光無線通訊/行動通訊合璧　自由空間通訊奔向跨界整合

因此，高速可見光與近紅外光無線通訊(Optical Wireless Communication, OWC)與行動無線通訊網路實際接合的理論和實施在第五代(Fifth Generation, 5G)與次世代(Beyond)行動通訊系統刻正全面布建之際再度掀起熱門討論。

本文將就現今研發之自由空間光學(Free-Space Optics, FSO)與光無線通訊系統中較為可靠，且非常適合與新興的5G無線通訊和物聯網(Internet of Things, IoT)應用結合靈活的可行選項進行全面的回顧。

光無線通訊技術的特色在於其特別強調實現高頻寬(遠高於射頻無線通訊目前可提供)的通訊容量。過去十年間，兼具照明與通訊用途的Li-Fi(Light-Fidelity)技術在經由Haas教授倡議引介之後，短短幾年間立即成為自由空間照明與通訊兩用性光源系統眾所矚目的關鍵研發焦點。然而建構Li-Fi系統的關鍵在於尋求可同時提供高速傳輸頻寬與長效照明能力之可見光源。

在過去的研究中，容易取得的可見光發光二極體(Light Emitting Diode, LED)因具有高亮度、低功率損耗及壽命長等優點，被大部分公共建設與資訊產品視為標準光源，如車燈、交通號誌，路燈、室內/外照明燈具、顯示器、廣告招牌與手機等。曾經，使用LED來建立Li-Fi系統被認為是具有創造性與長期開發價值的解決方案。

為實現可同時提供照明與資料傳輸之白光LED，目前的研究多以紅綠藍(RGB)三色LED混成白光光源或引用黃磷光體(Yellow Phosphor)使藍光LED輸出轉化為白光光源。若比較此兩白光產生技術，引用Yellow Phosphor之氮化鎵(Gallium Nitride, GaN)藍光LED比RGB三色混成LED更能降低光源複雜度與系統成本，但不可避免的，其藍光光子打在Yellow Phosphor上所造成之躍遷會因其緩慢的弛豫時間而相對地降低GaN藍光LED的穿透功率與調變頻寬，進而限制以LED光源為主的Li-Fi系統的訊雜比與傳輸容量。

對此，為提升頻譜使用率，目前Li-Fi系統中多以無載波振幅相位(Carrier-Less Amplitude and Phase, CAP)與多進制正交振幅調變-正交分頻多工(M-ary Quadrature-Amplitude-Modulation Incorporated Orthogonal Frequency Division Multiplexing, QAM-OFDM)作為調變格式。

然而，傳統的LED受限於主動層(Active Region)激發出的光子均為自發輻射光子，不但因此限制同調性與雜訊表現，更導致其直接調變頻寬受限而無法提高通訊傳輸位元率。為突破此通訊頻寬限制，共振腔型LED或是微型LED陣列(μLED)因具有高內部量子效率、光取出率與調變頻寬而相繼被提出。

在2014年時，Tsonev與其研究團隊使用GaN μLED進行了速率為3Gbps的OFDM可見光傳輸，其在自由空間傳輸距離為5公分時可達成誤碼率<2×10-3之傳輸性能。最近的研究更引進了GaN藍光雷射二極體(Laser Diode, LD)來進一步提升Li-Fi系統的傳輸容量與距離，藉雷射二極體具有可自由使用的直調頻寬高(~GHz)、不受電磁波影響且在大氣中傳輸損耗小等優點，使LD based Li-Fi更具有極高潛力成為次世代可見光照明與無線通訊的主軸。

因此，Watson與其研究團隊於2013年時利用波長為422nm與450nm的GaN LD攜帶非歸零(Non-Return-to-Zero, NRZ)開關鍵控(On-Off Keying, OOK)達成2.5Gbps之自由空間傳輸，此外，Chi與其研究團隊更於2015年以450nm GaN LD建構了自由空間傳輸距離為9公尺之16-QAM OFDM資料鏈結，其傳輸容量可達9Gbps且傳輸誤碼率3.6×10-3。這些研究工作證明了應用GaN藍光LED/LD於Li-Fi系統以同時實現白光照明與可見光無線通訊之可行性(圖1)。

