نور لیزر، LiFi و LiDAR

وای فای امروزه در زندگی ما جاسازی شده است. این اصطلاح حدود چهار دهه پیش (به عنوان یک ترفند بازاریابی، طراحی شده برای همخوانی با اصطلاح "Hi-Fi") ایجاد شد و ارتباطات شخصی، دسترسی به اینترنت، رسانه های اجتماعی و اینترنت اشیا (IoT) را متحول کرد. WiFi از امواج رادیویی مدوله شده برای ارتباطات داده های بی سیم کوتاه برد استفاده می کند. DSRC (ارتباطات کوتاه برد اختصاصی). این فناوری در طول همه گیری اخیر بسیار مهم بود و به دانش آموزان اجازه می داد به یادگیری ادامه دهند و بسیاری از متخصصان از راه دور کار کنند. در این مرحله، یک عنصر اساسی زندگی است - مانند آب و برق. LiFi از همین ایده استفاده می کند، با این تفاوت که از نور مرئی مدوله شده به جای امواج رادیویی استفاده می کند. این برنامه می‌تواند چندین برنامه را متحول کند، یکی از کلیدی‌ترین آن‌ها ارتباطات V2X (خودرو به X که X می‌تواند وسایل نقلیه، زیرساخت‌های ترافیکی، روشنایی جاده‌ها و غیره باشد) است که یک عامل حیاتی برای وسایل نقلیه متصل و خودمختار (CAVE) است.

هارالد هاس، استاد دانشگاه Strathclyde/Glasgow، یک سخنرانی مهم در TED با عنوان «داده های بی سیم از هر لامپ" در سال 2011. این ارائه شامل یک نمایش فیزیکی از انتقال ویدئو در زمان واقعی با استفاده از یک لامپ مبتنی بر LED قابل مشاهده بود. او این اصطلاح را ابداع کرد LiFi (Light Fidelity) و تصویری قانع‌کننده از اینکه چگونه می‌تواند با استفاده از پایه نصب شده از میلیاردها لامپ در فضاهای عمومی و اتومبیل‌ها، نیازهای روزافزون داده‌ای را ارائه کند، ترسیم کرد. پروفسور هاس در مورد چهار موضوع کلیدی که وای فای سنتی (با استفاده از امواج رادیویی) با آن مواجه است بحث کرد: در دسترس بودن، کارایی، ظرفیت و امنیت. LiFi این پتانسیل را دارد که با استفاده از یک پایه زیرساخت روشنایی از قبل نصب شده، این موارد را با دستورات بزرگ حل کند. حمل و نقل هوشمند (از طریق استفاده از وسایل نقلیه هوشمند و زیرساخت) می تواند از این مزایا برای افزایش استقلال و کارایی ایمن استفاده کند.

در دهه گذشته شاهد گسترش روزافزون روشنایی مبتنی بر LED در خانه‌ها، صنایع، خودروها و زیرساخت‌های ترافیکی بوده‌ایم. همراه با روشنایی کارآمدتر و سازگار با محیط زیست، برنامه های کاربردی LiFi در هوانوردی، مراقبت های بهداشتی، الکترونیک مصرفی، دفاع و کاربردهای صنعتی نیز رشد کرده اند. مطالعات نشان می دهد یک بازار ~ 6 میلیارد دلاری در سال 2020، که تا سال 10 با ضریب بیش از 2025 برابری رشد می کند. بازیگران متعددی از استارت آپ های سرمایه گذاری شده تا بازیگران بزرگی مانند پاناسونیک و فیلیپس لایتینگ در این زمینه فعال هستند. این فرصت قانع کننده است، به خصوص در دنیایی که حجم داده ها در حال انفجار است و دسترسی کارآمد به این داده ها ضروری است. چالش‌هایی وجود دارد - لامپ‌های فلورسنت باید با لامپ‌های ال‌ای‌دی با وسایل الکترونیکی تعدیل‌کننده جایگزین شوند، زیرساخت‌های ارتباطی و نرم‌افزار باید مستقر شوند، و استانداردهای عملیاتی باید نهایی شوند (استاندارد ارتباط نوری IEEE 802.11 bb در حال حاضر در حال توسعه است).

