Φωτισμός λέιζερ, LiFi και LiDAR

Το WiFi είναι ενσωματωμένο στη ζωή μας σήμερα. Ο όρος προέκυψε πριν από περίπου τέσσερις δεκαετίες (ως ένα τέχνασμα μάρκετινγκ, σχεδιασμένο για ομοιοκαταληξία με τον όρο «Hi-Fi») και έχει φέρει επανάσταση στις προσωπικές επικοινωνίες, την πρόσβαση στο διαδίκτυο, τα μέσα κοινωνικής δικτύωσης και το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (IoT). Το WiFi χρησιμοποιεί διαμορφωμένα ραδιοκύματα για ασύρματες επικοινωνίες δεδομένων μικρής εμβέλειας. DSRC (αποκλειστικές επικοινωνίες μικρής εμβέλειας). Η τεχνολογία αποδείχθηκε κρίσιμη κατά τη διάρκεια της πρόσφατης πανδημίας, επιτρέποντας στους μαθητές να συνεχίσουν να μαθαίνουν και σε πολλούς επαγγελματίες να εργάζονται εξ αποστάσεως. Σε αυτό το σημείο, είναι ένα βασικό συστατικό της ζωής – όπως το νερό και ο ηλεκτρισμός. Το LiFi χρησιμοποιεί την ίδια ιδέα, εκτός από το ότι χρησιμοποιεί διαμορφωμένο ορατό φως αντί για ραδιοκύματα. Είναι έτοιμη να φέρει επανάσταση σε πολλαπλές εφαρμογές, μια βασική είναι οι επικοινωνίες V2X (Vehicle to X όπου X θα μπορούσαν να είναι οχήματα, κυκλοφοριακή υποδομή, φωτισμός δρόμων, κ.λπ.) που αποτελεί κρίσιμο εργαλείο για συνδεδεμένα και αυτόνομα οχήματα (CAVE).

Harald Haas, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Strathclyde/Glasgow, έδωσε μια θεμελιώδη ομιλία στο TED με τίτλο «Ασύρματα δεδομένα από κάθε λαμπτήρα" το 2011. Η παρουσίαση περιελάμβανε μια φυσική επίδειξη μετάδοσης βίντεο σε πραγματικό χρόνο χρησιμοποιώντας μια ορατή λάμπα LED. Επινόησε τον όρο LiFi (Light Fidelity) και ζωγράφισε μια συναρπαστική εικόνα για το πώς θα μπορούσε να προσφέρει ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις δεδομένων χρησιμοποιώντας την εγκατεστημένη βάση δισεκατομμυρίων λαμπτήρων σε δημόσιους χώρους και αυτοκίνητα. Ο καθηγητής Haas συζήτησε τέσσερα βασικά ζητήματα που αντιμετωπίζει το παραδοσιακό WiFi (με χρήση ραδιοκυμάτων) – διαθεσιμότητα, αποτελεσματικότητα, χωρητικότητα και ασφάλεια. Το LiFi έχει τη δυνατότητα να τα λύσει κατά τάξεις μεγέθους, χρησιμοποιώντας μια ήδη εγκατεστημένη βάση υποδομής φωτισμού. Οι έξυπνες μεταφορές (μέσω της χρήσης έξυπνων οχημάτων και υποδομών) μπορούν να αξιοποιήσουν αυτά τα πλεονεκτήματα για να ενισχύσουν την ασφαλή αυτονομία και αποτελεσματικότητα.