分波多工可見光傳輸系統

分波多工可見光傳輸系統是為建構高速可見光通訊傳輸系統，提出以多波長LD/LED直調光源結合波長分波多工(WDM)技術的一個有效方案。在目前的研究中，WDM可見光傳輸系統多以RGB混成LD/LED光源混成形式作為傳輸光源，其不僅可達成三載波之分波多工傳輸，同時也可提供白光照明。為實現WDM可見光傳輸系統，Vucic等人首先於2011年以波長為700nm、530nm與470nm之RGB LED陣列建構WDM可見光傳輸系統，並在使用離散多載波調變(Discrete Multitone, DMT)作為調變格式時可得傳輸誤碼率為2×10-3，其值小於前向錯誤更正準則(Forward Error Correction, FEC)所規定之誤碼率3.8×10-3。

為降低WDM可見光傳輸系統的建構成本以提升其商品化之可能性，2012年時Lin等人提出了以市售之紅色(波長為671nm)與綠色(波長為532nm)雷射筆(Laser Pointer Laser, LPL)建構雙波長WDM可見光傳輸系統，並使用NRZ-OOK資料格式。在接收端藉由前置放大器與可適性濾波器的幫助，成功進行10公尺自由空間傳輸，且各波長達到500Mbps傳輸速率，誤碼率小於10-9。

為進一步提供白光照明，Wu等人在2013年首次使用市售的RGB型白光光源建構WDM可見光傳輸系統，並採用了使用OFDM之CAP調變格式引入預補償和判別回授等化器(Decision Feedback Equalization, DFE)等技術來改善RGB型白色LED之頻率響應所造成之傳輸性能劣化。在分別優化三波長光源所攜帶的CAP資料格式後，其成功地進行了3.22Gbps傳輸速率且白光傳輸25公分自由空間，其傳輸誤碼率皆小於10-3。

此外，Wang等人於同年分別利用商用Phosphor白光與RGB白光作為上下行光源建構全雙工可見光傳輸系統。其中，他們利用了次載波多工(Subcarrier Multiplexing, SCM)技術來實現WDM系統，並採用QAM-OFDM資料格式。此系統實現了4個用戶下行和1個用戶上行之全雙工可見光傳輸網路，並可以透過調整子通道頻帶寬度來提升用戶數。

在實際66公分的自由空間傳輸測試中，他們達成了575/225Mbps的下/上行傳輸速率，並且所有通道的傳輸誤碼率皆符合前向錯誤更正準則。接著，不論是利用藍光LD或是LED的WDM結合新穎格式高容量通訊系統都開始相繼被研發。Azhar等人以多輸入多輸出(Multi-input Multi-output, MIMO)技術來實現室內高容量WDM可見光傳輸系統，其4通道MIMO-OFDM在1公尺自由空間傳輸後可達成平均傳輸誤碼率為10-3之1Gbps傳輸速率，且可提供照度為1000 lx的光源給室內照明使用。

另一方面，為提升傳輸光源的性能，Lu與其團隊於2014年利用波長範圍為684~685.5nm之四顆紅光垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)作為傳輸光源建構WDM可見光傳輸系統，並搭配空間光調變器(Spatial Light Modulator, SLM)調變16-QAM OFDM格式訊號於傳輸光源上，達成傳輸速率達2.5×4 Gbps之15公尺自由空間傳輸。

以上研究證明了WDM可見光傳輸系統之潛力，若將WDM可見光技術引入自動載具通訊系統中，並配合GaN藍光LD與LED，可建構能同時提供大量自動載具高速存取且成本低廉之可見光照明/傳輸系統。

