Pencahayaan Laser, LiFi Dan LiDAR

WiFi tertanam dalam kehidupan kita hari ini. Istilah ini berasal kira-kira empat dekad yang lalu (sebagai muslihat pemasaran, direka untuk berirama dengan istilah "Hi-Fi") dan telah merevolusikan komunikasi peribadi, akses internet, media sosial dan Internet of Things (IoT). WiFi menggunakan gelombang radio termodulat untuk komunikasi data wayarles jarak dekat. DSRC (komunikasi jarak dekat khusus). Teknologi ini terbukti kritikal semasa pandemik baru-baru ini, membolehkan pelajar meneruskan pembelajaran dan ramai profesional bekerja dari jauh. Pada ketika ini, ia adalah asas kehidupan - seperti air dan elektrik. LiFi menggunakan idea yang sama, kecuali ia menggunakan cahaya boleh dilihat termodulat dan bukannya gelombang radio. Ia bersedia untuk merevolusikan berbilang aplikasi, yang penting ialah komunikasi V2X (Kenderaan ke X di mana X boleh menjadi kenderaan, infrastruktur trafik, pencahayaan jalan raya, dll.) yang merupakan pemboleh kritikal untuk kenderaan bersambung dan autonomi (CAVE).

Harald Haas, seorang profesor di Universiti Strathclyde/Glasgow, telah menyampaikan ceramah TED bertajuk “Data Wayarles daripada Setiap Mentol Lampu" pada tahun 2011. Pembentangan itu termasuk demonstrasi fizikal penghantaran video masa nyata menggunakan mentol lampu berasaskan LED yang boleh dilihat. Dia mencipta istilah itu LiFi (Light Fidelity) dan melukis gambaran yang menarik tentang cara ia boleh menyampaikan keperluan data yang semakin meningkat menggunakan pangkalan terpasang berbilion-bilion mentol di ruang awam dan kereta. Profesor Haas membincangkan empat isu utama yang dihadapi oleh WiFi tradisional (menggunakan gelombang radio) - ketersediaan, kecekapan, kapasiti dan keselamatan. LiFi mempunyai potensi untuk menyelesaikannya mengikut urutan magnitud, menggunakan pangkalan infrastruktur pencahayaan yang telah dipasang. Pengangkutan pintar (melalui penggunaan kenderaan dan infrastruktur pintar) boleh memanfaatkan kelebihan ini untuk meningkatkan autonomi dan kecekapan yang selamat.

Dekad yang lalu telah menyaksikan peningkatan percambahan pencahayaan berasaskan LED di rumah, industri, kereta dan infrastruktur lalu lintas. Bersama-sama dengan pencahayaan yang lebih cekap dan mesra alam, aplikasi LiFi juga telah berkembang dalam aplikasi penerbangan, penjagaan kesihatan, elektronik pengguna, pertahanan dan perindustrian. Kajian menunjukkan pasaran ~$6B pada tahun 2020, berkembang dengan faktor > 10X menjelang 2025. Berbilang pemain daripada syarikat permulaan yang dibiayai oleh teroka kepada pemain besar seperti Panasonic dan Phillips Lighting aktif dalam bidang ini. Peluang itu menarik, terutamanya dalam dunia di mana volum data meletup dan mengakses data ini dengan cekap adalah penting. Terdapat cabaran – lampu pendarfluor perlu digantikan dengan mentol LED dengan modulasi elektronik, infrastruktur komunikasi dan perisian perlu digunakan, dan piawaian kebolehkendalian perlu dimuktamadkan (Piawaian Komunikasi Ringan IEEE 802.11 bb sedang dalam pembangunan).

