Li-Fi技術持續突破　可見光照明通訊向商用化挺進

Li-Fi是一種能與目前空間自由度最大的無線通訊(Wi-Fi)以及傳輸位元率容量最高的光纖通訊網路彼此互補的技術，未來無論在室內或移動載具或水下等特殊空間地形或電磁遮蔽的環境都能有其發展的前景。另外，根據智慧服務技術的最新研究顯示，氮化鎵藍光發光二極體應用在自動載具光源上的市值金額將達十億美元以上，並且預計未來光是自動載具之前後燈模組每年利潤增長將超過一成，而發光二極體車用照明在未來幾年隨滲透率逐步提升將創造相當之利潤。 

然而這些評估只單就車用照明部分且其估算未包含車用可見光通訊的潛在產值。在現今的交通系統中，交通號誌如紅綠燈僅局限於給與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。尤其在未來無人駕駛自動載具的開發與成熟推廣方面，可防止碰撞、確保安全的周圍環境參數快速監控系統的運作非常重要。 

可見光通訊加持　 行車安全添戰力  

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、微波近程雷達和視訊識別等技術。為跳脫傳統框架，車輛訊息和通訊系統(Vehicle Information and Communication System, VICS)的概念早於1996年被提出[1]，其主要概念是利用設置於道路旁之光訊號源所發出之紅外光，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VICS遲至今日仍未能被真正地實用化的原因是大量的光信標設置會產生鉅額之公共交通系統建構成本。 

為實現更為實際且低成本的次世代智慧交通系統，遂有研究指出以發光二極體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的可行性[2]。該系統利用綠光發光二極體為傳輸光源攜帶二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)直調數據，達成1Mbps傳輸速率且角度偏差容忍範圍為5o與誤碼率為10-6之實驗測試。 

隨後，在2009年提出的一個新型道路與自動載具(Road-to-Vehicle, R2V)可見光通訊系統[3]，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。 

為突破單向資訊傳輸局限，2008年有研究提出自動載具間通訊系統(Inter-Vehicle Communication, IVC)的概念[4]，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。 

相關研究為實現自動載具間IVC，已經利用頭燈與定位燈結合展示了100Mbps之可見光傳輸系統[5]。2013年更有研究團隊利用自動載具之發光二極體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[6]。此外，2014年已研究證實了當發光二極體頭燈的偏移位置在0.2~0.4公尺內時，其所建構之車對車(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[7]。 

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。 

顯然，在移動載具間的可見光通訊系統如何提升單位時間內資訊傳輸容量成為現階段一項極大挑戰，同步發展可耐受高速移動而不犧牲資料傳輸系統速率之可見光照明通訊源將成為下一步研究的熱點。因此，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氮化鎵藍光雷射二極體所能提升的高影像解析深度，以及其未來與氮化鎵藍光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。 

因此利用氮化鎵藍光雷射二極體作為光源進行下一世代無人駕駛自動載具之間(Vehicle-to-Vehicle, V2V)的通訊與感測技術研發，以其高速傳輸性能優化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的產品或許相當可行。若再配合分波多工分配所需資訊，更可建立可見光通訊智慧型運輸系統，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，其概念如圖1所示。 

圖1 Li-Fi系統搭配D分波多工PON建構智慧型運輸系統。

基於上述不論是智慧住宅照明通訊或是車用照明通訊感測等次世代應用技術需求，可見光照明與通訊兩用Li-Fi光源與相關訊號處理模組等產品的研發需求已勢不可擋。理論上，建構Li-Fi系統的關鍵在於尋求可同時提供長效照明與高速傳輸能力之可見光源。目前的白光照明光源主流關鍵產品是LED，因具高亮度、低功耗及長壽命等優點而被廣泛應用於公共建設與資訊產品作為標準光源。因此，使用發光二極體來建立Li-Fi系統一直以來被認為是具有創造性與長期開發價值的普世解決方案。 

為實現可同時提供照明與資料傳輸之白光發光二極體，目前的研究多以紅綠藍三色發光二極體混成白光光源或引用黃磷光體(Yellow Phosphor)使藍光發光二極體輸出轉化為白光光源。基本上，以氮化鎵藍光發光二極體加上色轉換螢光體產生的白光照明光源，比利用紅藍綠三色發光二極體混成的白光產生技術更能降低光源複雜度與系統成本。然而，此二者所使用的傳統發光二極體其內部量子效率與光取出率受限於元件介面之內部反射效應，使得部分由主動層激發的光子被局限於元件內部導致輸出光功率受限。 