自動載具通訊網路系統

另一方面自動載具通訊網路系統也將成為未來智慧城市網路不可或缺的主角(圖2)。根據智慧服務技術的最新研究顯示，LD/LED有限光擴散角照明模組在自動載具的應用市場金額將達數十億美元以上，預計每年利潤將增長超過一成的主要來源是自動載具之前後燈模組，LD/LED車用照明在未來幾年雖滲透率仍低但有相當之利潤。

然而這些評估只是單純考慮到車用照明的部分，其估算仍未包含車用可見光通訊的潛在利潤價值。尤其在未來無人駕駛自動載具的開發與成熟推廣方面，為防止碰撞確保安全的周圍環境參數快速監控系統的運作非常重要。因應車輛速度越快使得系統感測的容忍時間與距離都要更短，現今適用於自動載具的安全通訊感測器技術包括超音波、微波近程雷達和影像識別等技術。

但是雷射光測距與通訊感測技術也於近期被評估與應用，特別是因為使用高調變頻寬的GaN藍光LD所能提升的高影像解析深度，以及其未來與GaN電晶體的單晶化製程相容性，將使得成像感測速度較之使用矽電晶體驅動之相同模組有一個數量級以上提升的優勢。

因此利用GaN藍光LD作為自動載具之間(Vehicle-to-Vehicle, V2V)的通訊與感測技術研發，藉以作為避免碰撞和盲點檢測系統，與優化成像速度和影像深度對比已經成為下一世代無人駕駛自動載具中非常令人振奮的關鍵技術。此外，若配合高密度分波多工被動光纖網路(Dense Wavelength-Division Multiplexing Passive Optical Network, DWDM-PON)分配所需資訊，更可建立可見光通訊智慧型運輸系統(Intelligent-Transportation Systems, ITS)，藉以即時控制自動載具動向與擷取其資訊如速度、位置、行進方向以及行車狀況，進而達成次世代無人駕駛自動載具之願景，使交通環境更安全與便捷。

為此極具市場價值的未來應用，除了現有的GaN藍光LD之外，日本住友商事甚至已先一步開發出綠光側射型雷射二極體。在現今的交通系統中，交通號誌如紅綠燈僅局限於給予駕駛人視覺訊息之功能，並藉此達成交通流量控管的目的。然而，這樣的系統在資訊爆炸的當今並不足以給予駕駛人如導航、交通與安全訊息等足夠的資訊。

為跳脫傳統框架，車輛訊息和通訊系統(Vehicle Information and Communication System, VICS)的概念於1996年被提出，其概念利用設置於道路旁之光信標(Optical Beacon)所發出之紅外光偵測路上行駛之自動載具並即時掌握交通訊息以期在第一時間控制交通流量。然而大量的光信標設置會產生鉅額之交通系統建構成本，因此VICS至2000年仍未能被真正地實用化。

貼近現實低價次世代交通系統成形

為實現更為實際且低成本的次世代智慧交通系統，Akanegawa等人於2001年時提出以LED取代交通號誌燈的方式來同時建構視覺訊息傳達與可見光訊息通訊，其利用505nm LED攜帶二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)作為傳輸光源達成1Mbps傳輸速率之理論性測試，且角度偏差容忍範圍為5o，誤碼率為10-6。

另外，Okadam與其研究團隊在2009年提出一個新型道路與自動載具(Road-to-Vehicle, R2V)可見光通訊系統，其系統在車輛上裝載具有鏡測電流計(Galvanometer Mirror)與陀螺儀感測器(Gyro Sensor)的高速相機，其鏡測電流計系統可利用其快速旋轉鏡子來追蹤LED交通號誌所發出之光訊號，因此可在高速行駛車輛上迅速掌握訊息鏈結的方向，而陀螺儀感測器的使用則可降低車輛震動所造成的訊息接收角度偏差。在實驗中，他們以此系統傳輸正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)並達成60公尺1Mbps與40公尺2Mbps的自由空間可見光傳輸。

然而在目前仍僅有非常少數利用藍光二極體雷射轉換白光光源實現上述通訊架構的研究案例展開，這顯示出藍光雷射照明通訊系統在自動載具交通網路上的應用研發仍大有可為。雖至目前為止許多研究皆證明了道路交通號誌與自動載具間利用可見光通訊的可能性，但系統仍局限於單向資訊傳輸，不足以發展ITS並實現無人駕駛自動載具之目的。

