إضاءة الليزر ، LiFi و LiDAR

شبكة WiFi جزء لا يتجزأ من حياتنا اليوم. نشأ هذا المصطلح منذ حوالي أربعة عقود (كحيلة تسويقية، مصممة لتتناغم مع مصطلح "Hi-Fi") وقد أحدث ثورة في الاتصالات الشخصية، والوصول إلى الإنترنت، ووسائل التواصل الاجتماعي، وإنترنت الأشياء (IoT). يستخدم WiFi موجات الراديو المعدلة لاتصالات البيانات اللاسلكية قصيرة المدى. DSRC (اتصالات مخصصة قصيرة المدى). أثبتت التكنولوجيا أهميتها خلال الوباء الأخير، مما سمح للطلاب بمواصلة التعلم والعديد من المهنيين للعمل عن بعد. وفي هذه المرحلة، أصبح من أساسيات الحياة – مثل الماء والكهرباء. تستخدم تقنية LiFi نفس الفكرة، باستثناء أنها تستخدم الضوء المرئي المعدل بدلاً من موجات الراديو. إنه مستعد لإحداث ثورة في العديد من التطبيقات، أهمها V2X (مركبة إلى X حيث يمكن أن تكون X عبارة عن مركبات، وبنية تحتية لحركة المرور، وإضاءة الطرق، وما إلى ذلك) الاتصالات التي تعد عامل تمكين بالغ الأهمية للمركبات المتصلة والمستقلة (CAVE).

هارالد هاس، أستاذ بجامعة ستراثكلايد/جلاسكو ألقى محاضرة TED مؤثرة بعنوان "البيانات اللاسلكية من كل مصباح كهربائي" في عام 2011. وتضمن العرض عرضًا ماديًا لنقل الفيديو في الوقت الفعلي باستخدام مصباح كهربائي مرئي يعتمد على LED. لقد صاغ هذا المصطلح LiFi (إخلاص خفيف) ورسمت صورة مقنعة لكيفية توفير متطلبات البيانات المتزايدة باستمرار باستخدام القاعدة المثبتة لمليارات المصابيح الكهربائية في الأماكن العامة والسيارات. ناقش البروفيسور هاس أربع قضايا رئيسية تواجهها شبكات WiFi التقليدية (باستخدام موجات الراديو)، وهي التوفر والكفاءة والسعة والأمان. تتمتع تقنية LiFi بالقدرة على حل هذه المشكلات من خلال استخدام قاعدة مثبتة بالفعل من البنية التحتية للإضاءة. ويمكن للنقل الذكي (من خلال استخدام المركبات الذكية والبنية التحتية) الاستفادة من هذه المزايا لتعزيز الاستقلالية والكفاءة الآمنة.

شهد العقد الماضي انتشارًا متزايدًا للإضاءة المعتمدة على LED في المنازل والصناعات والسيارات والبنية التحتية لحركة المرور. إلى جانب الإضاءة الأكثر كفاءة والصديقة للبيئة، نمت تطبيقات LiFi أيضًا في مجالات الطيران والرعاية الصحية والإلكترونيات الاستهلاكية والدفاع والتطبيقات الصناعية. تشير الدراسات سوق بقيمة 6 مليارات دولار تقريبًا في عام 2020، وسينمو بعامل > 10X بحلول عام 2025. وينشط العديد من اللاعبين بدءًا من الشركات الناشئة الممولة من المشاريع إلى اللاعبين الكبار مثل Panasonic وPhillips Lighting في هذا المجال. الفرصة مقنعة، خاصة في عالم يتزايد فيه حجم البيانات ويصبح الوصول إلى هذه البيانات بكفاءة أمرًا ضروريًا. هناك تحديات - يجب استبدال إضاءة الفلورسنت بمصابيح LED مع تعديل الإلكترونيات، ويجب نشر البنية التحتية للاتصالات والبرمجيات، ويجب وضع اللمسات الأخيرة على معايير التشغيل (معيار IEEE 802.11 bb Light Communication Standard قيد التطوير حاليًا).