Την τελευταία δεκαετία παρατηρήθηκε αυξημένος πολλαπλασιασμός του φωτισμού LED σε σπίτια, βιομηχανίες, αυτοκίνητα και κυκλοφοριακές υποδομές. Μαζί με πιο αποτελεσματικό και φιλικό προς το περιβάλλον φωτισμό, οι εφαρμογές LiFi έχουν επίσης αναπτυχθεί σε εφαρμογές αεροπορίας, υγειονομικής περίθαλψης, ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης, άμυνας και βιομηχανικές εφαρμογές. Οι μελέτες δείχνουν μια αγορά ~ 6 δισεκατομμυρίων δολαρίων το 2020, η οποία αυξάνεται κατά περισσότερο από 10 φορές έως το 2025. Πολλοί παίκτες, από νεοφυείς επιχειρήσεις που χρηματοδοτούνται από venture μέχρι μεγάλους παίκτες όπως η Panasonic και η Phillips Lighting δραστηριοποιούνται σε αυτόν τον τομέα. Η ευκαιρία είναι συναρπαστική, ειδικά σε έναν κόσμο όπου ο όγκος των δεδομένων εκρήγνυται και η αποτελεσματική πρόσβαση σε αυτά τα δεδομένα είναι επιτακτική. Υπάρχουν προκλήσεις – ο φωτισμός φθορισμού πρέπει να αντικατασταθεί από λαμπτήρες LED με ηλεκτρονικά διαμόρφωσης, πρέπει να αναπτυχθούν υποδομές επικοινωνιών και λογισμικό και πρέπει να οριστικοποιηθούν τα πρότυπα λειτουργικότητας (το πρότυπο IEEE 802.11 bb Light Communication Standard είναι επί του παρόντος υπό ανάπτυξη).

Πιο πρόσφατα, προέκυψαν προβολείς με βάση λέιζερ. Η τεχνολογία για την παραγωγή λευκού φωτισμού λέιζερ υψηλής ισχύος (μήκους κύματος 400-700 nm) χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό μπλε διόδων λέιζερ (μήκους κύματος 440-450 nm) σε συνδυασμό με έναν φωταυγή φώσφορο αναπτύχθηκε στο Soraa Laser Diodes (SLD, που αποκτήθηκε από την Kyocera στο 2020, για να σχηματιστεί Kyocera SLD ή KSLD). Οι ιδρυτές του περιλαμβάνουν τον Δρ. Shuji Nakamura, ο οποίος κέρδισε το βραβείο Νόμπελ το 2014. Ο καθηγητής Haas και ο John Peek (πρώην CTO της Phillips Automotive Lighting) είναι στο συμβουλευτικό τους συμβούλιο. Το κορυφαίο αυτοκινητιστικό προϊόν τους είναι ο κινητήρας LaserLight™ που παρέχει φωτισμό υψηλής έντασης για να φωτίζει το οδόστρωμα σε εμβέλεια 650 m (1 km είναι δυνατό, αλλά επί του παρόντος περιορίζεται από τους κανονισμούς). Αυτές οι πηγές φωτός παράγονται από το 2019 για το μοντέλο της BMW Series 5, και πιο πρόσφατα για τα ηλεκτρικά SUV iX3 και iX4.

Το LiFi λειτουργεί διαμορφώνοντας την πηγή φωτός και ενσωματώνοντας οπτικούς δέκτες στο ορατό μήκος κύματος που μπορούν να συλλάβουν φωτόνια και να τα μετατρέψουν σε ηλεκτρόνια (αυτά τα μήκη κύματος είναι ασφαλή για τα μάτια σε επίπεδα υψηλής έντασης). Η διαμόρφωση είναι γρήγορη, δεν παρατηρείται από το ανθρώπινο μάτι και μπορεί να συμβεί με ή χωρίς τη λειτουργία της λειτουργίας φωτισμού της πηγής φωτός. Τα λέιζερ παρέχουν σημαντικά πλεονεκτήματα ταχύτητας και χωρητικότητας έναντι των LED για επικοινωνίες LiFi και δεδομένων. Αυτό αλλάζει το παιχνίδι για τις επικοινωνίες V2X, καθώς η ασφάλεια γίνεται πρωταρχικής σημασίας με αυξημένα επίπεδα αυτόνομης οδήγησης σε αυτοκίνητα και φορτηγά. Το σχήμα 3 είναι μια απεικόνιση του τρόπου λειτουργίας του LiFi σε ένα περιβάλλον αυτοκινήτου.