對此，Sichitiu等人於2008提出自動載具間通訊系統(Inter-Vehicle Communication, IVC)的概念，利用現行網路架構如Wi-Fi與藍牙作為載具間通訊的媒介，藉此滿足自動載具間大量通訊之需求如車間定位、流量管制、導航資訊與行駛安全等。為實現IVC，Langer等人展示了100Mbps之可見光傳輸系統，並提出在自動載具間之通訊可利用頭燈與定位燈結合可見光通訊來實行。

2013年時Yoo與其研究團隊利用自動載具之LED頭燈攜帶脈波位置調變(Pulse Position Modulation, PPM)資料格式達成10kbps與20公尺之可見光傳輸。此外，2014年時Luo等人也證明了當LED頭燈的偏移位置在0.2~0.4公尺內時，其所建構之車對車(Car-to-Car, C2C)可見光傳輸系統仍能有傳輸距離為20公尺且傳輸速率為2Mbps之性能。

為達成智慧交通系統，結合車輛訊息通訊與自動載具間通訊兩項技術為一具有潛力的解決方案，其藉由道路旁之交通號誌和自動載具之頭燈與定位燈達成多方訊息傳輸與交換，藉此提供車間定位、流量管制、導航資訊與行駛安全等應用。

然而在這樣的概念下，自動載具之移動速度必定會影響接收端所能擷取資料的時間，如自動載具的高速移動會使接收角快速偏移而導致接收端無法完整接收資訊。因此如何提升單位時間內資訊傳輸容量為一極大挑戰，且可見光源與傳輸系統速率之提升將成為下一步研究的熱點。隨著藍光高調變頻寬與高功率雷射元件近期的研究推陳出新，在新穎的高功率RCLED與高速μCLED問世之後的照明可運用光源選擇變得更多樣化之外，對利用上述這些元件進行直接調變各項格式訊號傳輸與架構分波多工通訊系統光源模組的基礎學理研發與應用技術研究而言，仍是具有極多方興未艾且極具研究挑戰性的課題與仍待克服的技術瓶頸。未來以藍光LD轉換可見光照明通訊雙向傳輸的研究也將是亟待突破的熱點。

支援光無線通訊的可見波長發光二極體和鐳射二極體是一種新興技術，用於實現室內/室外自由空間和水下環境中的高機密性和高速點對點(PtP)、車輛對車輛和白色照明數據接入鏈路。顯然走向基於高速可見雷射照明的空間/地面/室內/水下/車間/光學無線通訊技術將成未來發展趨勢，能與射頻無線網路互補，方便用戶通過物理層安全和電磁抗擾功能獲得更多的傳輸頻寬和容量，在當前無線網路中可以實現的大量數據交換、路由和流量需求升高之下，更加強凸顯光纖纜線、射頻無線和可見光通訊網路在新的大數據時代的現實融合趨勢。

台大光電所研究團隊在高速可見光雷射通訊研究成果目前領先全球研究同儕，且目前仍保持450nm波長GaN藍光雷射高速點對點可見光通訊的世界紀錄，從最早於2015年展示具有9Gbps位元率的QAM-OFDM新穎格式傳輸開始，這種基於自由空間可見光通訊的TO-38封裝氮化鎵藍光雷射二極體攜帶具有64進制正交振幅調製和32次載波正交分頻率多工傳輸就已經實現與固定或行動式無線網路相容格式傳輸的可能。

為了同步實現可見光雷射照明，團隊成員使用紅藍綠三色雷射二極體混光進行超越10Gbps位元率的白光照明通訊，通過使用平面凸超半球透鏡增加數值孔徑來加強光束準直和採集，使SNR提高優化傳輸超過16公尺後，仍可傳輸高達18Gbps與光譜密度使用效率達4位/s/Hz。而通過分析色偏透射、表面粗糙度、CCT均勻性、擴散器的發散角度和數據傳輸能力後發現，具有高透射率的磨砂玻璃(FG2.8)商用擴散片優化演色性與均勻性後仍可保持良好的色溫，以±20o的發散角度使白光擴束支援0.5公尺或以上的高數據位元率照明傳輸，遂提供了一個比LED更具吸引力與更高效率的替代方案。