Baru-baru ini, lampu depan berasaskan laser telah muncul. Teknologi untuk menghasilkan pencahayaan laser putih berkuasa tinggi (panjang gelombang 400-700 nm) menggunakan gabungan diod laser biru (panjang gelombang 440-450 nm) yang digandingkan dengan fosfor bercahaya telah dibangunkan di Soraa Laser Diodes (SLD, yang diperoleh oleh Kyocera di 2020, untuk membentuk Kyocera SLD atau KSLD). Pengasasnya termasuk Dr. Shuji Nakamura yang memenangi hadiah Nobel pada 2014. Profesor Haas dan John Peek (bekas CTO Phillips Automotive Lighting) berada di lembaga penasihat mereka. Produk automotif utama mereka ialah enjin LaserLight™ yang menyediakan pencahayaan berintensiti tinggi untuk menerangi jalan raya pada jarak 650 m (1 km mungkin, tetapi pada masa ini dikekang oleh peraturan). Sumber cahaya ini telah dikeluarkan sejak 2019 untuk model BMW Siri 5, dan baru-baru ini untuk SUV elektrik iX3 dan iX4.

LiFi beroperasi dengan memodulasi sumber cahaya dan menyepadukan penerima optik dalam panjang gelombang yang boleh dilihat yang boleh menangkap foton dan mengubahnya menjadi elektron (panjang gelombang ini selamat untuk mata pada tahap keamatan tinggi). Modulasi adalah pantas, tidak boleh dilihat oleh mata manusia, dan boleh berlaku dengan atau tanpa mengendalikan fungsi pencahayaan sumber cahaya. Laser memberikan kelebihan kelajuan dan kapasiti yang ketara berbanding LED untuk LiFi dan komunikasi data. Ini adalah penukar permainan untuk komunikasi V2X kerana keselamatan menjadi keutamaan dengan peningkatan tahap pemanduan autonomi dalam kereta dan trak. Rajah 3 ialah ilustrasi bagaimana LiFi boleh beroperasi dalam persekitaran automotif.

Menurut Paul Rudy, Ketua Pegawai Pemasaran KSLD, “pelepasan simulasi (dalam laser) berbanding pelepasan spontan (dalam LED) membolehkan ketumpatan kuasa yang lebih tinggi dan bentuk rasuk yang unggul, dengan kecerahan 100X lebih tinggi dan julat 10X lebih tinggi”. Ini membawa kepada kelebihan utama berikut bagi pencahayaan berasaskan laser (vs LED) untuk LiFi:

• 5X profil spatial dan spektrum yang lebih sempit
• > 100x komunikasi dan penderiaan lebih pantas (laser boleh dimodulasi pada 10 GHz vs 100 MHz untuk LED)

Apabila tahap autonomi yang meningkat dimasukkan ke dalam kenderaan jalan raya dan trak (L3 dan L4), jenis dan bilangan penderia yang diperlukan untuk memastikan keselamatan dan kecekapan meningkat (kamera, radar, LiDAR, IMU, GPS, dll.). Ini membawa kepada letupan besar data, sebahagian daripadanya diproses dengan komputer atas kapal (anggaran menunjukkan ~10 TB/jam yang dijana daripada penderia pada kenderaan autonomi). Idea untuk berkongsi data ini dengan selamat dengan kenderaan lain dan infrastruktur tetap (V2X) ialah bidang perbincangan dan penyelidikan yang aktif. DSRC (komunikasi jarak dekat khusus) dan ketersambungan selular sudah digunakan atau akan berlaku. Walau bagaimanapun, apabila revolusi CAVE berlangsung, penyelesaian ini akan kehabisan kapasiti dan lebar jalur untuk menyokong perkongsian maklumat kependaman rendah. LiFi ialah penyelesaian yang berpotensi. LaserLight™ yang digunakan untuk pencahayaan juga boleh digunakan untuk menghantar sejumlah besar data dengan selamat antara kenderaan atau kepada penerima berasaskan infrastruktur lalu lintas. Walaupun kos pencahayaan laser 20-30% lebih tinggi daripada pencahayaan LED, kefungsian LiFi tambahan berpotensi membantu mengurangkan bilangan penderia onboard dan sumber pengkomputeran yang diperlukan untuk operasi autonomi.