اخیرا، چراغ های جلو مبتنی بر لیزر ظاهر شده اند. فناوری تولید نور لیزر سفید با قدرت بالا (طول موج 400 تا 700 نانومتر) با استفاده از ترکیبی از دیودهای لیزر آبی (طول موج 440 تا 450 نانومتر) همراه با فسفر درخشان در Soraa Laser Diodes (SLD، خریداری شده توسط Kyocera در 2020، برای تشکیل Kyocera SLD یا KSLD). بنیانگذاران آن عبارتند از دکتر شوجی ناکامورا که در سال 2014 برنده جایزه نوبل شد. پروفسور هاس و جان پیک (CTO سابق نورپردازی خودرو فیلیپس) در هیئت مشاوران آنها هستند. محصول شاخص خودروی آنها موتور LaserLight™ است که روشنایی با شدت بالا را برای روشن کردن جاده در برد 650 متر ارائه می دهد (1 کیلومتر امکان پذیر است، اما در حال حاضر توسط مقررات محدود شده است). این منابع نوری از سال 2019 برای مدل سری 5 بی‌ام‌و و اخیراً برای شاسی‌بلندهای الکتریکی iX3 و iX4 تولید شده‌اند.

LiFi با تعدیل منبع نور و ادغام گیرنده های نوری در طول موج مرئی عمل می کند که می توانند فوتون ها را گرفته و آنها را به الکترون تبدیل کنند (این طول موج ها در سطوح با شدت بالا برای چشم ایمن هستند). مدولاسیون سریع است و توسط چشم انسان قابل مشاهده نیست و می تواند با یا بدون عملکرد عملکرد روشنایی منبع نور رخ دهد. لیزرها مزایای قابل توجهی در سرعت و ظرفیت نسبت به LED ها برای ارتباطات LiFi و داده ارائه می دهند. این یک تغییر دهنده بازی برای ارتباطات V2X است زیرا ایمنی با افزایش سطح رانندگی خودران در اتومبیل ها و کامیون ها بسیار مهم می شود. شکل 3 تصویری از نحوه عملکرد LiFi در یک محیط خودرو است.

به گفته پل رودی، مدیر ارشد بازاریابی KSLD، انتشار شبیه سازی شده (در لیزر) در مقابل انتشار خود به خود (در LED ها) چگالی توان بالاتر و شکل پرتو برتر را با 100 برابر روشنایی بیشتر و 10 برابر برد بیشتر امکان پذیر می کند.". این منجر به مزایای کلیدی زیر برای روشنایی مبتنی بر لیزر (در مقابل LED) برای LiFi می شود:

• 5 برابر مشخصات فضایی و طیفی باریکتر
• 100 برابر ارتباط و سنجش سریعتر (لیزرها را می توان در فرکانس 10 گیگاهرتز در مقابل 100 مگاهرتز برای LED ها مدوله کرد)

با افزایش سطح استقلال در وسایل نقلیه جاده ای و کامیون ها (L3 و L4)، نوع و تعداد سنسورهای مورد نیاز برای اطمینان از ایمنی و کارایی افزایش می یابد (دوربین، رادار، LiDAR، IMU، GPS و غیره). این منجر به انفجار عظیم داده‌ها می‌شود که برخی از آنها با رایانه‌های داخلی پردازش می‌شوند (برآوردها نشان می‌دهند که حدود 10 ترابایت در ساعت تولید شده از حسگرهای وسایل نقلیه خودران). ایده اشتراک گذاری ایمن این داده ها با سایر وسایل نقلیه و زیرساخت های ثابت (V2X) یک حوزه فعال بحث و تحقیق است. DSRC (ارتباطات کوتاه برد اختصاصی) و اتصال سلولی در حال حاضر استفاده شده یا قریب الوقوع است. با این حال، با پیشرفت انقلاب CAVE، ظرفیت و پهنای باند این راه حل ها برای پشتیبانی از اشتراک گذاری اطلاعات با تأخیر کم تمام می شود. LiFi یک راه حل بالقوه است. LaserLight™ مورد استفاده برای روشنایی همچنین می تواند برای انتقال مقادیر زیادی داده به طور ایمن بین وسایل نقلیه یا گیرنده های مبتنی بر زیرساخت ترافیک استفاده شود. اگرچه هزینه نور لیزر 20 تا 30 درصد بیشتر از روشنایی LED است، عملکرد LiFi اضافه شده به طور بالقوه می تواند به کاهش تعداد حسگرهای داخلی و منابع محاسباتی مورد نیاز برای عملکرد مستقل کمک کند.

