Veiliger rijden dankzij geïntegreerde fotonica, zelfs als je auto dat autonoom doet
Sneller, lichter, duurzamer en onder aan de streep uiteindelijk ook goedkoper: de voordelen van fotonische circuits zijn aanzienlijk, voor een breed scala aan toepassingen. En Nederland loopt voorop.
Sneller, lichter, duurzamer en onder aan de streep uiteindelijk ook goedkoper: de voordelen van fotonische circuits zijn aanzienlijk, voor een breed scala aan toepassingen. En Nederland speelt mondiaal een belangrijke rol in de ontwikkeling en toepassing van deze sleuteltechnologie. De afgelopen jaren is onder aanvoering van PhotonDelta een stevig fundament gelegd onder het Nederlandse fotonica ecosysteem. In een zevendelige serie laat Innovation Origins zien waar we staan, waar de ambities liggen en wat er nu al mogelijk is. Vandaag: mobiliteit. Lees hier de andere delen van de serie.
Nu we een wereld van toenemende automatisering en elektrificering van auto’s, robots en transportinfrastructuur binnengaan, krijgen begrippen als veiligheid en betrouwbaarheid een nieuwe lading. Sensoren spelen daarbij een doorslaggevende rol. Maar omdat we er steeds meer van nodig hebben, neemt hun impact op gewicht, energiegebruik en prijs heel snel toe. De oplossing daarvan ligt in de geïntegreerde fotonica. Door meerdere optische functionaliteiten in een enkele chip te integreren, kan geïntegreerde fotonica-engineering de oplossingen creëren die nodig zijn voor monitoringsystemen en lidar. Deze fotonische chips zijn nauwkeurig, kosteneffectief en zo klein, dat ook gewicht geen rol meer speelt.
Fotonica is vergelijkbaar met elektronica. In plaats van elektronen gebruikt het echter fotonen (licht) om informatie over te dragen. Fotonische technologie detecteert, genereert, transporteert en verwerkt licht. Huidige toepassingen zijn onder meer te vinden in zonnecellen, sensoren en glasvezelnetwerken. Fotonische chips, in jargon Photonic Integrated Circuits (PIC’s) genoemd, integreren verschillende fotonische en vaak elektronische functies in een microchip om kleinere, snellere en energiezuinigere apparaten te maken. Omdat ze gefabriceerd worden als traditionele chips (met wafer-scale technologie), is ook massaproductie binnen bereik – met prijsdaling als gevolg.
In de automotive sector draaien alle toepassingen met geïntegreerde fotonica om geavanceerde sensoren. Daarin heb je twee hoofdgroepen: lidar en glasvezelsensoren met FBG technologie. Laatsgenoemden kunnen tegelijkertijd kracht, druk, temperatuur en spanning meten. Een enkele vezel kan verschillende plekken in een voertuig meten, waardoor het gewicht, de bedrading en het aantal sensoren aanzienlijk kunnen worden verminderd.
Geïntegreerde fotonica kan er de komende jaren dus voor zorgen dat auto’s veel veiliger worden. Systemen met camera’s, radar en lidar sluiten de kans op een botsing met een object in de toekomst nagenoeg uit. De grote doorbraak van volledig autonoom rijden mag nog ver weg lijken, dat betekent niet dat de onderzoekers in deze sector stilzitten. Bovendien gaat het niet alleen om autonoom rijden. Door PIC’s (Photonic Integrated Circuits) ondersteunde sensoren worden bijvoorbeeld ook gebruikt in geavanceerde rijhulpsystemen (Advanced Driver Assistance Systems – ADAS), of voor de bewaking van kritieke onderdelen van een elektrische auto (aandrijflijn, chassis, enz.).
PIC’s zijn essentieel
PIC’s zijn dus essentieel voor de auto-industrie. Bij imec in het Holst Centre – midden op de Eindhovense High Tech Campus – onderzoekt Guido Dolmans de toepassing van geïntegreerde fotonica in de automotive sector. “We kijken naar dieptesensoren. Er zijn drie types: camera’s, radar en lidar. Een camera heeft beperkingen gedurende de nacht, radar geeft vanwege de lagere resolutie vaak een onduidelijk beeld. Lidar is, omdat het met licht werkt, daarentegen heel precies met goede dieptebeelden. Uiteindelijk gaat het om sensorfusie, de combinatie van informatie uit verschillende sensoren om de juiste beslissingen te nemen.” Lidar gebruikt een laserstraal om de omgeving te scannen; het retoursignaal geeft exacte informatie over de afstand en de snelheid.
Hoe meer sensoren er worden gebruikt, des te nauwkeuriger voertuigen autonoom kunnen rijden. Maar ook: des te duurder het systeem.
