Laserové osvětlení, LiFi a LiDAR

WiFi je dnes součástí našich životů. Termín vznikl asi před čtyřmi desetiletími (jako marketingový trik, navržený tak, aby se rýmoval s termínem „Hi-Fi“) a způsobil revoluci v osobní komunikaci, přístupu k internetu, sociálních sítích a internetu věcí (IoT). WiFi využívá modulované rádiové vlny pro bezdrátovou datovou komunikaci na krátkou vzdálenost. DSRC (vyhrazená komunikace krátkého dosahu). Tato technologie se během nedávné pandemie ukázala jako kritická, umožňuje studentům pokračovat ve vzdělávání a mnoha odborníkům pracovat na dálku. V tuto chvíli je to základní životní styl – jako voda a elektřina. LiFi používá stejnou myšlenku, ale používá modulované viditelné světlo spíše než rádiové vlny. Je připraven způsobit revoluci v mnoha aplikacích, z nichž klíčovou je komunikace V2X (Vehicle to X, kde X může být vozidla, dopravní infrastruktura, osvětlení vozovky atd.), což je kritický prvek pro propojená a autonomní vozidla (CAVE).

Harald Haas, profesor na University of Strathclyde/Glasgow, přednesl klíčovou přednášku na TEDu s názvem "Bezdrátová data z každé žárovky."" v roce 2011. Součástí prezentace byla fyzická ukázka přenosu videa v reálném čase pomocí viditelné žárovky na bázi LED. Ten termín vymyslel on LiFi (Light Fidelity) a vykreslil přesvědčivý obrázek toho, jak by mohl poskytovat stále se zvyšující požadavky na data pomocí instalované základny miliard žárovek ve veřejných prostorách a automobilech. Profesor Haas diskutoval o čtyřech klíčových problémech, kterým tradiční WiFi (využívající rádiové vlny) čelí – dostupnost, účinnost, kapacita a bezpečnost. LiFi má potenciál tyto řádově vyřešit pomocí již nainstalované osvětlovací infrastruktury. Chytrá doprava (prostřednictvím chytrých vozidel a infrastruktury) může tyto výhody využít ke zvýšení bezpečné autonomie a efektivity.

V posledním desetiletí došlo ke zvýšenému rozšíření osvětlení na bázi LED v domácnostech, průmyslových odvětvích, automobilech a dopravní infrastruktuře. Spolu s účinnějším a ekologičtějším osvětlením se LiFi aplikace rozrostly také v letectví, zdravotnictví, spotřební elektronice, obraně a průmyslových aplikacích. Studie naznačují v roce 6 trh s přibližně 2020 miliardami dolarů, který do roku 10 poroste více než 2025x. V této oblasti působí několik hráčů, od start-upů financovaných rizikovými podniky až po velké hráče, jako jsou Panasonic a Phillips Lighting. Příležitost je přesvědčivá, zvláště ve světě, kde objem dat exploduje a efektivní přístup k těmto datům je naprosto nezbytný. Existují výzvy – fluorescenční osvětlení je třeba nahradit LED žárovkami s modulační elektronikou, musí být nasazena komunikační infrastruktura a software a musí být dokončeny standardy provozuschopnosti (standard IEEE 802.11 bb Light Communication Standard je v současné době ve vývoji).

Poslední dobou, se objevily laserové světlomety. Technologie pro výrobu vysoce výkonného bílého laserového osvětlení (vlnová délka 400-700 nm) pomocí kombinace modrých laserových diod (vlnová délka 440-450 nm) spojených s luminiscenčním fosforem byla vyvinuta v Soraa Laser Diodes (SLD, získané Kyocera v r. 2020, aby vznikla Kyocera SLD nebo KSLD). Mezi její zakladatele patří Dr. Shuji Nakamura, který získal Nobelovu cenu v roce 2014. Profesor Haas a John Peek (ex-CTO společnosti Phillips Automotive Lighting) jsou v jejich poradním sboru. Jejich vlajkovou lodí je motor LaserLight™, který poskytuje vysoce intenzivní osvětlení pro osvětlení vozovky na vzdálenost 650 m (1 km je možný, ale v současné době je omezen předpisy). Tyto světelné zdroje se vyrábí od roku 2019 pro model BMW řady 5 a nově také pro elektrická SUV iX3 a iX4.

LiFi funguje tak, že moduluje světelný zdroj a integruje optické přijímače do viditelné vlnové délky, které dokážou zachytit fotony a přeměnit je na elektrony (tyto vlnové délky jsou při vysoké intenzitě bezpečné pro oči). Modulace je rychlá, není pozorovatelná lidským okem a může nastat s nebo bez ovládání funkce osvětlení světelného zdroje. Lasery poskytují významné výhody rychlosti a kapacity oproti LED pro LiFi a datovou komunikaci. Toto je změna hry pro komunikaci V2X, protože bezpečnost se stává prvořadým se zvýšenou úrovní autonomního řízení v osobních a nákladních vozidlech. Obrázek 3 znázorňuje, jak by LiFi mohla fungovat v automobilovém prostředí.

