．Li-Fi 技術持續突破，可見光照明通訊向商用化挺進

Taking LiFi mainstream 以 LiFi 為主流

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來源：2cm 作者：林恭如  

　　圖片來源：https://pixabay.com/photo-2049321/

　　

近十年來，在經由英國Herald Haas教授等人，倡議自由空間照明與通訊，兩用的Light-Fidelity(Li-Fi)技術，以及在氮化鎵(GaN)藍光發光，與雷射二極管組件製程技術，及量產商品蓬勃發展態勢之下，可見照明通訊在短短幾年間，立即成為產官學研界熱烈討論的關鍵性發展課題。

在不久的將來，Li-Fi勢必將因為其兼具，照明與通訊整合的雙重用途，而成為智慧家庭生活不可或缺的革命性技術。

擴大應用範圍　 Li-Fi/Wi-Fi相輔相成

Li-Fi是一種能與目前空間自由度，最大的無線通信(Wi-Fi)，以及傳輸比特率容量，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管應用，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，每年利潤成長將超過一成，而發光二極管車用照明，在未來幾年隨普及率逐步提升，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，交通信號如紅綠燈僅局限於給與駕駛人視覺訊息之功能，並借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辨識等技術。為跳脫傳統框架，車輛資訊和通訊系統(Vehicle Information and Communication System, VICS)的概念早於 1996 年被提出，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巨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時代智慧交通系統，遂有研究指出以發光二極管取代交通信號燈的方式，來同時建構視覺訊息傳達與可見光訊息通訊的可行性。該系統利用綠光發光二極管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，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侷限，2008 年有研究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，借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。2013 年更有研究團隊利用自動載具之發光二極管頭燈攜帶脈波位置調變(Pulse Position Modulation, PPM)數據格式達成 10kbps 與 20 公尺之可見光傳輸。此外，2014 年已研究證實了當發光二極管頭燈的偏移位置在 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。

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，其借助道路旁之交通信號和自動載具之頭燈與定位燈，達成多方訊息傳輸與交換，借此提供車間定位、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數據的時間，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，而不犧牲數據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管，所能提升的高影像解析深度，以及其未來與氮化鎵藍光敏晶體管的單晶化製程相容性，將使得成像感測速度較之使用矽晶體管驅動之相同模組，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管，作為光源進行下一時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。若再配合分波多任務分配所需資訊，更可建立可見光通訊智慧型運輸系統，借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，進而達成次時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 分波多任務 PON 建構智慧型運輸系統。數據源：SMF：Single-mode fiber。Sweet Home 3D, Copyright(c) 2005-2015 Emmanuel PUYBA RET/eTeks

　　

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時代應用技術需求，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，使用發光二極管來建立 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數據傳輸之白光發光二極管，目前的研究多以紅綠藍三色發光二極管混成白光光源或引用黃磷光體(Yellow Phosphor)使藍光發光二極管輸出轉化為白光光源。基本上，以氮化鎵藍光發光二極管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管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管其內部量子效率與光取出率受限於組件接口之內部反射效應，使得部分由主動層激發的光子被局限於組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、光取出率與調變帶寬的微型發光二極管(μLED)數組因而被提出。

Li-Fi 光源潛力股 微型發光二極管數組登場

2017年起在發光二極管與雷射二極管(LD)組件技術上，都有新的發展，發光二極管的尺寸縮小化成為微型發光二極管後，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組件同調(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，整體可傳輸比特率容量的提升。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 具備足夠下傳比特率，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管的調變頻寬，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，短至數納秒的螢光材料已經問世。上述這些高速組件與材料，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管，取代發光二極管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管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，黃綠光區頻寬對演色度的調整更有幫助。

除了現有的氮化鎵藍光雷射二極管之外，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管。而分波多任務技術，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，分波多任務可見光傳輸系統，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任務傳輸，同時也可提供白光照明。為實現分波多任務可見光傳輸系統，有研究工作首先於 2011 年以波長為 700、530 與 470nm 之紅藍綠發光二極管數組，建構分波多任務可見光傳輸系統[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。

為降低分波多任務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，建構雙波長分波多任務可見光傳輸系統[9]，並使用 NRZ-OOK 數據格式。在接收端借助前置放大器，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管或雷射二極管，有限頻寬內再提升其比特率。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，以增加總通訊比特率容量，多以無載波振幅相位，與多進制正交振幅調變 - 正交分頻多任務(QAM-OFDM)作為調變格式。借助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管，在 2014 年時首度進行了比特率為 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 i-fi="" span="" z="">

因此，Watson 與其研究團隊於 2013 年時利用波長為 422 與 450nm 的藍光雷射二極管，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管，建構了 16-QAM OFDM 數據鏈結，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管/雷射二極管於 Li-Fi 系統，以同時實現白光照明與可見光無線通信之可行性。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管，建構分波多任務可見光傳輸系統，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均衡器(Decision Feedback Equalization, DFE)等技術，來改善紅藍綠型白色發光二極管之頻率響應，所造成之傳輸性能劣化。

在分別優化三波長發光二極管，所攜帶的CAP數據格式後，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，來大幅提升傳輸比特率之外，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管，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，來大幅提升傳輸比特率，最後以 16-QAM OFDM 格式訊號達到總傳輸比特率為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，以紅藍綠雷射二極管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白光發光二極管與 RGD 發光二極管，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任務(Subcarrier Multiplexing, SCM)技術，來實現分波多任務系統，並採用QAM-OFDM數據格式。

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任務可見光傳輸系統[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，分波多任務可見光傳輸系統之潛力，若將分波多任務可見光技術，引入自動載具通訊系統中，並配合氮化鎵藍光雷射二極管與發光二極管，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。

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。

近期台大與 UCSB 合作，在藍光雷射轉換白光 Li-Fi 系統中，對藍光雷射二極管光源、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管製程技術，能進一步提升藍光雷射二極管，直調頻寬至5GHz以上，預期未來這種新型雷射二極管組件，將促使 20~30Gbps 比特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，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管照明與通訊網路，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。

支持多種應用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，如何有效運用光學組件，與加強接收器增益提高在接收端訊號噪聲比，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時代重要研發課題。

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