Illuminazione laser, LiFi e LiDAR

Il WiFi è integrato nelle nostre vite oggi. Il termine è nato circa quattro decenni fa (come stratagemma di marketing, progettato per fare rima con il termine "Hi-Fi") e ha rivoluzionato le comunicazioni personali, l'accesso a Internet, i social media e l'Internet of Things (IoT). Il WiFi utilizza onde radio modulate per comunicazioni dati wireless a corto raggio. DSRC (comunicazioni dedicate a corto raggio). La tecnologia si è rivelata fondamentale durante la recente pandemia, consentendo agli studenti di continuare ad apprendere e a molti professionisti di lavorare da remoto. A questo punto, è un alimento base della vita, come l'acqua e l'elettricità. LiFi utilizza la stessa idea, tranne per il fatto che utilizza la luce visibile modulata anziché le onde radio. È pronto a rivoluzionare molteplici applicazioni, una delle quali chiave è la comunicazione V2X (Vehicle to X dove X potrebbe essere veicoli, infrastrutture del traffico, illuminazione stradale, ecc.), che è un fattore critico per i veicoli connessi e autonomi (CAVE).

Harald Haas, professore all'Università di Strathclyde/Glasgow, ha tenuto un seminario TED talk intitolato “Dati wireless da ogni lampadina" nel 2011. La presentazione includeva una dimostrazione fisica della trasmissione video in tempo reale utilizzando una lampadina a LED visibile. Ha coniato il termine LiFi (fedeltà leggera) e ha dipinto un quadro convincente di come potrebbe fornire requisiti di dati sempre crescenti utilizzando la base installata di miliardi di lampadine negli spazi pubblici e nelle automobili. Il professor Haas ha discusso quattro questioni chiave che devono affrontare il Wi-Fi tradizionale (che utilizza le onde radio): disponibilità, efficienza, capacità e sicurezza. LiFi ha il potenziale per risolverli per ordini di grandezza, utilizzando una base già installata di infrastrutture di illuminazione. Il trasporto intelligente (attraverso l'uso di veicoli e infrastrutture intelligenti) può sfruttare questi vantaggi per migliorare l'autonomia e l'efficienza sicure.

L'ultimo decennio ha visto una maggiore proliferazione dell'illuminazione a LED nelle case, nelle industrie, nelle automobili e nelle infrastrutture del traffico. Insieme a un'illuminazione più efficiente ed ecologica, le applicazioni LiFi sono cresciute anche nell'aviazione, nella sanità, nell'elettronica di consumo, nella difesa e nelle applicazioni industriali. Gli studi indicano un mercato di circa 6 miliardi di dollari nel 2020, in crescita di un fattore > 10 volte entro il 2025. Diversi attori, dalle start-up finanziate da venture capital ai grandi attori come Panasonic e Phillips Lighting, sono attivi in ​​quest'area. L'opportunità è interessante, soprattutto in un mondo in cui il volume di dati sta esplodendo e l'accesso efficiente a questi dati è fondamentale. Ci sono sfide: l'illuminazione fluorescente deve essere sostituita da lampadine a LED con elettronica modulante, l'infrastruttura di comunicazione e il software devono essere implementati e gli standard di operabilità devono essere finalizzati (lo standard di comunicazione della luce IEEE 802.11 bb è attualmente in fase di sviluppo).

Più recentemente, sono emersi fari basati su laser. La tecnologia per la produzione di illuminazione laser bianca ad alta potenza (lunghezza d'onda 400-700 nm) utilizzando una combinazione di diodi laser blu (lunghezza d'onda 440-450 nm) accoppiata a un fosforo luminescente è stata sviluppata presso Soraa Laser Diodes (SLD, acquisita da Kyocera in 2020, per formare Kyocera SLD o KSLD). I suoi fondatori includono il dottor Shuji Nakamura che ha vinto il premio Nobel nel 2014. Il professor Haas e John Peek (ex CTO di Phillips Automotive Lighting) fanno parte del loro comitato consultivo. Il loro prodotto automobilistico di punta è il motore LaserLight™ che fornisce un'illuminazione ad alta intensità per illuminare la carreggiata a una distanza di 650 m (1 km è possibile, ma è attualmente vincolato dalle normative). Queste sorgenti luminose sono in produzione dal 2019 per il modello BMW Serie 5 e, più recentemente, per i SUV elettrici iX3 e iX4.

LiFi funziona modulando la sorgente luminosa e integrando ricevitori ottici nella lunghezza d'onda visibile in grado di catturare fotoni e trasformarli in elettroni (queste lunghezze d'onda sono sicure per gli occhi a livelli di intensità elevata). La modulazione è rapida, non osservabile dall'occhio umano, e può avvenire con o senza azionare la funzione di illuminazione della sorgente luminosa. I laser offrono vantaggi significativi in ​​termini di velocità e capacità rispetto ai LED per LiFi e comunicazioni dati. Questo è un punto di svolta per le comunicazioni V2X poiché la sicurezza diventa fondamentale con l'aumento dei livelli di guida autonoma in auto e camion. La Figura 3 è un'illustrazione di come LiFi potrebbe funzionare in un ambiente automobilistico.

