Li-Fi技術(shù)持續(xù)突破　可見光照明通訊向商用化挺進(jìn)

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　　近十年來在經(jīng)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(shù)，以及在氮化鎵(GaN)藍(lán)光發(fā)光與雷射二極管組件制程技術(shù)及量產(chǎn)商品蓬勃發(fā)展態(tài)勢之下，可見照明通訊在短短幾年間立即成為產(chǎn)官學(xué)研界熱烈討論的關(guān)鍵性發(fā)展課題。在不久的將來，Li-Fi勢必將因?yàn)槠浼婢哒彰髋c通訊整合的雙重用途，而成為智能家居生活不可或缺的革命性技術(shù)。

　　擴(kuò)大應(yīng)用范圍　 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(wǎng)絡(luò)彼此互補(bǔ)的技術(shù)，未來無論在室內(nèi)或移動(dòng)載具或水下等特殊空間地形或電磁遮蔽的環(huán)境都能有其發(fā)展的前景。另外，根據(jù)智能服務(wù)技術(shù)的最新研究顯示，氮化鎵藍(lán)光發(fā)光二極管應(yīng)用在自動(dòng)載具光源上的市值金額將達(dá)十億美元以上，并且預(yù)計(jì)未來光是自動(dòng)載具之前后燈模塊每年利潤增長將超過一成，而發(fā)光二極管車用照明在未來幾年隨滲透率逐步提升將創(chuàng)造相當(dāng)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(chǎn)值。在現(xiàn)今的交通系統(tǒng)中，交通信號如紅綠燈僅局限于給與駕駛?cè)艘曈X訊息之功能，并借此達(dá)成交通流量控管的目的。然而，這樣的系統(tǒng)在信息爆炸的當(dāng)今并不足以給予駕駛?cè)巳鐚?dǎo)航、交通與安全訊息等足夠的信息。尤其在未來無人駕駛自動(dòng)載具的開發(fā)與成熟推廣方面，可防止碰撞、確保安全的周圍環(huán)境參數(shù)快速監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)作非常重要。

　　可見光通訊加持　 行車安全添戰(zhàn)力

　　因應(yīng)車輛速度越快使得系統(tǒng)感測的容忍時(shí)間與距離都要更短，現(xiàn)今適用于自動(dòng)載具的安全通訊傳感器技術(shù)包括超音波、微波近程雷達(dá)和視訊識別等技術(shù)。為跳脫傳統(tǒng)框架，車輛訊息和通訊系統(tǒng)(Vehicle Information and Communication System, VICS)的概念早于1996年被提出，其主要概念是利用設(shè)置于道路旁之光訊號源所發(fā)出之紅外光，偵測路上行駛之自動(dòng)載具并實(shí)時(shí)掌握交通訊息以期在第一時(shí)間控制交通流量。然而VICS遲至今日仍未能被真正地實(shí)用化的原因是大量的光信標(biāo)設(shè)置會(huì)產(chǎn)生巨額之公共交通系統(tǒng)建構(gòu)成本。

　　為實(shí)現(xiàn)更為實(shí)際且低成本的次時(shí)代智能交通系統(tǒng)，遂有研究指出以發(fā)光二極管取代交通信號燈的方式來同時(shí)建構(gòu)視覺訊息傳達(dá)與可見光訊息通訊的可行性。該系統(tǒng)利用綠光發(fā)光二極管為傳輸光源攜帶二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)直調(diào)數(shù)據(jù)，達(dá)成1Mbps傳輸速率且角度偏差容忍范圍為5o與誤碼率為10-6之實(shí)驗(yàn)測試。

　　隨后，在2009年提出的一個(gè)新型道路與自動(dòng)載具(Road-to-Vehicle, R2V)可見光通訊系統(tǒng)，傳輸正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)并達(dá)成60公尺1Mbps與40公尺2Mbps的自由空間可見光傳輸。

　　為突破單向信息傳輸局限，2008年有研究提出自動(dòng)載具間通訊系統(tǒng)(Inter-Vehicle Communication, IVC)的概念，利用現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如Wi-Fi與藍(lán)牙作為載具間通訊的媒介，借此滿足自動(dòng)載具間大量通訊之需求如車間定位、流量管制、導(dǎo)航信息與行駛安全等。