Profesor Haas menunjukkan cabaran berikut untuk membolehkan komunikasi LiFi untuk pengangkutan darat: “Menyambungkan kenderaan pada jarak dan kelajuan yang berbeza-beza sambil memastikan sambungan data yang boleh dipercayai (pada kelajuan penghantaran gigabit) dengan gangguan silang sifar mencipta cabaran yang menarik. Arah arah dan julat peranti LaserLight™ KSLD membolehkan perkara ini ditangani dengan berkesan. Pada peringkat ini, ia hanyalah soal pengangkatan. Untuk tujuan ini, kebolehkendalian antara kereta dan piawaian yang berkaitan akan sangat bermanfaat. Saya meramalkan masa depan LiFi yang sangat cerah dalam sektor automotif untuk V2X yang menyokong pemanduan autonomi dan keselamatan jalan raya yang dipertingkatkan. Saya berharap dapat bekerjasama dengan KSLD untuk membawa inovasi ini ke jalan raya”

Kos ialah faktor kritikal dalam menggantikan lampu halogen dan LED konvensional dalam kenderaan dan infrastruktur pengangkutan. Pencahayaan laser memberikan prestasi yang lebih tinggi dengan ketara, tetapi ia akan berada pada harga premium pada mulanya (20-30% lebih tinggi) dan tidak mampu dimiliki untuk kenderaan jarak pertengahan. Seperti yang dibincangkan di atas, penggabungan pencahayaan dengan keupayaan LiFi membantu kerana keupayaan V2X boleh mengurangkan jumlah penderia onboard dan sumber pengiraan. Fungsi ketiga juga boleh dilakukan dalam produk LaserLight™ KSLD. Selain daripada laser biru berasaskan GaN, pemasangan semikonduktor juga termasuk diod GaAs panjang gelombang yang lebih tinggi (850 nm, 905 nm atau 940 nm) yang bersama-sama dengan pengesan silikon boleh menyediakan untuk mencari julat dan keupayaan pengimejan LiDAR.

Ruang lampu depan dalam kenderaan boleh digunakan untuk tiga fungsi kritikal:

1. Lampu: menggunakan laser GaN + phosphor luminescence untuk mencipta cahaya putih untuk memberikan pencahayaan yang tajam, tepat dan dikawal secara dinamik berdasarkan jalan, lalu lintas dan keadaan pencahayaan
2. LiFi: litar modulasi yang ditambahkan pada yang di atas, bersama-sama dengan pengesan panjang gelombang yang boleh dilihat boleh memberikan komunikasi V2X berkelajuan tinggi dan kependaman rendah
3. Penderiaan dan LiDAR: menggunakan laser dan pengesan GaAs inframerah (panjang gelombang 9XX nm) untuk memberikan maklumat julat mudah atau awan titik LiDAR yang lebih kompleks

Gabungan tiga fungsi kritikal (pencahayaan, komunikasi dan penderiaan) dalam pemasangan lampu depan tunggal memberikan keuntungan yang ketara dalam overhed penyepaduan kenderaan (kos, ruang, kuasa) dan mengurangkan kos keseluruhan sistem dengan menggantikan penderia lain. Sukar untuk mengukur penjimatan ini pada peringkat ini kerana ini bergantung pada pendekatan penyepaduan khusus yang dijalankan oleh pengeluar kenderaan. Tetapi adalah munasabah untuk membuat kesimpulan bahawa harga premium untuk pencahayaan laser akan lebih daripada diimbangi oleh penggabungan fungsi tambahan ini.

George Lucas mencipta fiksyen Lightsabre (pedang tenaga laser) empat dekad lalu dan ia menjadi tunjang utama sepanjang francais filem Star Wars yang terkenal. Pemajuan pantas hingga kini, produk seperti LaserLight™ KSLD ialah senjata penting dalam senjata kami untuk menyelesaikan cabaran peningkatan autonomi dalam pengangkutan dan mewujudkan sambungan data kependaman yang selamat dan rendah antara kereta dan infrastruktur trafik. Semoga cahaya itu bersamamu.