Σύμφωνα με τον Paul Rudy, Chief Marketing Officer της KSLD, «Η προσομοίωση εκπομπής (σε λέιζερ) έναντι της αυθόρμητης εκπομπής (σε LED) επιτρέπει υψηλότερη πυκνότητα ισχύος και ανώτερο σχήμα δέσμης, με 100 φορές μεγαλύτερη φωτεινότητα και 10 φορές υψηλότερη εμβέλεια". Αυτό οδηγεί στα ακόλουθα βασικά πλεονεκτήματα του φωτισμού με λέιζερ (έναντι LED) για το LiFi:

• 5Χ στενότερο χωρικό και φασματικό προφίλ
• >100 φορές ταχύτερη επικοινωνία και ανίχνευση (τα λέιζερ μπορούν να διαμορφωθούν στα 10 GHz έναντι 100 MHz για LED)

Καθώς ενσωματώνονται αυξημένα επίπεδα αυτονομίας σε οδικά οχήματα και φορτηγά (L3 και L4), αυξάνεται ο τύπος και ο αριθμός των αισθητήρων που απαιτούνται για τη διασφάλιση της ασφάλειας και της απόδοσης (κάμερες, ραντάρ, LiDAR, IMU, GPS κ.λπ.). Αυτό οδηγεί σε μια μαζική έκρηξη δεδομένων, μερικά από τα οποία υποβάλλονται σε επεξεργασία με ενσωματωμένους υπολογιστές (εκτιμήσεις δείχνουν ~10 TB/ώρα που παράγονται από αισθητήρες σε αυτόνομα οχήματα). Η ιδέα της ασφαλούς κοινής χρήσης αυτών των δεδομένων με άλλα οχήματα και σταθερή υποδομή (V2X) είναι ένα ενεργό πεδίο συζήτησης και έρευνας. Το DSRC (αποκλειστικές επικοινωνίες μικρής εμβέλειας) και η συνδεσιμότητα κινητής τηλεφωνίας χρησιμοποιούνται ήδη ή επίκειται. Ωστόσο, καθώς προχωρά η επανάσταση του CAVE, αυτές οι λύσεις θα εξαντλήσουν τη χωρητικότητα και το εύρος ζώνης για να υποστηρίξουν την κοινή χρήση πληροφοριών χαμηλής καθυστέρησης. Το LiFi είναι μια πιθανή λύση. Το LaserLight™ που χρησιμοποιείται για φωτισμό μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ασφαλή μετάδοση μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων μεταξύ οχημάτων ή σε δέκτες που βασίζονται σε υποδομή κυκλοφορίας. Αν και ο φωτισμός λέιζερ είναι 20-30% υψηλότερος σε κόστος από τον φωτισμό LED, η προστιθέμενη λειτουργία LiFi μπορεί ενδεχομένως να συμβάλει στη μείωση του αριθμού των αισθητήρων και των υπολογιστικών πόρων που απαιτούνται για την αυτόνομη λειτουργία.

Ο καθηγητής Haas υποδεικνύει τις ακόλουθες προκλήσεις για την ενεργοποίηση των επικοινωνιών LiFi για επίγειες μεταφορές: «Η σύνδεση οχημάτων σε διαφορετικές αποστάσεις και ταχύτητες διασφαλίζοντας παράλληλα αξιόπιστες συνδέσεις δεδομένων (σε ταχύτητες μετάδοσης gigabit) με μηδενικές διασταυρούμενες παρεμβολές δημιουργεί ενδιαφέρουσες προκλήσεις. Η κατευθυντικότητα και το εύρος των συσκευών LaserLight™ της KSLD επιτρέπουν την αποτελεσματική αντιμετώπισή τους. Σε αυτό το στάδιο, είναι απλώς θέμα υιοθεσίας. Για το σκοπό αυτό, η διαλειτουργικότητα μεταξύ των αυτοκινήτων και των σχετικών προτύπων θα είναι εξαιρετικά επωφελής. Προβλέπω ένα πολύ λαμπρό μέλλον της LiFi στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας για V2X που υποστηρίζει την αυτόνομη οδήγηση και βελτιωμένη οδική ασφάλεια. Ανυπομονώ να συνεργαστώ με την KSLD για να φέρω αυτές τις καινοτομίες στο δρόμο»