وفي الآونة الأخيرة، ظهرت المصابيح الأمامية المعتمدة على الليزر. تم تطوير تقنية إنتاج إضاءة ليزر بيضاء عالية الطاقة (طول موجة 400-700 نانومتر) باستخدام مزيج من ثنائيات الليزر الزرقاء (طول موجة 440-450 نانومتر) مقترنة بفوسفور مضيء في شركة Soraa Laser Diodes (SLD، التي حصلت عليها كيوسيرا في 2020، لتشكيل كيوسيرا SLD أو KSLD). ومن بين مؤسسيها الدكتور شوجي ناكامورا الذي فاز بجائزة نوبل في عام 2014. والبروفيسور هاس وجون بيك (الرئيس التنفيذي السابق للتكنولوجيا في شركة فيليبس أوتوموتيف لايتنج) عضوان في مجلسهما الاستشاري. منتجهم الرائد في مجال السيارات هو محرك LaserLight™ الذي يوفر إضاءة عالية الكثافة لإضاءة الطريق على مسافة 650 مترًا (ممكن كيلومترًا واحدًا، ولكنه مقيد حاليًا باللوائح). تم إنتاج مصادر الضوء هذه منذ عام 1 لطراز BMW Series 2019، ومؤخرًا لسيارات الدفع الرباعي الكهربائية iX5 وiX3.

تعمل تقنية LiFi عن طريق تعديل مصدر الضوء ودمج أجهزة الاستقبال الضوئية في الطول الموجي المرئي الذي يمكنه التقاط الفوتونات وتحويلها إلى إلكترونات (هذه الأطوال الموجية آمنة للعين عند مستويات عالية الكثافة). يكون التعديل سريعًا، ولا يمكن ملاحظته بالعين البشرية، ويمكن أن يحدث مع أو بدون تشغيل وظيفة الإضاءة لمصدر الضوء. يوفر الليزر مزايا كبيرة في السرعة والسعة مقارنة بمصابيح LED الخاصة بتقنية LiFi واتصالات البيانات. يعد هذا بمثابة تغيير في قواعد اللعبة بالنسبة لاتصالات V2X حيث أصبحت السلامة ذات أهمية قصوى مع زيادة مستويات القيادة الذاتية في السيارات والشاحنات. ويوضح الشكل 3 كيفية عمل تقنية LiFi في بيئة السيارات.

وفقًا لبول رودي، الرئيس التنفيذي للتسويق في KSLD، "يتيح الانبعاث المحاكى (في الليزر) مقابل الانبعاث التلقائي (في مصابيح LED) كثافة طاقة أعلى وشكل شعاع فائق، مع سطوع أعلى بمقدار 100X ونطاق أعلى بمقدار 10X". يؤدي هذا إلى المزايا الرئيسية التالية للإضاءة المعتمدة على الليزر (مقابل مصابيح LED) لتقنية LiFi:

• ملف تعريف مكاني والطيفي أضيق بمقدار 5X
• > 100x اتصال واستشعار أسرع (يمكن تعديل أشعة الليزر بسرعة 10 جيجا هرتز مقابل 100 ميجا هرتز لمصابيح LED)

مع دمج مستويات متزايدة من الاستقلالية في مركبات الطرق والشاحنات (L3 وL4)، نوع وعدد أجهزة الاستشعار المطلوبة لضمان زيادة السلامة والكفاءة (الكاميرات، الرادارات، LiDARs، IMUs، GPS، وما إلى ذلك). ويؤدي هذا إلى انفجار هائل في البيانات، تتم معالجة بعضها باستخدام أجهزة الكمبيوتر الموجودة على متن السيارة (تشير التقديرات إلى ما يقرب من 10 تيرابايت في الساعة يتم توليدها من أجهزة الاستشعار الموجودة في المركبات ذاتية القيادة). تعد فكرة مشاركة هذه البيانات بشكل آمن مع المركبات الأخرى والبنية التحتية الثابتة (V2X) مجالًا نشطًا للمناقشة والبحث. DSRC (الاتصالات المخصصة قصيرة المدى) والاتصال الخلوي مستخدمة بالفعل أو وشيكة. ومع ذلك، مع تقدم ثورة CAVE، ستنفد سعة هذه الحلول وعرض النطاق الترددي لدعم تبادل المعلومات ذات زمن الوصول المنخفض. LiFi هو الحل المحتمل. يمكن أيضًا استخدام LaserLight™ المستخدم للإضاءة لنقل كميات كبيرة من البيانات بشكل آمن بين المركبات أو إلى أجهزة الاستقبال القائمة على البنية التحتية لحركة المرور. على الرغم من أن تكلفة إضاءة الليزر أعلى بنسبة 20-30% من إضاءة LED، إلا أن وظيفة LiFi المضافة يمكن أن تساعد في تقليل عدد أجهزة الاستشعار الموجودة على متن الطائرة وموارد الحوسبة اللازمة للتشغيل المستقل.