為突破此限制，遂有具備高內部量子效率、光取出率與調變頻寬的微型發光二極體(μLED)陣列因而被提出。 

Li-Fi光源潛力股　 微型發光二極體陣列登場  

2017年起在發光二極體與雷射二極體(LD)元件技術上都有新的發展，發光二極體的尺寸縮小化成為微型發光二極體後導致其響應速度變快，調變頻寬變大，LD成長在不同指向基板的元件同調(Coherence)性能優化，使得雷射輸出線寬變窄，直調頻寬擴大。 

上述的發展都將有利於可見光通訊整體可傳輸位元率容量的提升。在硬體技術方面方面要同時兼顧照明性能需求的光源頻寬提升與螢光粉體的螢光轉換活期縮短，咸認是白光照明Li-Fi具備足夠下傳位元率而能初步商品化與普及化的關鍵。然而不可避免的是在採用螢光色轉換技術時所需的載子能階躍遷，因為具有一定的弛豫時間而仍然會相對地降低藍光發光二極體的調變頻寬，進而限制Li-Fi系統傳輸容量。 

所幸近年學術界在轉移波長螢光材料研發上也有重要的進展，可以商業化量產且活期短至數奈秒的螢光材料已經問世。上述這些高速元件與材料將有機會使白光Li-Fi的傳輸速度達到數量級的提升。如果是使用藍光雷射二極體取代發光二極體配合螢光粉體形成的白光光源，在頻寬方面毫無問題但須考慮如何提升流明效率、調控演色度與控制殘餘藍光強度以免危害人眼等問題。若使用紫外波長雷射二極體搭配螢光粉體的技術，如此一來可以避開人眼敏感的藍光區殘餘光量稍為減輕藍光危害，二來可以拓寬波長轉換後黃綠光區帶寬對演色度的調整更有助益。 

除了現有的氮化鎵藍光雷射二極體之外，日本住友商事為此極具市場價值的未來應用甚至已先一步開發出綠光側射型雷射二極體。而分波多工技術也被視為建構高速可見光通訊傳輸系統的一個有效方案。在目前的研究中，分波多工可見光傳輸系統多以紅藍綠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。為實現分波多工可見光傳輸系統，有研究工作首先於2011年以波長為700、530與470nm之紅藍綠發光二極體陣列建構分波多工可見光傳輸系統[8]，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。 

為降低分波多工可見光傳輸系統的建構成本以提升其商品化之可能性，2012年時也有研究團隊提出了以市售之671nm紅光與532nm綠光雷射筆建構雙波長分波多工可見光傳輸系統[9]，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，成功進行了10公尺自由空間傳輸，且在各波長達到500Mbps傳輸速率下，誤碼率小於10-9。 

此外，目前的商業化系統因為使用較低頻譜利用率的傳統數位訊號格式，所以無法在相同的發光二極體或雷射二極體有限頻寬內再提升其位元率。未來期待重要的突破之一，是必須將目前在實驗室發展中，且在無線網路中廣泛使用的高頻寬使用率位元格式訊號收發電路與模組技術，實際應用到Li-Fi商用模組才能更進一步促進Li-Fi與現階段4G甚或是下一階段5G無線網路技術達到相容互補。 

目前白光照明Li-Fi系統中為提升可調變頻譜的使用率以增加總通訊位元率容量，多以無載波振幅相位與多進制正交振幅調變-正交分頻多工(QAM-OFDM)作為調變格式。藉由以上各種軟硬體技術的交叉運用，Tsonev與其研究團隊使用藍光微型發光二極體在2014年時首度進行了位元速率為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。為了進一步提升白光照明Li-Fi系統的傳輸容量與距離，用藍光雷射二極體取代藍光發光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，更是使藍光雷射轉白光照明Li-Fi具有極高潛力成為次世代可見光無線通訊的主軸。 

因此，Watson與其研究團隊於2013年時利用波長為422與450nm的藍光雷射二極體攜帶非歸零(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年以中心波長為450nm的氮化鎵藍光雷射二極體，建構了16-QAM OFDM資料鏈結進行傳輸容量可達9Gbps與傳輸誤碼率低於3.6×10-3且距離可達9公尺之自由空間傳輸。 

這些研究工作證明了應用氮化鎵藍光發光二極體/雷射二極體於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。為進一步提供白光照明，有研究同儕在2013年首次使用市售的紅藍綠型白色發光二極體建構分波多工可見光傳輸系統[2]，並採用了使用OFDM與CAP調變格式，此外，他們也引入預補償和判別回授等化器(Decision Feedback Equalization, DFE)等技術來改善紅藍綠型白色發光二極體之頻率響應所造成之傳輸性能劣化。 