　　相關(guān)研究為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)載具間IVC，已經(jīng)利用頭燈與定位燈結(jié)合展示了100Mbps之可見光傳輸系。2013年更有研究團(tuán)隊(duì)利用自動(dòng)載具之發(fā)光二極管頭燈攜帶脈波位置調(diào)變(Pulse Position Modulation, PPM)數(shù)據(jù)格式達(dá)成10kbps與20公尺之可見光傳輸。此外，2014年已研究證實(shí)了當(dāng)發(fā)光二極管頭燈的偏移位置在0.2~0.4公尺內(nèi)時(shí)，其所建構(gòu)之車對車(C2C)可見光傳輸系統(tǒng)仍能有傳輸距離為20公尺且傳輸速率為2Mbps之性能。

　　為達(dá)成智能交通系統(tǒng)，結(jié)合車輛訊息通訊與自動(dòng)載具間通訊兩項(xiàng)技術(shù)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(dòng)載具之頭燈與定位燈達(dá)成多方訊息傳輸與交換，借此提供車間定位、流量管制、導(dǎo)航信息與行駛安全等應(yīng)用。然而在這樣的概念下，自動(dòng)載具之移動(dòng)速度必定會(huì)影響接收端所能擷取數(shù)據(jù)的時(shí)間，如自動(dòng)載具的高速移動(dòng)會(huì)使接收角快速偏移而導(dǎo)致接收端無法完整接收信息。

　　顯然，在移動(dòng)載具間的可見光通訊系統(tǒng)如何提升單位時(shí)間內(nèi)信息傳輸容量成為現(xiàn)階段一項(xiàng)極大挑戰(zhàn)，同步發(fā)展可耐受高速移動(dòng)而不犧牲數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)速率之可見光照明通訊源將成為下一步研究的熱點(diǎn)。因此，雷射光測距與通訊感測技術(shù)也于近期被評估與應(yīng)用，特別是因?yàn)槭褂酶哒{(diào)變帶寬的氮化鎵藍(lán)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(lán)光敏晶體管的單晶化制程兼容性，將使得成像感測速度較之使用硅晶體管驅(qū)動(dòng)之相同模塊有一個(gè)數(shù)量級以上提升的優(yōu)勢。

　　因此利用氮化鎵藍(lán)光雷射二極管作為光源進(jìn)行下一時(shí)代無人駕駛自動(dòng)載具之間(Vehicle-to-Vehicle, V2V)的通訊與感測技術(shù)研發(fā)，以其高速傳輸性能優(yōu)化避免碰撞和盲點(diǎn)檢測系統(tǒng)，與優(yōu)化成像速度和影像深度對比的產(chǎn)品或許相當(dāng)可行。若再配合分波多任務(wù)分配所需信息，更可建立可見光通訊智能型運(yùn)輸系統(tǒng)，借以實(shí)時(shí)控制自動(dòng)載具動(dòng)向與擷取其信息如速度、位置、行進(jìn)方向以及行車狀況，進(jìn)而達(dá)成次時(shí)代無人駕駛自動(dòng)載具之愿景，使交通環(huán)境更安全與便捷，其概念如圖1所示。

圖1 Li-Fi系統(tǒng)搭配D分波多任務(wù)PON建構(gòu)智能型運(yùn)輸系統(tǒng)。數(shù)據(jù)源：SMF：Single-mode fiber。Sweet Home 3D, Copyright(c) 2005-2015 Emmanuel PUYBA RET/eTeks

　　基于上述不論是智能住宅照明通訊或是車用照明通訊感測等次時(shí)代應(yīng)用技術(shù)需求，可見光照明與通訊兩用Li-Fi光源與相關(guān)訊號處理模塊等產(chǎn)品的研發(fā)需求已勢不可擋。理論上，建構(gòu)Li-Fi系統(tǒng)的關(guān)鍵在于尋求可同時(shí)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(guān)鍵產(chǎn)品是LED，因具高亮度、低功耗及長壽命等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于公共建設(shè)與信息產(chǎn)品作為標(biāo)準(zhǔn)光源。因此，使用發(fā)光二極管來建立Li-Fi系統(tǒng)一直以來被認(rèn)為是具有創(chuàng)造性與長期開發(fā)價(jià)值的普世解決方案。