為了在長距離的自來水和海水環境中實現高速水下無線光通訊(UWOC)，緊接著並發表一個非常緊緻設計的水下無線光通訊藍光雷射模組展示4.8~14.8Gbps 16-QAM-OFDM，且使用雪崩式二極體光偵測器接收經過過濾的多載波OFDM編碼更能將傳輸距離延伸達到10公尺以上。為提高雷射照明演色性，並採用薄膜黃螢光擴散片轉換藍光雷射輸出融合室內白光照明和可見光通訊，或使用磨砂玻璃擴散RGB-LD混合白光避免光差並提供具備Li-Fi功能的高品質白光源。

為了提高色轉換效率以及降低人眼傷害，採用紫藍光雷射二極體配合Y3A15O12：Ce3+(YAG：Ce)或Lu3A15O12：Ce3+/CaAlSiN3：Eu2+ (LuAG：Ce/CASN：Eu)螢光色轉換磷擴散片，甚至能在螢光片厚度變薄至0.75mm之下仍能獲得具有高色彩渲染指數(CRI)達91.5的3,000K暖白光源用於照明通訊。採用紫藍光雷射二極體(VLD)光源的超高速自由空間光學系統用於點對點數據傳輸，透過直調編碼VLD與64倍振幅調製離散多音(64-QAM DMT)數據流，更可允許以高達26.4Gbps的超高位元率提供0.5~10公尺的自由空間光無線通訊。

此外，帶光子電晶體結構的發光二極體在高數據速率下性能也被證實超過了傳統的LED結構，達到16倍振幅調製正交分頻多工傳輸能力達2Gbps，而此光子晶體結構藍色μLED孔徑大小決定其於自由空間或塑膠光纖鏈路中的數據傳輸性能。

這些刻正發展的光無線通訊研究軌跡也預告在不遠的未來人類社會，適應智慧城市的OWC系統分析設計將會面臨並應對來自於自然環境的各種挑戰，例如雨天與濕度、大氣湍流、移動性散射塵、和都會區人眼安全性等問題，以及未來可見光與近紅外光雷射光應用在低軌道衛星間和衛星-地面-水下無線通訊等選項，如何進一步實現未來全球光無線互聯網的技術解決方案。尤其在陸地、空間、衛星和水下這些空間各具獨特環境參數與不同通道效應的通訊介面整合，以及系統因各種大氣湍流和微塵散射參數變化導致其函數性能下降，更需仰賴光無線通訊的幾何與波動光學設計優化技術進行緩解。

這些涉及通過大氣傳輸光/鐳射訊號能量、聚焦、指向、追蹤和檢測流程的技術問題，在在考驗OWC收發器設計始能實現通過接入網路達成數Gbps位元率數據傳輸性能，尤其在無線通訊格式編碼技術接入OWC系統的調製檢測所需室內/地面/機載/衛星/水下等OWC鏈路平台連結，全球物聯網與互聯網的全光安全通訊與固定行動通訊接合，實現正交分頻多工(OFDM)和多進多出(MIMO)和代碼劃分-多路存取(CDMA)和頻率劃分多存取(FDMA)光無線通訊系統，紫外/可見/近紅外光非視線(NLOS)光無線通訊在室內和室外各種場景應用通道建模與介面整合，甚至延伸到交通運輸(車對車通訊、地對火車通訊)、自衛星到水下至空間到晶片的光無線通訊等等，上述這些潛在方向及可能發展趨勢必將隨著未來全球智慧城市網路發展趨勢逐漸明朗。

(作者林恭如為台灣大學電機資訊學院副院長；其餘皆為台灣大學電機資訊學院光電所學生)