激光照明、LiFi 和 LiDAR

WiFi 已融入我們今天的生活。 這個術語起源於大約四十年前（作為一種行銷策略，旨在與「Hi-Fi」一詞押韻），並徹底改變了個人通訊、網路存取、社交媒體和物聯網 (IoT)。 WiFi 使用調製無線電波進行短距離無線數據通訊。 DSRC（專用短程通訊）。 在最近的大流行期間，事實證明該技術至關重要，它使學生能夠繼續學習，並使許多專業人員能夠遠距工作。 此時，它已成為生活的基本必需品——就像水和電一樣。 LiFi 使用相同的想法，只不過它使用調製的可見光而不是無線電波。 它有望徹底改變多種應用，其中一個關鍵是 V2X（車輛到 X，其中 X 可以是車輛、交通基礎設施、道路照明等）通信，它是聯網和自動駕駛車輛 (CAVE) 的關鍵推動者。

哈拉爾德‧哈斯 (Harald Haas)，格拉斯哥斯特拉斯克萊德大學教授， 發表了一場開創性的 TED 演講，題為 「來自每個燈泡的無線數據“ 2011 年。演示包括使用可見 LED 燈泡進行即時視訊傳輸的實體演示。 他創造了這個詞 LiFi（輕保真） 並描繪了一幅令人信服的圖景，展示瞭如何利用公共場所和汽車中已安裝的數十億個燈泡來滿足不斷增長的數據需求。 Haas 教授討論了傳統 WiFi（使用無線電波）面臨的四個關鍵問題：可用性、效率、容量和安全性。 LiFi 有潛力利用已安裝的照明基礎設施來解決這些問題。 智慧交通（透過使用智慧車輛和基礎設施）可以利用這些優勢來提高安全自主性和效率。

過去十年，基於 LED 的照明在家庭、工業、汽車和交通基礎設施中的應用日益普及。 除了更有效率、更環保的照明之外，LiFi 應用在航空、醫療保健、消費性電子、國防和工業應用中也有所成長。 研究表明 6 年市場規模約為 2020 億美元，到 10 年將成長 2025 倍以上。從創投新創公司到松下和飛利浦照明等大型企業，許多參與者都活躍在這一領域。 這個機會非常引人注目，尤其是在數據量爆炸性增長且高效存取這些數據勢在必行的世界中。 挑戰仍然存在——螢光燈需要被帶有調製電子裝置的 LED 燈泡取代，必須部署通訊基礎設施和軟體，並且需要最終確定可操作性標準（IEEE 802.11 bb 光通訊標準目前正在開發中）。

最近， 基於雷射的頭燈已經出現。 Soraa Laser Diodes（SLD，於 400 年被 Kyocera 收購）開發了使用藍色雷射二極體（700-440 nm 波長）與螢光粉結合產生高功率白色雷射照明（450-2020 nm 波長）的技術。組成京瓷SLD 或KSLD）。 其創辦人包括2014年諾貝爾獎得主中村修二博士。哈斯教授和約翰·皮克（飛利浦汽車照明公司前首席技術長）是其顧問委員會成員。 他們的旗艦汽車產品是 LaserLight™ 發動機，可提供高強度照明，照亮 650 m 範圍內的道路（1 km 是可能的，但目前受到法規限制）。 這些光源自於 2019 年以來一直為 BMW Series 5 車型生產，最近又為 iX3 和 iX4 電動 SUV 生產。

LiFi 的工作原理是調製光源並整合可見光波長的光接收器，該接收器可以捕獲光子並將其轉化為電子（這些波長在高強度水平下對眼睛是安全的）。 此調製是快速的，人眼無法觀察到，並且可以在操作或不操作光源的照明功能的情況下發生。 在 LiFi 和數據通訊領域，雷射比 LED 具有顯著的速度和容量優勢。 隨著汽車和卡車自動駕駛等級的提高，安全性變得至關重要，這改變了 V2X 通訊的遊戲規則。 圖 3 說明了 LiFi 如何在汽車環境中運作。