يشير البروفيسور هاس إلى التحديات التالية لتمكين اتصالات LiFi للنقل البري: "إن توصيل المركبات على مسافات وسرعات مختلفة مع ضمان اتصالات بيانات موثوقة (بسرعات نقل جيجابت) مع عدم وجود تداخل متقاطع يخلق تحديات مثيرة للاهتمام. إن اتجاه ونطاق أجهزة LaserLight™ الخاصة بـ KSLD تسمح بمعالجة هذه الأمور بشكل فعال. وفي هذه المرحلة، المسألة مجرد مسألة اعتماد. ولتحقيق هذه الغاية، فإن قابلية التشغيل البيني بين السيارات والمعايير ذات الصلة ستكون مفيدة للغاية. أتوقع مستقبلًا مشرقًا جدًا لتقنية LiFi في قطاع السيارات لتقنية V2X التي تدعم القيادة الذاتية وتعزيز السلامة على الطرق. وإنني أتطلع إلى العمل مع KSLD لجلب هذه الابتكارات إلى الطريق "

تعد التكلفة عاملاً حاسماً في استبدال إضاءة الهالوجين وإضاءة LED التقليدية في المركبات والبنية التحتية للنقل. توفر الإضاءة بالليزر أداءً أعلى بكثير، ولكنها ستكون بسعر أعلى في البداية (20-30٪ أعلى) ولن تكون في متناول المركبات متوسطة المدى. كما تمت مناقشته أعلاه، يساعد تجميع الإضاءة مع إمكانيات LiFi نظرًا لأن إمكانات V2X يمكن أن تقلل من كمية أجهزة الاستشعار المدمجة وموارد الحوسبة. هناك وظيفة ثالثة ممكنة أيضًا في منتج LaserLight™ الخاص بشركة KSLD. وبصرف النظر عن الليزر الأزرق المعتمد على GaN، تشتمل مجموعة أشباه الموصلات أيضًا على ليزر GaAs ذو طول موجي أعلى (850 نانومتر، 905 نانومتر أو 940 نانومتر) والذي يمكن أن يوفر، جنبًا إلى جنب مع كاشف السيليكون، إمكانية تحديد المدى وقدرات التصوير بتقنية LiDAR.

يمكن استخدام مساحة المصابيح الأمامية في السيارة لثلاث وظائف مهمة:

1. إضاءة: يستخدم ليزر GaN + تألق الفوسفور لإنشاء ضوء أبيض لتوفير إضاءة حادة ودقيقة ويتم التحكم فيها ديناميكيًا بناءً على ظروف الطريق وحركة المرور والإضاءة
2. لاي فاي: يمكن لدائرة تعديل مضافة إلى ما سبق، إلى جانب كاشف الطول الموجي المرئي، أن توفر اتصالات V2X عالية السرعة ومنخفضة الكمون
3. الاستشعار و LiDAR: يستخدم ليزر GaAs بالأشعة تحت الحمراء وكاشفًا (الطول الموجي 9XX نانومتر) لتوفير معلومات نطاق بسيطة أو سحب نقاط LiDAR أكثر تعقيدًا

إن تجميع ثلاث وظائف مهمة (الإضاءة والاتصالات والاستشعار) في مجموعة مصابيح أمامية واحدة يوفر مكاسب كبيرة في النفقات العامة لتكامل السيارة (التكلفة والمساحة والطاقة) ويقلل من تكاليف النظام الإجمالية عن طريق استبدال أجهزة الاستشعار الأخرى. ومن الصعب قياس هذه الوفورات في هذه المرحلة لأنها تعتمد على أساليب التكامل المحددة التي تتبعها الشركات المصنعة للمركبات. ولكن من المعقول أن نستنتج أن علاوة سعر الإضاءة بالليزر سيتم تعويضها بشكل أكبر من خلال تجميع هذه الوظائف الإضافية.

أنشأ جورج لوكاس سيف ضوئي خيالي (سيف طاقة الليزر) منذ أربعة عقود وأصبح الدعامة الأساسية في سلسلة أفلام حرب النجوم الشهيرة. وبالتقدم سريعًا إلى الوقت الحاضر، تعد المنتجات مثل LaserLight™ من KSLD سلاحًا مهمًا في ترسانتنا لحل تحديات زيادة الاستقلالية في النقل وإنشاء اتصال بيانات آمن ومنخفض الكمون بين السيارات والبنية التحتية لحركة المرور. نرجو أن يكون النور معك.