Podle Paula Rudyho, marketingového ředitele KSLD, „Simulovaná emise (u laserů) versus spontánní emise (u LED) umožňuje vyšší hustotu výkonu a vynikající tvar paprsku se 100x vyšším jasem a 10x vyšším dosahem“. To vede k následujícím klíčovým výhodám laserového osvětlení (vs LED) pro LiFi:

• 5X užší prostorový a spektrální profil
• >100x rychlejší komunikace a snímání (lasery lze modulovat na 10 GHz oproti 100 MHz pro LED)

Vzhledem k tomu, že zvýšená úroveň autonomie je začleněna do silničních vozidel a nákladních vozidel (L3 a L4), zvyšuje se typ a počet senzorů potřebných k zajištění bezpečnosti a účinnosti (kamery, radary, LiDAR, IMU, GPS atd.). To vede k masivní explozi dat, z nichž některá jsou zpracovávána palubními počítači (odhady uvádějí ~10 TB/hod generovaných ze senzorů na autonomních vozidlech). Myšlenka bezpečného sdílení těchto dat s jinými vozidly a pevnou infrastrukturou (V2X) je aktivní oblastí diskusí a výzkumu. DSRC (dedicated short-range communications) a celulární konektivita jsou již používány nebo hrozí. S postupující revolucí CAVE však těmto řešením dojde kapacita a šířka pásma pro podporu sdílení informací s nízkou latencí. LiFi je potenciální řešení. LaserLight™ používaný pro osvětlení lze také použít k bezpečnému přenosu velkého množství dat mezi vozidly nebo k přijímačům založeným na dopravní infrastruktuře. Přestože je laserové osvětlení o 20–30 % dražší než osvětlení LED, přidaná funkce LiFi může potenciálně pomoci snížit počet palubních senzorů a výpočetních zdrojů potřebných pro autonomní provoz.

Profesor Haas naznačuje následující výzvy pro umožnění komunikace LiFi pro pozemní dopravu: „Připojení vozidel na různé vzdálenosti a rychlosti při zajištění spolehlivého datového připojení (při gigabitových přenosových rychlostech) s nulovým křížovým rušením vytváří zajímavé výzvy. Směrovost a rozsah zařízení LaserLight™ společnosti KSLD umožňují jejich efektivní řešení. V této fázi je to pouze otázka adopce. Za tímto účelem bude interoperabilita mezi automobily a souvisejícími normami nesmírně přínosná. Předvídám velmi světlou budoucnost LiFi v automobilovém sektoru pro V2X podporující autonomní řízení a zvýšenou bezpečnost silničního provozu. Těším se na spolupráci s KSLD, abychom tyto inovace přinesli na cesty“

Náklady jsou kritickým faktorem při výměně konvenčního halogenového a LED osvětlení ve vozidlech a dopravní infrastruktuře. Laserové osvětlení poskytuje výrazně vyšší výkon, ale bude zpočátku dražší (o 20–30 % vyšší) a nebude dostupné pro vozidla střední třídy. Jak bylo uvedeno výše, spojení osvětlení s funkcemi LiFi pomáhá, protože funkce V2X mohou snížit množství integrovaných senzorů a výpočetních zdrojů. Třetí funkce je také možná v produktu KSLD LaserLight™. Kromě modrých laserů na bázi GaN obsahuje polovodičová sestava také diodu GaAs laseru s vyšší vlnovou délkou (850 nm, 905 nm nebo 940 nm), která ve spojení s křemíkovým detektorem může poskytovat funkce pro zjišťování vzdálenosti a zobrazování pomocí LiDAR.

Prostor pro světlomety ve vozidle lze využít pro tři kritické funkce:

1. Osvětlení: využívá GaN laser + fosforovou luminiscenci k vytvoření bílého světla, které poskytuje ostré, přesné a dynamicky řízené osvětlení na základě vozovky, dopravy a světelných podmínek
2. LIFI: modulační obvod přidaný k výše uvedenému spolu s viditelným detektorem vlnové délky může poskytovat vysokorychlostní komunikaci V2X s nízkou latencí
3. Snímání a LiDAR: používá infračervený GaAs laser a detektor (vlnová délka 9XX nm) k poskytování jednoduchých informací o dosahu nebo složitějších mračen bodů LiDAR

Seskupení tří kritických funkcí (osvětlení, komunikace a snímání) do jediné sestavy světlometu poskytuje významné zisky v režii integrace vozidla (náklady, prostor, výkon) a snižuje celkové náklady na systém výměnou jiných senzorů. V této fázi je obtížné tyto úspory kvantifikovat, protože závisí na konkrétních integračních přístupech uplatňovaných výrobci vozidel. Je však rozumné dojít k závěru, že cenový příplatek za laserové osvětlení bude více než kompenzován spojením těchto přidaných funkcí.

George Lucas vytvořil fiktivní světelný meč (laserový energetický meč) před čtyřmi desetiletími a stal se oporou celé slavné filmové série Star Wars. Produkty jako LaserLight™ od KSLD jsou důležitou zbraní v našem arzenálu pro řešení problémů zvýšené autonomie v dopravě a vytváření bezpečného datového připojení s nízkou latencí mezi automobily a dopravní infrastrukturou. Ať je světlo s vámi.