Laser Lighting, LiFi At LiDAR

Ang WiFi ay naka-embed sa ating buhay ngayon. Ang termino ay nagmula mga apat na dekada na ang nakalipas (bilang isang marketing ploy, na idinisenyo upang tumutugma sa terminong "Hi-Fi") at binago ang mga personal na komunikasyon, pag-access sa internet, social media at ang Internet of Things (IoT). Gumagamit ang WiFi ng mga modulated radio wave para sa mga short-range na wireless data communications. DSRC (nakalaang mga short-range na komunikasyon). Ang teknolohiya ay napatunayang kritikal sa panahon ng kamakailang pandemya, na nagpapahintulot sa mga mag-aaral na magpatuloy sa pag-aaral at maraming mga propesyonal na magtrabaho nang malayuan. Sa puntong ito, ito ay isang pangunahing staple ng buhay - tulad ng tubig at kuryente. Ginagamit ng LiFi ang parehong ideya, maliban kung gumagamit ito ng modulated na nakikitang liwanag kaysa sa mga radio wave. Nakahanda itong baguhin ang maramihang mga aplikasyon, ang pangunahing isa ay ang V2X (Vehicle to X kung saan ang X ay maaaring mga sasakyan, imprastraktura ng trapiko, ilaw sa daanan, atbp.) na mga komunikasyon na isang kritikal na enabler para sa mga konektado at autonomous na sasakyan (CAVE).

Harald Haas, isang propesor sa Unibersidad ng Strathclyde/Glasgow, nagbigay ng isang mahalagang TED talk na pinamagatang “Wireless Data mula sa Bawat Light Bulb" noong 2011. Kasama sa presentasyon ang isang pisikal na pagpapakita ng real-time na pagpapadala ng video gamit ang nakikitang LED-based na bumbilya. Siya ang gumawa ng termino LiFi (Light Fidelity) at nagpinta ng isang nakakahimok na larawan kung paano ito makapaghahatid ng patuloy na pagtaas ng mga kinakailangan sa data gamit ang naka-install na base ng bilyun-bilyong bombilya sa mga pampublikong espasyo at sasakyan. Tinalakay ni Propesor Haas ang apat na pangunahing isyu na kinakaharap ng tradisyonal na WiFi (gamit ang mga radio wave) – availability, kahusayan, kapasidad at seguridad. Ang LiFi ay may potensyal na lutasin ang mga ito sa pamamagitan ng mga order ng magnitude, gamit ang naka-install na base ng imprastraktura ng ilaw. Maaaring gamitin ng matalinong transportasyon (sa pamamagitan ng paggamit ng mga matalinong sasakyan at imprastraktura) ang mga benepisyong ito para mapahusay ang ligtas na awtonomiya at kahusayan.

Ang nakaraang dekada ay nakakita ng mas mataas na paglaganap ng LED-based na ilaw sa mga tahanan, industriya, sasakyan at imprastraktura ng trapiko. Kasama ng mas mahusay at environment friendly na pag-iilaw, lumago rin ang mga LiFi application sa aviation, healthcare, consumer electronics, defense, at industrial application. Ipahiwatig ang mga pag-aaral isang ~$6B na merkado sa 2020, lumalago ng salik na > 10X pagsapit ng 2025. Aktibo sa lugar na ito ang maraming manlalaro mula sa mga start-up na pinondohan ng venture hanggang sa malalaking manlalaro tulad ng Panasonic at Phillips Lighting. Ang pagkakataon ay nakakahimok, lalo na sa isang mundo kung saan ang dami ng data ay sumasabog at ang pag-access sa data na ito nang mahusay ay kinakailangan. May mga hamon – kailangang palitan ang fluorescent lighting ng mga LED na bombilya na may modulating electronics, kailangang i-deploy ang imprastraktura ng komunikasyon at software, at kailangang ma-finalize ang mga operability standards (kasalukuyang ginagawa ang IEEE 802.11 bb Light Communication Standard).