Το κόστος είναι κρίσιμος παράγοντας για την αντικατάσταση του συμβατικού φωτισμού αλογόνου και LED σε οχήματα και υποδομές μεταφορών. Ο φωτισμός λέιζερ παρέχει σημαντικά υψηλότερη απόδοση, αλλά θα είναι σε αρχική τιμή (20-30% υψηλότερη) και δεν θα είναι προσιτός για οχήματα μεσαίας κατηγορίας. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η ομαδοποίηση του φωτισμού με τις δυνατότητες LiFi βοηθά, καθώς οι δυνατότητες V2X μπορούν να μειώσουν την ποσότητα του ενσωματωμένου αισθητήρα και των πόρων υπολογισμού. Μια τρίτη λειτουργία είναι επίσης δυνατή στο προϊόν LaserLight™ της KSLD. Εκτός από τα μπλε λέιζερ με βάση το GaN, το συγκρότημα ημιαγωγών περιλαμβάνει επίσης μια δίοδο λέιζερ GaAs υψηλότερου μήκους κύματος (850 nm, 905 nm ή 940 nm), η οποία σε συνδυασμό με έναν ανιχνευτή πυριτίου μπορεί να παρέχει δυνατότητες εύρεσης εύρους και απεικόνισης LiDAR.

Ο χώρος των προβολέων σε ένα όχημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τρεις κρίσιμες λειτουργίες:

1. Φωτισμός: χρησιμοποιεί λέιζερ GaN + φωταύγεια φωσφόρου για να δημιουργήσει λευκό φως για να παρέχει καθαρό, ακριβή και δυναμικά ελεγχόμενο φωτισμό με βάση τις συνθήκες του δρόμου, της κυκλοφορίας και του φωτισμού
2. LiFi: ένα κύκλωμα διαμόρφωσης που προστίθεται στα παραπάνω, μαζί με έναν ανιχνευτή ορατού μήκους κύματος μπορεί να παρέχει επικοινωνίες V2X υψηλής ταχύτητας και χαμηλής καθυστέρησης
3. Sensing και LiDAR: χρησιμοποιεί υπέρυθρο λέιζερ και ανιχνευτή GaAs (μήκος κύματος 9XX nm) για να παρέχει απλές πληροφορίες εμβέλειας ή πιο πολύπλοκα νέφη σημείων LiDAR

Ο συνδυασμός τριών κρίσιμων λειτουργιών (φωτισμός, επικοινωνία και ανίχνευση) σε ένα μόνο συγκρότημα προβολέων παρέχει σημαντικά κέρδη στα γενικά έξοδα ενοποίησης του οχήματος (κόστος, χώρος, ισχύς) και μειώνει το συνολικό κόστος του συστήματος αντικαθιστώντας άλλους αισθητήρες. Είναι δύσκολο να ποσοτικοποιηθεί αυτή η εξοικονόμηση σε αυτό το στάδιο, καθώς εξαρτώνται από συγκεκριμένες προσεγγίσεις ολοκλήρωσης που ακολουθούν οι κατασκευαστές οχημάτων. Ωστόσο, είναι λογικό να συμπεράνουμε ότι η πριμοδότηση τιμής για τον φωτισμό λέιζερ θα αντισταθμιστεί περισσότερο από τη δέσμη αυτών των πρόσθετων λειτουργιών.

Ο Τζορτζ Λούκας δημιούργησε το φανταστικό Lightsabre (λέιζερ ενεργειακό σπαθί) πριν από τέσσερις δεκαετίες και έγινε στήριγμα σε όλο το διάσημο franchise ταινιών Star Wars. Με γρήγορη προώθηση μέχρι σήμερα, προϊόντα όπως το LaserLight™ της KSLD είναι ένα σημαντικό όπλο στο οπλοστάσιό μας για την επίλυση των προκλήσεων της αυξημένης αυτονομίας στις μεταφορές και τη δημιουργία ασφαλούς και χαμηλής καθυστέρησης συνδεσιμότητας δεδομένων μεταξύ αυτοκινήτων και υποδομών κυκλοφορίας. Είθε το φως να είναι μαζί σας.