KSLD 首席行銷長 Paul Rudy 表示， 「模擬發射（在雷射中）與自發性發射（在 LED 中）相比，可實現更高的功率密度和卓越的光束形狀，亮度提高 100 倍，範圍提高 10 倍」。 這使得 LiFi 雷射照明（相對於 LED）具有以下主要優勢：

• 空間和光譜輪廓窄 5 倍
• > 通訊和感測速度快 100 倍（雷射可在 10 GHz 下調製，而 LED 則可在 100 MHz 下調製）

隨著道路車輛和卡車的自主化程度不斷提高 （L3 和 L4），確保安全和效率提高所需的感測器類型和數量（攝影機、雷達、LiDAR、IMU、GPS 等）。 這導致數據大量爆炸，其中一些數據由車載電腦處理（估計自動駕駛車輛上的感測器每小時產生約 10 TB）。 與其他車輛和固定基礎設施 (V2X) 安全地共享這些數據的想法是一個活躍的討論和研究領域。 DSRC（專用短程通訊）和蜂窩連接已使用或即將使用。 然而，隨著 CAVE 革命的進展，這些解決方案將耗盡支援低延遲資訊共享的容量和頻寬。 LiFi 是一種潛在的解決方案。 用於照明的 LaserLight™ 還可用於在車輛之間或基於交通基礎設施的接收器安全地傳輸大量資料。 儘管雷射照明的成本比 LED 照明高 20-30%，但增加的 LiFi 功能可能有助於減少自主操作所需的板載感測器和計算資源的數量。

Haas 教授指出了在地面交通中實現 LiFi 通訊面臨的以下挑戰： 「以不同的距離和速度連接車輛，同時確保可靠的數據連接（以千兆位元傳輸速度）和零交叉幹擾，帶來了有趣的挑戰。 KSLD LaserLight™ 設備的方向性和範圍使這些問題得以有效解決。 在這個階段，這只是一個採用的問題。 為此，汽車和相關標準之間的互通性將非常有益。 我預見 LiFi 在汽車領域的 V2X 支援自動駕駛和增強道路安全的前景非常光明。 我期待與 KSLD 合作，將這些創新成果付諸實踐”

成本是取代車輛和交通基礎設施中傳統鹵素燈和 LED 照明的關鍵因素。 雷射照明可提供顯著更高的性能，但最初的價格會較高（高出 20-30%），對於中檔車輛來說是負擔不起的。 如上所述，將照明與 LiFi 功能捆綁在一起會有所幫助，因為 V2X 功能可以減少板載感測器和計算資源的數量。 KSLD 的 LaserLight™ 產品還可實現第三種功能。 除了基於 GaN 的藍色雷射外，半導體組件還包括更高波長的 GaAs 雷射（850 nm、905 nm 或 940 nm）二極管，該二極管與矽探測器結合可提供測距和 LiDAR 成像功能。

車輛中的頭燈空間可用於三個關鍵功能：

1. 照明： 使用 GaN 雷射 + 磷光體發光產生白光，根據道路、交通和照明條件提供銳利、精確和動態控制的照明
2. 無線網路連線： 添加到上面的調製電路以及可見光波長檢測器可以提供高速、低延遲的 V2X 通訊
3. 感測和光達： 使用紅外線 GaAs 雷射和偵測器（9XX nm 波長）提供簡單的範圍資訊或更複雜的 LiDAR 點雲

將三個關鍵功能（照明、通訊和感測）捆綁在一個頭燈組件中，可以顯著降低車輛整合開銷（成本、空間、功耗），並透過更換其他感測器來降低整體系統成本。 現階段很難量化這些節省，因為這些節省取決於汽車製造商所追求的特定整合方法。 但可以合理地得出結論，雷射照明的溢價將被這些附加功能的捆綁所抵消。

喬治盧卡斯創造了 虛構的光劍 （雷射能量劍）四十年前，它成為整個著名星際大戰電影系列的中流砥柱。 快進到現在，KSLD 的 LaserLight™ 等產品已成為我們武器庫中的重要武器，用於解決交通運輸自主性增強以及在汽車和交通基礎設施之間創建安全、低延遲數據連接的挑戰。 願光明與你同在。