Higit pang mga kamakailan, Ang mga headlamp na nakabatay sa laser ay lumitaw. Ang teknolohiya para sa paggawa ng high-power, white laser illumination (400-700 nm wavelength) gamit ang kumbinasyon ng blue laser diodes (440-450 nm wavelength) na isinama sa isang luminescent phosphor ay binuo sa Soraa Laser Diodes (SLD, na nakuha ng Kyocera noong 2020, upang mabuo ang Kyocera SLD o KSLD). Kabilang sa mga tagapagtatag nito si Dr. Shuji Nakamura na nanalo ng premyong Nobel noong 2014. Sina Propesor Haas at John Peek (ex-CTO ng Phillips Automotive Lighting) ay nasa kanilang advisory board. Ang kanilang flagship automotive na produkto ay ang LaserLight™ engine na nagbibigay ng mataas na intensity na pag-iilaw upang maipaliwanag ang daanan sa hanay na 650 m (posible ang 1 km, ngunit kasalukuyang pinipigilan ng mga regulasyon). Ang mga light source na ito ay nasa produksyon mula noong 2019 para sa BMW's Series 5 model, at mas kamakailan para sa iX3 at iX4 electric SUV.

Gumagana ang LiFi sa pamamagitan ng pagmodulate sa pinagmumulan ng liwanag at pagsasama ng mga optical receiver sa nakikitang wavelength na maaaring kumuha ng mga photon at gawing mga electron (ang mga wavelength na ito ay ligtas sa mata sa mga antas ng mataas na intensity). Ang modulasyon ay mabilis, hindi nakikita ng mata ng tao, at maaaring mangyari nang mayroon o walang pagpapatakbo ng pag-andar ng pag-iilaw ng pinagmumulan ng liwanag. Nagbibigay ang mga laser ng makabuluhang bentahe ng bilis at kapasidad kaysa sa mga LED para sa LiFi at mga komunikasyon sa data. Ito ay isang game-changer para sa mga komunikasyon sa V2X dahil ang kaligtasan ay nagiging pinakamahalaga sa mga pagtaas ng antas ng autonomous na pagmamaneho sa mga kotse at trak. Ang Figure 3 ay isang paglalarawan kung paano maaaring gumana ang LiFi sa isang automotive na kapaligiran.

Ayon kay Paul Rudy, Chief Marketing Officer ng KSLD, “Ang simulate emission (sa mga laser) kumpara sa spontaneous emission (sa LEDs) ay nagbibigay-daan sa mas mataas na power density at superior beam shape, na may 100X na mas mataas na ningning at 10X na mas mataas na range”. Ito ay humahantong sa mga sumusunod na pangunahing bentahe ng laser-based na pag-iilaw (kumpara sa mga LED) para sa LiFi:

• 5X mas makitid na spatial at spectral na profile
• >100x na mas mabilis na komunikasyon at sensing (maaaring baguhin ang mga laser sa 10 GHz vs 100 MHz para sa mga LED)

Habang ang mas mataas na antas ng awtonomiya ay isinama sa mga sasakyan sa kalsada at mga trak (L3 at L4), ang uri at bilang ng mga sensor na kinakailangan upang matiyak ang pagtaas ng kaligtasan at kahusayan (mga camera, radar, LiDAR, IMU, GPS, atbp.). Ito ay humahantong sa isang napakalaking pagsabog ng data, ang ilan sa mga ito ay pinoproseso gamit ang mga onboard na computer (ang mga pagtatantya ay nagpapahiwatig ng ~10 TB/oras na nabuo mula sa mga sensor sa mga autonomous na sasakyan). Ang ideya ng ligtas na pagbabahagi ng data na ito sa iba pang mga sasakyan at fixed infrastructure (V2X) ay isang aktibong bahagi ng talakayan at pananaliksik. Ginagamit na o malapit na ang DSRC (nakalaang mga short-range na komunikasyon) at cellular connectivity. Gayunpaman, habang umuusad ang CAVE revolution, mauubusan ng kapasidad at bandwidth ang mga solusyong ito upang suportahan ang mababang pagbabahagi ng impormasyon sa latency. Ang LiFi ay isang potensyal na solusyon. Ang LaserLight™ na ginagamit para sa pag-iilaw ay maaari ding gamitin upang magpadala ng malaking halaga ng data nang ligtas sa pagitan ng mga sasakyan o sa mga receiver na nakabatay sa imprastraktura ng trapiko. Bagama't ang laser lighting ay 20-30% mas mataas sa gastos kaysa sa LED lighting, ang idinagdag na LiFi functionality ay maaaring makatulong na bawasan ang bilang ng mga onboard sensor at computing resources na kinakailangan para sa autonomous na operasyon.