　　為實(shí)現(xiàn)可同時(shí)提供照明與數(shù)據(jù)傳輸之白光發(fā)光二極管，目前的研究多以紅綠藍(lán)三色發(fā)光二極管混成白光光源或引用黃磷光體(Yellow Phosphor)使藍(lán)光發(fā)光二極管輸出轉(zhuǎn)化為白光光源?；旧希缘壦{(lán)光發(fā)光二極管加上色轉(zhuǎn)換熒光體產(chǎn)生的白光照明光源，比利用紅藍(lán)綠三色發(fā)光二極管混成的白光產(chǎn)生技術(shù)更能降低光源復(fù)雜度與系統(tǒng)成本。然而，此二者所使用的傳統(tǒng)發(fā)光二極管其內(nèi)部量子效率與光取出率受限于組件接口之內(nèi)部反射效應(yīng)，使得部分由主動(dòng)層激發(fā)的光子被局限于組件內(nèi)部導(dǎo)致輸出光功率受限。

　　為突破此限制，遂有具備高內(nèi)部量子效率、光取出率與調(diào)變帶寬的微型發(fā)光二極管(μLED)數(shù)組因而被提出。

　　Li-Fi光源潛力股　 微型發(fā)光二極管數(shù)組登場

　　2017年起在發(fā)光二極管與雷射二極管(LD)組件技術(shù)上都有新的發(fā)展，發(fā)光二極管的尺寸縮小化成為微型發(fā)光二極管后導(dǎo)致其響應(yīng)速度變快，調(diào)變帶寬變大，LD成長在不同指向基板的組件同調(diào)(Coherence)性能優(yōu)化，使得雷射輸出線寬變窄，直調(diào)帶寬擴(kuò)大。

　　上述的發(fā)展都將有利于可見光通訊整體可傳輸比特率容量的提升。在硬件技術(shù)方面方面要同時(shí)兼顧照明性能需求的光源帶寬提升與熒光粉體的熒光轉(zhuǎn)換活期縮短，咸認(rèn)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(guān)鍵。然而不可避免的是在采用熒光色轉(zhuǎn)換技術(shù)時(shí)所需的載子能階躍遷，因?yàn)榫哂幸欢ǖ某谠r(shí)間而仍然會(huì)相對地降低藍(lán)光發(fā)光二極管的調(diào)變帶寬，進(jìn)而限制Li-Fi系統(tǒng)傳輸容量。

　　所幸近年學(xué)術(shù)界在轉(zhuǎn)移波長熒光材料研發(fā)上也有重要的進(jìn)展，可以商業(yè)化量產(chǎn)且活期短至數(shù)納秒的熒光材料已經(jīng)問世。上述這些高速組件與材料將有機(jī)會(huì)使白光Li-Fi的傳輸速度達(dá)到數(shù)量級的提升。如果是使用藍(lán)光雷射二極管取代發(fā)光二極管配合熒光粉體形成的白光光源，在帶寬方面毫無問題但須考慮如何提升流明效率、調(diào)控演色度與控制殘余藍(lán)光強(qiáng)度以免危害人眼等問題。若使用紫外波長雷射二極管搭配熒光粉體的技術(shù)，如此一來可以避開人眼敏感的藍(lán)光區(qū)殘余光量稍為減輕藍(lán)光危害，二來可以拓寬波長轉(zhuǎn)換后黃綠光區(qū)帶寬對演色度的調(diào)整更有幫助。

　　除了現(xiàn)有的氮化鎵藍(lán)光雷射二極管之外，日本住友商事為此極具市場價(jià)值的未來應(yīng)用甚至已先一步開發(fā)出綠光側(cè)射型雷射二極管。而分波多任務(wù)技術(shù)也被視為建構(gòu)高速可見光通訊傳輸系統(tǒng)的一個(gè)有效方案。在目前的研究中，分波多任務(wù)可見光傳輸系統(tǒng)多以紅藍(lán)綠光源混成形式作為傳輸光源，其不僅可達(dá)成三載波之分波多任務(wù)傳輸，同時(shí)也可提供白光照明。為實(shí)現(xiàn)分波多任務(wù)可見光傳輸系統(tǒng)，有研究工作首先于2011年以波長為700、530與470nm之紅藍(lán)綠發(fā)光二極管數(shù)組建構(gòu)分波多任務(wù)可見光傳輸系統(tǒng)[8]，并在使用離散多載波調(diào)變(Discrete Multitone, DMT)作為調(diào)變格式時(shí)可得傳輸誤碼率為2×10-3，其值小于前向錯(cuò)誤更正準(zhǔn)則(Forward Error Correction, FEC)所規(guī)定之誤碼率3.8×10-3。