“Bij het startniveau is er sprake van vier sensoren, drie camera’s en een radar. Dat systeem kost 150 dollar. Bij het volgende niveau met zes camera’s, vier radars en een lidar praat je al over tweeduizend dollar. Het hoogste niveau is nog niet beschikbaar, mede omdat het heel duur is: tienduizend dollar. Dan maak je gebruik van twee of meer lidars. Dit niveau wordt alleen betaalbaar als we de kosten van de chips kunnen verlagen. Fotonica is hier de sleutel.”
Guido Dolmans, imec
Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW), de nieuwste vorm van lidar, heeft de toekomst, zegt Dolmans. Het onderzoek bij imec richt zich dan ook primair daarop. “FMCW kan heel snel de positie van de eigen auto ten opzichte van een ander object detecteren. Als dat een stilstaand object is en de auto komt met hoge snelheid aanrijden, dan is detectie in milliseconden heel prettig.”
Om betaalbare oplossingen op basis van FMCW lidarsystemen te kunnen maken, moeten de volledig optische functies worden geïntegreerd in één siliciumchip. Met PIC’s wordt dat allemaal nauwkeuriger, robuuster en goedkoper.
Sleuteltechnologie
In Duitsland houdt Scantinel Photonics zich bezig met FMCW. Het bedrijf is ontstaan als spinoff van Zeiss, producent van optische technologie. Andy Zott is directeur van Scantinel.
“FMCW zendt continu laserstralen uit en combineert op coherente wijze het weerkaatste licht met een lokale kopie van de laserstraal”, legt Zott uit. “Hierdoor heeft dit systeem minder storingen, kan het grotere afstanden tot zeker tweehonderd meter overbruggen en is het minder gevoelig voor zonlicht dan bestaande lidar. We gebruiken een golflengte van 1550 nanometer die bij mist, regen en sneeuw zorgt voor betere zichtresultaten. Oudere vormen van lidar, zoals Time of Flight, meten de reflectie van objecten. Dat wordt dus gemakkelijk verstoord door regendruppels of sneeuwvlokken. FMCW maakt een opname van de gehele afstand. Hierdoor wordt regen wel gesignaleerd, maar de storing is minder overheersend; niet als reflectie, maar als een soort van ruis. Hierdoor biedt FMCW de automobilist een nauwkeurig zicht onder alle weersomstandigheden.”
Zeiss begon in 2016 met het onderzoek naar lidar. In 2019 werd dit onderzoek ondergebracht bij Scantinel.
“De automotive sector ziet FMCW als sleuteltechnologie, omdat het belangrijk is voor autonoom rijden. Door fotonica kunnen de kosten dalen en wordt het dus interessant voor de industrie. Ik verwacht dat autonoom rijden ergens tussen 2026 en 2028 in Europa mogelijk is en dan denk ik vooral aan vrachtwagens. Pilots op snelwegen, ondersteund door FMCW lidar, zullen een van de eerste commerciële toepassingen zijn voor fotonisch geïntegreerde lidar in autonoom rijden.”
Andy Zott, Scantinel Photonics
Enorme transitie
In de auto-industrie zijn kosten de doorslaggevende factor. Als iemand dat weet, is het Bram Hendrix, manager smart mobility bij RAI Vereniging. “Ik krijg weleens de vraag welke van de drie het wordt: camera’s, radar of lidar. Maar zo simpel ligt het niet. Het zal een combinatie van alle drie zijn. Uiteindelijk gaat het om de prijs. Vergeet niet dat er wereldwijd jaarlijks zo’n tachtig miljoen personenauto’s worden gebouwd. Een massale toepassing van een innovatie lukt alleen als deze niet te duur is. Nederland moet natuurlijk wel blijven investeren in de toepassing van geïntegreerde fotonica in de automotive sector.”
Autonoom rijden is de heilige graal in de automotive sector. De toepassing van fotonica – essentieel bij het gebruik van lidar – brengt dat onmiskenbaar dichterbij. De prikkelende vraag is dan ook: wanneer zullen auto’s in groten getale zonder bemoeienis van een bestuurder de weg op gaan? Volgens Hendrix zal dat nog wel even duren. “Een paar jaar geleden was autonoom rijden de hype in de auto-industrie. Maar de sector zit in een enorme transitie. Grote bedrijven investeren miljarden in de omschakeling van verbrandingsmotoren naar elektrische motoren. Doen ze dat niet en brengen ze hun CO₂-emissies niet drastisch omlaag, dan legt de politiek torenhoge boetes op. Hierdoor heeft autonoom rijden nu niet topprioriteit voor de auto-industrie.”
Volledig autonoom rijden op de consumentenmarkt zal zeker de komende tien jaar nog niet zijn intrede doen, verwacht Hendrix. Bij vrachtwagens ziet hij binnen twee, drie jaar meer mogelijkheden: “De vervangingstijd van vrachtauto’s is korter dan die van personenauto’s. Daarom gaat innovatie bij trucks sneller. Ik voorzie ook industriële toepassingen, zoals autonome vorkheftrucks en in de landbouw. Overal waar closed environments zijn, met niet al te veel mensen, zal autonoom rijden sneller zijn intrede doen.”