Ipinapahiwatig ni Propesor Haas ang mga sumusunod na hamon sa pagpapagana ng mga komunikasyon sa LiFi para sa transportasyon sa lupa: "Ang pagkonekta ng mga sasakyan sa iba't ibang distansya at bilis habang tinitiyak ang maaasahang mga koneksyon ng data (sa gigabit na bilis ng transmission) na may zero cross-interference ay lumilikha ng mga kawili-wiling hamon. Ang direksyon at hanay ng mga aparatong LaserLight™ ng KSLD ay nagbibigay-daan sa mga ito na matugunan nang epektibo. Sa yugtong ito, ito ay isang katanungan lamang ng pag-aampon. Sa layuning ito, ang inter-operability sa pagitan ng mga kotse at mga kaugnay na pamantayan ay magiging lubhang kapaki-pakinabang. Nakikita ko ang napakaliwanag na hinaharap ng LiFi sa sektor ng sasakyan para sa V2X na sumusuporta sa autonomous na pagmamaneho at pinahusay na kaligtasan sa kalsada. Inaasahan ko ang pakikipagtulungan sa KSLD upang dalhin ang mga pagbabagong ito sa kalsada”

Ang gastos ay isang kritikal na kadahilanan sa pagpapalit ng maginoo na halogen at LED na ilaw sa mga sasakyan at imprastraktura ng transportasyon. Ang laser lighting ay nagbibigay ng makabuluhang mas mataas na performance, ngunit ito ay nasa premium na presyo sa simula (20-30% mas mataas) at hindi abot-kaya para sa mga mid-range na sasakyan. Gaya ng tinalakay sa itaas, nakakatulong ang pag-bundle ng pag-iilaw na may mga kakayahan sa LiFi dahil mababawasan ng mga kakayahan ng V2X ang dami ng onboard na sensor at mga mapagkukunan ng pag-compute. Posible rin ang ikatlong function sa produkto ng LaserLight™ ng KSLD. Bukod sa mga asul na laser na nakabatay sa GaN, kasama rin sa semiconductor assembly ang isang mas mataas na wavelength na GaAs laser (850 nm, 905 nm o 940 nm) diode na kasabay ng isang silicon detector ay maaaring magbigay para sa range-finding at LiDAR imaging na mga kakayahan.

Ang espasyo ng headlamp sa isang sasakyan ay maaaring gamitin para sa tatlong kritikal na function:

1. Pag-iilaw: gumagamit ng GaN laser + phosphor luminescence upang lumikha ng puting ilaw upang maghatid ng matalas, tumpak, at dynamic na kontroladong pag-iilaw batay sa kalsada, trapiko at mga kondisyon ng ilaw
2. LiFi: isang modulation circuit na idinagdag sa itaas, kasama ang isang nakikitang wavelength detector ay maaaring magbigay ng mataas na bilis, mababang latency na mga komunikasyong V2X
3. Sensing at LiDAR: gumagamit ng infrared na GaAs laser at detector (9XX nm wavelength) para magbigay ng simpleng impormasyon sa hanay o mas kumplikadong LiDAR point cloud

Ang pagsasama-sama ng tatlong kritikal na function (ilaw, komunikasyon at sensing) sa iisang headlamp assembly ay nagbibigay ng makabuluhang dagdag sa overhead ng integration ng sasakyan (gastos, espasyo, kapangyarihan) at binabawasan ang kabuuang gastos ng system sa pamamagitan ng pagpapalit ng iba pang mga sensor. Mahirap tukuyin ang mga matitipid na ito sa yugtong ito dahil ang mga ito ay nakasalalay sa mga partikular na paraan ng pagsasama-sama na hinahabol ng mga tagagawa ng sasakyan. Ngunit makatwirang isipin na ang premium ng presyo para sa laser lighting ay higit na mababawasan ng pagsasama-sama ng mga karagdagang functionality na ito.

Nilikha ni George Lucas ang kathang-isip na Lightsabre (laser energy sword) apat na dekada na ang nakalipas at naging mainstay ito sa buong sikat na Star Wars movie franchise. Mabilis na pagpapasa hanggang sa kasalukuyan, ang mga produkto tulad ng LaserLight™ ng KSLD ay isang mahalagang sandata sa aming arsenal para sa paglutas ng mga hamon ng pinataas na awtonomiya sa transportasyon at paglikha ng secure at mababang latency na koneksyon ng data sa pagitan ng mga sasakyan at imprastraktura ng trapiko. Sumainyo nawa ang liwanag.