　　為降低分波多任務(wù)可見光傳輸系統(tǒng)的建構(gòu)成本以提升其商品化之可能性，2012年時(shí)也有研究團(tuán)隊(duì)提出了以市售之671nm紅光與532nm綠光雷射筆建構(gòu)雙波長分波多任務(wù)可見光傳輸系統(tǒng)[9]，并使用NRZ-OOK數(shù)據(jù)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(jìn)行了10公尺自由空間傳輸，且在各波長達(dá)到500Mbps傳輸速率下，誤碼率小于10-9。

　　此外，目前的商業(yè)化系統(tǒng)因?yàn)槭褂幂^低頻譜利用率的傳統(tǒng)數(shù)字訊號格式，所以無法在相同的發(fā)光二極管或雷射二極管有限帶寬內(nèi)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(shí)驗(yàn)室發(fā)展中，且在無線網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的高帶寬使用率位格式訊號收發(fā)電路與模塊技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用到Li-Fi商用模塊才能更進(jìn)一步促進(jìn)Li-Fi與現(xiàn)階段4G甚或是下一階段5G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)達(dá)到兼容互補(bǔ)。

　　目前白光照明Li-Fi系統(tǒng)中為提升可調(diào)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(jìn)制正交振幅調(diào)變-正交分頻多任務(wù)(QAM-OFDM)作為調(diào)變格式。借助以上各種軟硬件技術(shù)的交叉運(yùn)用，Tsonev與其研究團(tuán)隊(duì)使用藍(lán)光微型發(fā)光二極管在2014年時(shí)首度進(jìn)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(shí)可達(dá)成誤碼率<2×10-3之傳輸性能。為了進(jìn)一步提升白光照明Li-Fi系統(tǒng)的傳輸容量與距離，用藍(lán)光雷射二極管取代藍(lán)光發(fā)光二極管具有可自由使用的直調(diào)帶寬高(~GHz)、不受電磁波影響且在大氣中傳輸損耗小等優(yōu)點(diǎn)，更是使藍(lán)光雷射轉(zhuǎn)白光照明Li-Fi具有極高潛力成為次時(shí)代可見光無線通信的主軸。

　　因此，Watson與其研究團(tuán)隊(duì)于2013年時(shí)利用波長為422與450nm的藍(lán)光雷射二極管攜帶非歸零(Non-Return-to-Zero, NRZ)開關(guān)鍵控(On-Off Keying, OOK)達(dá)成2.5Gbps之自由空間傳輸，此外，Chi與其研究團(tuán)隊(duì)更于2015年以中心波長為450nm的氮化鎵藍(lán)光雷射二極管，建構(gòu)了16-QAM OFDM數(shù)據(jù)鏈結(jié)進(jìn)行傳輸容量可達(dá)9Gbps與傳輸誤碼率低于3.6×10-3且距離可達(dá)9公尺之自由空間傳輸。

　　這些研究工作證明了應(yīng)用氮化鎵藍(lán)光發(fā)光二極管/雷射二極管于Li-Fi系統(tǒng)以同時(shí)實(shí)現(xiàn)白光照明與可見光無線通信之可行性。為進(jìn)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(lán)綠型白色發(fā)光二極管建構(gòu)分波多任務(wù)可見光傳輸系統(tǒng)，并采用了使用OFDM與CAP調(diào)變格式，此外，他們也引入預(yù)補(bǔ)償和判別回授均衡器(Decision Feedback Equalization, DFE)等技術(shù)來改善紅藍(lán)綠型白色發(fā)光二極管之頻率響應(yīng)所造成之傳輸性能劣化。

　　在分別優(yōu)化三波長發(fā)光二極管所攜帶的CAP數(shù)據(jù)格式后，其成功地進(jìn)行了3.22Gbps傳輸速率且白光傳輸25公分自由空間，其傳輸誤碼率皆小于10-3。除了使用可增加帶寬使用率之OFDM調(diào)變格式來大幅提升傳輸比特率之外，為了提升光源的調(diào)變帶寬，另一研究團(tuán)隊(duì)于2016年使用商用紅藍(lán)綠雷射二極管來建構(gòu)高速可見光無線傳輸系統(tǒng)[10]，由于雷射光源有較好的同調(diào)性、3-dB調(diào)變帶寬與光電轉(zhuǎn)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，最后以16-QAM OFDM格式訊號達(dá)到總傳輸比特率為8Gbps，并且以傳輸距離0.5公尺模擬了室內(nèi)無線傳輸。