在分別優化三波長發光二極體所攜帶的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。除了使用可增加頻寬使用率之OFDM調變格式來大幅提升傳輸位元率之外，為了提升光源的調變頻寬，另一研究團隊於2016年使用商用紅藍綠雷射二極體來建構高速可見光無線傳輸系統[10]，由於雷射光源有較好的同調性、3-dB調變頻寬與光電轉換效率，因此可以使用高階之OFDM格式訊號來大幅提升傳輸位元率，最後以16-QAM OFDM格式訊號達到總傳輸位元率為8Gbps，並且以傳輸距離0.5公尺模擬了室內無線傳輸。 

除此之外，以紅藍綠雷射二極體為基礎的系統同時也可以提供色溫約8000K之白光照明，且照度與演色性指數可分別達到54.4與7540流明。此外，同年亦有研究分別利用商用Phosphor白光發光二極體與RGD發光二極體作為上下行光源建構全雙工可見光傳輸系統[11]。其中，他們利用了次載波多工(Subcarrier Multiplexing, SCM)技術來實現分波多工系統，並採用QAM-OFDM資料格式。 

另一方面，為提升傳輸光源的性能，2014年遂有研究利用波長範圍為684-685.5nm之四顆紅光垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)作為傳輸光源建構分波多工可見光傳輸系統[13]，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2.5×4Gbps之15公尺自由空間傳輸。 

以上研究證明了分波多工可見光傳輸系統之潛力，若將分波多工可見光技術引入自動載具通訊系統中，並配合氮化鎵藍光雷射二極體與發光二極體，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[14]。 

老將新秀爭相卡位　 Li-Fi商用進入萌芽期  

截至目前為止，在國外有許多公司已經有前瞻的商業化可見光照明通訊產品問世，例如英國Haas教授參與創立的PureLi-Fi的Li-Fi-X是一款可與筆電連接使用的輕便式產品。另外還有VLNComm的Overhead-light Prototype頭燈模組，以及Velmenni發展專門給Li-Fi收發器模組使用的卡式Router硬體與軟體模組。飛利浦照明更收購了Luciom準備大肆發展Li-Fi&Smart lighting技術與產品。 

至於國內廠商目前則多屬觀望階段但也有廠商已著手進行商用產品研發或生產，學研方面有工業技術研究院電光所與台灣大學光電所，透過學術研究合作非常積極投入Li-Fi技術研發。台灣大學光電所在不管是藍光雷射塗敷螢光粉轉白光或紅藍綠三色雷射混成白光的陸上與水下自由空見可見光通訊(VLC)實驗上，都實現短距離遠高於10Gbps總體位元率的傳輸能力。 

近期台大與UCSB合作在藍光雷射轉換白光Li-Fi系統中對藍光雷射二極體光源、光收集透鏡與接收器方面進行優化，更使得藍光雷射進行接近20公尺點對點的傳輸的容量提升到18Gbps[15]。UCSB的研究群則已有更新的藍光雷射二極體製程技術，能進一步提升藍光雷射二極體直調頻寬至5GHz以上，預期未來這種新型雷射二極體元件將促使20~30Gbps位元率的高頻譜利用率傳輸成為可能。 

工研院電光所方面也已經在照明通訊產業聯盟以及實體Li-Fi網路布建方面有所斬獲，例如在教學醫院建置發光二極體照明與通訊網路，初步已經成功實現單向Li-Fi定位與傳輸能力。未來Li-Fi應該會是一個使用上方向自由度僅次於Wi-Fi的通訊產品，並且能夠與無線網路Wi-Fi與有線光網路PON發揮極佳的互補作用。 

可以預期的是Li-Fi全面性大量的商業用途應該還需要五至十年的發展時程，全球對於這種兼具照明與通訊功能的Li-Fi技術在十年內商業化普及秉持審慎樂觀態度。 

支援多種應用　 Li-Fi發展前景可期  

不論大型賣場倉儲與集會展演空間，或是機船載具客艙及醫療院所等須避免電磁干擾的環境，甚至是水下照明感測探勘等特殊用途都有可能是Li-Fi照明通訊的潛力應用場域。 

除了這些受矚目的發展之外，如何有效運用光學元件與加強接收器增益提高在接收端訊號雜訊比也是一項挑戰。此後如何由照明裝置單向定位與傳輸的局限性功能，邁向個人手持與桌上型照明與通訊裝置也能雙向傳輸應是下一世代重要研發課題。 

(本文作者為台灣大學光電工程研究所暨電機系所長)