Ontwikkelingen geïntegreerde fotonica binnen de auto-industrie

Elektrificatie, autonome voertuigen & rijhulpsystemen en veranderingen in mobiliteitspatronen en de stedelijke infrastructuur zorgen ervoor dat de auto-industrie een snelle transformatie ondergaat. Bovengenoemde trends zullen van invloed zijn op het fysieke ontwerp van commerciële voertuigen, privévoertuigen en voertuigen voor openbaar vervoer, op de mogelijkheden die deze voertuigen bieden en op de bredere sociale en economische gevolgen die de veranderingen met betrekking tot het bezit en gebruik van auto's en wagenparken met zich meebrengen. De toenemende vraag naar sensoren in voertuigen, elektrische/hybride aandrijfsystemen, geavanceerde rijhulpsystemen (Advanced Driver Assistance Systems - ADAS) en autonome rijsystemen biedt nieuwe kansen voor de geïntegreerde fotonica-industrie.

De emissienormen voor voertuigen met een verbrandingsmotor worden steeds strenger. Dit leidt tot versnelde innovatie van elektrische voertuigen (EV) en een zeer sterke toename van elektronica in voertuigen. Met name op het gebied van vermogenselektronica en sensoren in EV en van computers/netwerken voor ADAS in autonome voertuigen.

Geïntegreerde fotonica biedt veelbelovende oplossingen voor beide gebieden. Geïntegreerde fotonica is het snel opkomende gebied binnen de fotonica dat ernaar streeft meerdere fotonische functies te integreren in geïntegreerde communicatie-, detectie-, en – in de toekomst - computercircuits. Complexe fotonische circuits kunnen nu op dezelfde manier licht genereren, verwerken en detecteren als geïntegreerde elektronische circuits doen met elektronische signalen, door meerdere discrete componenten die één functie vervullen (b.v. speciale lasers en fotodetectoren) te verbinden met relevante optische interfaces.

In dit artikel wordt een overzicht gegeven van de toepassingen in de auto-industrie die het meest geschikt zijn voor geïntegreerde fotonica. Daarnaast wordt de roadmap met betrekking tot geïntegreerde fotonica geïntroduceerd die PhotonDelta heeft opgesteld voor de auto-industrie.

Toepassingen binnen de auto-industrie die mogelijk geschikt zijn voor geïntegreerde fotonica

De hoeveelheid elektronica in auto's blijft toenemen. Dit biedt ook kansen voor het toepassen van PIC’s.  Er wordt een heel scala aan toepassingen ontwikkeld voor toekomstige motorvoertuigen die ook geschikt zijn voor het gebruik van PIC’s.

FMCW LiDAR en Fiber Bragg Grating Sensoren

PIC’s zijn uitermate geschikt voor toepassing binnen de FMCW LiDAR technologie en in Fiber Bragg Grating interrogators

FMCW (Frequentiegemoduleerde continue golf) LiDAR

LiDAR is een aanvullende sensortechnologie voor radars en camera's voor ADAS en autonome voertuigen. De omgeving wordt actief gescand met een laserstraal en vervolgens wordt het retoursignaal gedetecteerd om de afstand en snelheid te meten (voor sommige versies). De technologie werkt op verschillende manieren en ontwikkelt zich razendsnel, omdat grote autofabrikanten in toenemende mate investeren in de technologie. Er zijn veel verschillende technische oplossingen beschikbaar.

FMCW LiDAR wint aan populariteit omdat de technologie gevoeliger is en de mogelijkheid biedt om tegelijkertijd de snelheid te meten. Geïntegreerde fotonica is daarom heel geschikt voor toepassing binnen de FMCW LiDAR technologie. Verwacht wordt dat in de toekomst elektrische voertuigen meerdere lidarsystemen zullen bevatten, met name voertuigen met geavanceerde autonome rijfuncties.

FMCW LiDAR op basis van geïntegreerde fotonica

Het probleem bij het op de markt brengen van een op FMCW-gebaseerde oplossing is dat de benodigde hoogwaardige componenten niet in grote hoeveelheden en tegen lage kosten kunnen worden geproduceerd. Om betaalbare oplossingen op basis van FMCW lidarsystemen te kunnen maken, moeten de volledig optische functies worden geïntegreerd in één siliciumchip. Door gebruik te maken van PIC’s kan het productieproces op dusdanig gecontroleerde en nauwkeurige wijze worden uitgevoerd dat de geïntegreerde circuits uitstekende prestaties leveren en de functionaliteit bereiken die nodig is om een robuust, kosteneffectief en kwalitatief hoogwaardig product te maken.

Een ruisarme, verliesarme en polarisatie-onafhankelijke technologie zal zeer hoge signaal-ruisverhoudingen (SNR's) mogelijk maken, zodat zelfs lagere optische vermogens kunnen worden toegepast. Zelfs wanneer mensen zich dicht bij de sensor bevinden, kan deze, zonder gevaar voor de ogen, objecten op afstand detecteren. Het meten van objecten die een paar centimeter groot zijn en die zich op >200 m afstand bevinden, moet mogelijk zijn voor op FMCW lidar gebaseerde geïntegreerde circuits.

Verbetering van de lidarsystemen leidt tot betere rijhulpsystemen en zal uiteindelijk essentieel zijn voor het ontwikkelen van een design voor autonome voertuigen dat op grote schaal kan worden gebruikt. FMCW lidar is echter ook heel geschikt voor toepassing in andere soorten "voertuigen", zoals autonome robots die kunnen worden gebruikt voor de productie, in de gezondheidszorg en voor het monitoren van infrastructuur.

Fiber Bragg Grating sensoren op basis van geïntegreerde fotonica

Fiber Bragg Grating (FBG) sensoren werken op basis van licht dat wordt gereflecteerd of geabsorbeerd door een glasvezel waar op specifieke punten optische roosters zijn aangebracht. Deze roosters reflecteren een specifieke golflengte van het licht en zijn afhankelijk van een uitgeoefende kracht, druk, temperatuur en rek, allemaal variabelen die tegelijkertijd en uiterst nauwkeurig kunnen worden gemeten.

Tegenwoordig wordt voor de meeste optische vezelsensorsystemen gebruikt gemaakt van FBG-technologie. De voordelen van op FBG-gebaseerde sensoren zijn dat ze klein zijn, een snelle reactietijd hebben, gebruik maken van distributed sensing technologie en ongevoelig zijn voor het elektromagnetische veld. Allemaal eigenschappen die relevant zijn voor toepassing in de auto-industrie. Deze systemen kunnen met behulp van geïntegreerde fotonica worden geminiaturiseerd tot zeer compacte interrogatorsystemen die op verschillende manieren kunnen worden toegepast in elektrische voertuigen.

Dit miniaturiseren is niet alleen ‘leuk’, het is zelfs essentieel om voertuigen voortdurend te kunnen blijven vernieuwen. Zoals hierboven beschreven betekent de snelle elektrificatie van alle vormen van vervoer ook dat er meer 'spul' nodig is binnen in de voertuigen.  Er worden steeds meer kabels, sensoren en processoren gebruikt, waardoor het totale gewicht van het voertuig toeneemt en het voertuig minder efficiënt wordt. Door geïntegreerde fotonica toe te passen, kan de totale omvang van de systemen enorm worden teruggebracht. In combinatie met andere communicatietechnologieën, zoals draadloos en single pair ethernet, worden voertuigen lichter en efficiënter.