پروفسور هاس چالش های زیر را برای فعال کردن ارتباطات LiFi برای حمل و نقل زمینی نشان می دهد: "اتصال وسایل نقلیه در فواصل و سرعت های مختلف در حالی که اطمینان از اتصال داده قابل اعتماد (در سرعت انتقال گیگابیت) با تداخل متقابل صفر، چالش های جالبی را ایجاد می کند. جهت و دامنه دستگاه های LaserLight™ KSLD به آنها اجازه می دهد تا به طور موثر مورد بررسی قرار گیرند. در این مرحله، بحث صرفاً فرزندخواندگی است. برای این منظور، قابلیت همکاری بین خودروها و استانداردهای مرتبط بسیار سودمند خواهد بود. من آینده بسیار روشن LiFi را در بخش خودرو برای V2X پیش‌بینی می‌کنم که از رانندگی مستقل و افزایش ایمنی جاده پشتیبانی می‌کند. من مشتاقانه منتظر همکاری با KSLD هستم تا این نوآوری ها را به جاده بیاورم.

هزینه یک عامل مهم در جایگزینی هالوژن معمولی و روشنایی LED در وسایل نقلیه و زیرساخت های حمل و نقل است. روشنایی لیزری عملکرد قابل توجهی بالاتری ارائه می دهد، اما در ابتدا با قیمت بالاتری (20 تا 30 درصد بالاتر) خواهد بود و برای خودروهای میان رده مقرون به صرفه نیست. همانطور که در بالا توضیح داده شد، همراه کردن نور با قابلیت های LiFi کمک می کند زیرا قابلیت های V2X می تواند میزان حسگر داخلی و منابع محاسبه را کاهش دهد. عملکرد سوم نیز در محصول LaserLight™ KSLD امکان پذیر است. جدا از لیزرهای آبی مبتنی بر GaN، مجموعه نیمه هادی همچنین دارای یک لیزر GaAs با طول موج بالاتر (850 نانومتر، 905 نانومتر یا 940 نانومتر) است که در ارتباط با یک آشکارساز سیلیکونی می‌تواند قابلیت‌های برد یاب و تصویربرداری LiDAR را فراهم کند.

از فضای چراغ جلو در یک وسیله نقلیه می توان برای سه عملکرد حیاتی استفاده کرد:

1. روشنایی: از لیزر GaN + لومینسانس فسفر برای ایجاد نور سفید برای ارائه روشنایی دقیق، دقیق و پویا بر اساس شرایط جاده، ترافیک و روشنایی استفاده می کند.
2. LiFi: یک مدار مدولاسیون اضافه شده به موارد فوق به همراه یک آشکارساز طول موج مرئی می تواند ارتباطات V2X با سرعت بالا و تاخیر کم را فراهم کند.
3. Sensing و LiDAR: از لیزر و آشکارساز GaAs مادون قرمز (طول موج 9XX نانومتر) برای ارائه اطلاعات برد ساده یا ابرهای نقطه LiDAR پیچیده تر استفاده می کند.

مجموعه سه عملکرد حیاتی (روشنایی، ارتباط و حسگر) در یک مجموعه چراغ جلو، دستاوردهای قابل توجهی را در سربار یکپارچه سازی خودرو (هزینه، فضا، قدرت) فراهم می کند و با جایگزینی سنسورهای دیگر، هزینه های کلی سیستم را کاهش می دهد. تعیین کمیت این صرفه‌جویی‌ها در این مرحله دشوار است، زیرا این صرفه‌جویی‌ها به رویکردهای یکپارچه‌سازی خاصی که توسط سازندگان خودرو دنبال می‌شود، بستگی دارد. اما منطقی است که نتیجه بگیریم که قیمت پرمیوم برای روشنایی لیزر با مجموعه این قابلیت‌های اضافه‌شده جبران خواهد شد.

جورج لوکاس را ایجاد کرد Lightsabre خیالی (شمشیر انرژی لیزری) چهار دهه پیش و به یک ستون اصلی در سراسر فرانچایز مشهور فیلم جنگ ستارگان تبدیل شد. محصولاتی مانند KSLD's LaserLight™ سلاح مهمی در زرادخانه ما برای حل چالش‌های افزایش استقلال در حمل‌ونقل و ایجاد اتصال داده ایمن و کم تاخیر بین خودروها و زیرساخت‌های ترافیک هستند. باشد که نور با شما باشد.