　　除此之外，以紅藍(lán)綠雷射二極管為基礎(chǔ)的系統(tǒng)同時(shí)也可以提供色溫約8000K之白光照明，且照度與演色性指數(shù)可分別達(dá)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(fā)光二極管與RGD發(fā)光二極管作為上下行光源建構(gòu)全雙工可見光傳輸系統(tǒng)[11]。其中，他們利用了次載波多任務(wù)(Subcarrier Multiplexing, SCM)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)分波多任務(wù)系統(tǒng)，并采用QAM-OFDM數(shù)據(jù)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范圍為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(gòu)分波多任務(wù)可見光傳輸系統(tǒng)[13]，并搭配空間光調(diào)變器(Spatial Light Modulator, SLM)調(diào)變16-QAM OFDM格式訊號于傳輸光源上，達(dá)成傳輸速率達(dá)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(wù)可見光傳輸系統(tǒng)之潛力，若將分波多任務(wù)可見光技術(shù)引入自動(dòng)載具通訊系統(tǒng)中，并配合氮化鎵藍(lán)光雷射二極管與發(fā)光二極管，可建構(gòu)能同時(shí)提供大量自動(dòng)載具高速存取且成本低廉之可見光照明/傳輸系統(tǒng)。

　　老將新秀爭相卡位　 Li-Fi商用進(jìn)入萌芽期

　　截至目前為止，在國外有許多公司已經(jīng)有前瞻的商業(yè)化可見光照明通訊產(chǎn)品問世，例如英國Haas教授參與創(chuàng)立的PureLi-Fi的Li-Fi-X是一款可與筆電連接使用的輕便式產(chǎn)品。另外還有VLNComm的Overhead-light Prototype頭燈模塊，以及Velmenni發(fā)展專門給Li-Fi收發(fā)器模塊使用的卡式Router硬件與軟件模塊。飛利浦照明更收購了Luciom準(zhǔn)備大肆發(fā)展Li-Fi&Smart lighting技術(shù)與產(chǎn)品。

　　近期臺大與UCSB合作在藍(lán)光雷射轉(zhuǎn)換白光Li-Fi系統(tǒng)中對藍(lán)光雷射二極管光源、光收集透鏡與接收器方面進(jìn)行優(yōu)化，更使得藍(lán)光雷射進(jìn)行接近20公尺點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸?shù)娜萘刻嵘?8Gbps[15]。UCSB的研究群則已有更新的藍(lán)光雷射二極管制程技術(shù)，能進(jìn)一步提升藍(lán)光雷射二極管直調(diào)帶寬至5GHz以上，預(yù)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(jīng)在照明通訊產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟以及實(shí)體Li-Fi網(wǎng)絡(luò)布建方面有所斬獲，例如在教學(xué)醫(yī)院建置發(fā)光二極管照明與通訊網(wǎng)絡(luò)，初步已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)單向Li-Fi定位與傳輸能力。未來Li-Fi應(yīng)該會(huì)是一個(gè)使用上方向自由度僅次于Wi-Fi的通訊產(chǎn)品，并且能夠與無線網(wǎng)絡(luò)Wi-Fi與有線光網(wǎng)絡(luò)PON發(fā)揮極佳的互補(bǔ)作用。

　　可以預(yù)期的是Li-Fi全面性大量的商業(yè)用途應(yīng)該還需要五至十年的發(fā)展時(shí)程，全球?qū)τ谶@種兼具照明與通訊功能的Li-Fi技術(shù)在十年內(nèi)商業(yè)化普及秉持審慎樂觀態(tài)度。

　　支持多種應(yīng)用　 Li-Fi發(fā)展前景可期

　　不論大型賣場倉儲與集會(huì)展演空間，或是機(jī)船載具客艙及醫(yī)療院所等須避免電磁干擾的環(huán)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(yīng)用場域。

　　除了這些受矚目的發(fā)展之外，如何有效運(yùn)用光學(xué)組件與加強(qiáng)接收器增益提高在接收端訊號噪聲比也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。此后如何由照明裝置單向定位與傳輸?shù)木窒扌怨δ?，邁向個(gè)人手持與桌上型照明與通訊裝置也能雙向傳輸應(yīng)是下一時(shí)代重要研發(fā)課題。