Secondo Paul Rudy, Chief Marketing Officer di KSLD, "l'emissione simulata (nei laser) rispetto all'emissione spontanea (nei LED) consente una maggiore densità di potenza e una forma del raggio superiore, con una luminosità 100 volte superiore e una gamma 10 volte superiore”. Ciò porta ai seguenti vantaggi chiave dell'illuminazione basata su laser (rispetto ai LED) per LiFi:

• Profilo spaziale e spettrale 5 volte più stretto
• > Comunicazione e rilevamento 100 volte più veloci (i laser possono essere modulati a 10 GHz rispetto a 100 MHz per i LED)

Poiché maggiori livelli di autonomia sono incorporati nei veicoli stradali e negli autocarri (L3 e L4), aumenta il tipo e il numero di sensori necessari per garantire sicurezza ed efficienza (telecamere, radar, LiDAR, IMU, GPS, ecc.). Ciò porta a una massiccia esplosione di dati, alcuni dei quali vengono elaborati con i computer di bordo (le stime indicano circa 10 TB/ora generati dai sensori sui veicoli autonomi). L'idea di condividere questi dati in modo sicuro con altri veicoli e infrastrutture fisse (V2X) è un'area attiva di discussione e ricerca. DSRC (comunicazioni dedicate a corto raggio) e connettività cellulare sono già utilizzate o imminenti. Tuttavia, con il progredire della rivoluzione CAVE, queste soluzioni esauriranno la capacità e la larghezza di banda per supportare la condivisione delle informazioni a bassa latenza. LiFi è una potenziale soluzione. Il LaserLight™ utilizzato per l'illuminazione può essere utilizzato anche per trasmettere grandi quantità di dati in modo sicuro tra veicoli oa ricevitori basati sull'infrastruttura del traffico. Sebbene l'illuminazione laser abbia un costo superiore del 20-30% rispetto all'illuminazione a LED, la funzionalità LiFi aggiunta può potenzialmente aiutare a ridurre il numero di sensori integrati e le risorse di calcolo necessarie per il funzionamento autonomo.

Il professor Haas indica le seguenti sfide per abilitare le comunicazioni LiFi per il trasporto terrestre: “Collegare veicoli a distanze e velocità variabili, garantendo al contempo connessioni dati affidabili (a velocità di trasmissione gigabit) con zero interferenze incrociate crea sfide interessanti. La direzionalità e la gamma dei dispositivi LaserLight™ di KSLD consentono di affrontarli in modo efficace. In questa fase, è solo una questione di adozione. A tal fine, l'interoperabilità tra le automobili e gli standard correlati sarà estremamente vantaggiosa. Prevedo un futuro molto luminoso di LiFi nel settore automobilistico per il V2X che supporta la guida autonoma e una maggiore sicurezza stradale. Non vedo l'ora di lavorare con KSLD per portare queste innovazioni sulla strada”

Il costo è un fattore critico nella sostituzione dell'illuminazione alogena convenzionale e LED nei veicoli e nelle infrastrutture di trasporto. L'illuminazione laser offre prestazioni significativamente più elevate, ma inizialmente avrà un prezzo più alto (20-30% in più) e non accessibile per i veicoli di fascia media. Come discusso in precedenza, il raggruppamento dell'illuminazione con le funzionalità LiFi aiuta poiché le funzionalità V2X possono ridurre la quantità di sensori integrati e risorse di calcolo. Una terza funzione è possibile anche nel prodotto LaserLight™ di KSLD. Oltre ai laser blu basati su GaN, l'assieme semiconduttore include anche un diodo laser GaAs a lunghezza d'onda maggiore (850 nm, 905 nm o 940 nm) che, in combinazione con un rivelatore al silicio, può fornire capacità di rilevamento del raggio e di imaging LiDAR.

Lo spazio per i fari in un veicolo può essere utilizzato per tre funzioni critiche:

1. Illuminazione: utilizza la luminescenza laser GaN + fosforo per creare luce bianca per fornire un'illuminazione nitida, precisa e dinamicamente controllata in base alla strada, al traffico e alle condizioni di illuminazione
2. Abitare: un circuito di modulazione aggiunto a quanto sopra, insieme a un rilevatore di lunghezza d'onda visibile può fornire comunicazioni V2X ad alta velocità e bassa latenza
3. Rilevamento e LiDAR: utilizza un laser e un rivelatore GaAs a infrarossi (lunghezza d'onda 9XX nm) per fornire informazioni sulla portata semplice o nuvole di punti LiDAR più complesse

Il raggruppamento di tre funzioni critiche (illuminazione, comunicazione e rilevamento) in un unico gruppo faro fornisce guadagni significativi nelle spese generali di integrazione del veicolo (costo, spazio, potenza) e riduce i costi complessivi del sistema sostituendo altri sensori. È difficile quantificare questi risparmi in questa fase poiché dipendono da approcci di integrazione specifici perseguiti dai produttori di veicoli. Ma è ragionevole concludere che il sovrapprezzo per l'illuminazione laser sarà più che compensato dal raggruppamento di queste funzionalità aggiuntive.

George Lucas ha creato il spada laser immaginaria (spada a energia laser) quattro decenni fa ed è diventato un pilastro durante il famoso franchise di film di Star Wars. Passando rapidamente al presente, prodotti come LaserLight™ di KSLD sono un'arma importante nel nostro arsenale per risolvere le sfide di una maggiore autonomia nei trasporti e creare una connettività dati sicura ea bassa latenza tra le auto e l'infrastruttura del traffico. Possa la luce essere con te.