki obrađuju pomoću kompjutera (procjene pokazuju ~10 TB/sat generiranih od senzora na autonomnim vozilima). Ideja bezbednog dijeljenja ovih podataka sa drugim vozilima i fiksnom infrastrukturom (V2X) je aktivno područje diskusije i istraživanja. DSRC (namjenske komunikacije kratkog dometa) i ćelijska povezanost su već korišteni ili su neizbježni. Međutim, kako CAVE revolucija bude napredovala, ova rješenja će ostati bez kapaciteta i propusnog opsega kako bi podržala dijeljenje informacija s malim kašnjenjem. LiFi je potencijalno rješenje. LaserLight™ koji se koristi za osvjetljenje također se može koristiti za siguran prijenos velikih količina podataka između vozila ili do prijemnika zasnovanih na saobraćajnoj infrastrukturi. Iako je lasersko osvjetljenje 20-30% skuplje od LED rasvjete, dodatna LiFi funkcionalnost potencijalno može pomoći u smanjenju broja ugrađenih senzora i računarskih resursa potrebnih za autonomni rad.

Profesor Haas ukazuje na sljedeće izazove za omogućavanje LiFi komunikacija za zemaljski transport: „Povezivanje vozila na različitim udaljenostima i brzinama uz osiguravanje pouzdanih podatkovnih veza (pri gigabitnim brzinama prijenosa) bez unakrsnih smetnji stvara zanimljive izazove. Usmjerenost i domet KSLD-ovih LaserLight™ uređaja omogućavaju efikasno rješavanje ovih problema. U ovoj fazi, to je samo pitanje usvajanja. U tom cilju, interoperabilnost između automobila i srodnih standarda će biti od velike koristi. Predviđam vrlo svijetlu budućnost LiFi-ja u automobilskom sektoru za V2X koji podržava autonomnu vožnju i poboljšanu sigurnost na putu. Radujem se saradnji sa KSLD-om kako bismo ove inovacije doveli na put”

Troškovi su kritični faktor u zamjeni konvencionalne halogene i LED rasvjete u vozilima i transportnoj infrastrukturi. Lasersko osvjetljenje pruža znatno veće performanse, ali će u početku biti po cijeni od 20-30% više i neće biti pristupačno za vozila srednje klase. Kao što je gore objašnjeno, spajanje rasvjete s LiFi mogućnostima pomaže jer V2X mogućnosti mogu smanjiti količinu ugrađenih senzora i računarskih resursa. Treća funkcija je također moguća u KSLD-ovom LaserLight™ proizvodu. Osim plavih lasera baziranih na GaN, poluvodički sklop također uključuje GaAs lasersku diodu veće valne dužine (850 nm, 905 nm ili 940 nm) koja u kombinaciji sa silicijumskim detektorom može pružiti mogućnost pronalaženja dometa i LiDAR snimanja.

Prostor prednjih svjetala u vozilu može se koristiti za tri kritične funkcije:

1. Rasvjeta: koristi GaN laser + fosfornu luminiscenciju za stvaranje bijele svjetlosti za isporuku oštrog, preciznog i dinamički kontroliranog osvjetljenja na osnovu uvjeta ceste, prometa i osvjetljenja
2. LiFi: modulacijski sklop koji je dodan gore navedenom, zajedno s vidljivim detektorom valne dužine može pružiti V2X komunikaciju velike brzine i niske latencije
3. Sensing i LiDAR: koristi infracrveni GaAs laser i detektor (9XX nm talasne dužine) da pruži jednostavne informacije o dometu ili složenije LiDAR oblake tačaka

Spajanje tri kritične funkcije (osvetljenje, komunikacija i senzor) u jednom sklopu prednjeg svetla obezbeđuje značajne dobitke u integraciji vozila iznad glave (cena, prostor, snaga) i smanjuje ukupne troškove sistema zamenom drugih senzora. Teško je kvantificirati ove uštede u ovoj fazi jer one ovise o specifičnim pristupima integracije koje slijede proizvođači vozila. Ali razumno je zaključiti da će premija za lasersko osvjetljenje biti više nego nadoknađena spajanjem ovih dodatnih funkcionalnosti.

George Lucas je kreirao izmišljeni svjetlosni mač (mač laserske energije) prije četiri decenije i postao je oslonac u poznatoj filmskoj franšizi Ratovi zvijezda. Brzo premotavajući do sadašnjosti, proizvodi poput KSLD-ovog LaserLight™ su važno oružje u našem arsenalu za rješavanje izazova povećane autonomije u transportu i stvaranja sigurne i niske latencije podatkovne veze između automobila i prometne infrastrukture. Neka svjetlost bude s tobom.