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勢必將因為其兼具照明與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)彼此互補的技術(shù)，未來無論在室內(nèi)或移動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，氮化鎵藍光發(fā)光二極管應(yīng)用在自動載具光源上的市值金額將達十億美元以上，并且預(yù)計未來光是自動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)感測的容忍時間與距離都要更短，現(xiàn)今適用于自動載具的安全通訊傳感器技術(shù)包括超音波、微波近程雷達和視訊識別等技術(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載具并實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(biāo)設(shè)置會產(chǎn)生巨額之公共交通系統(tǒng)建構(gòu)成本。
為實現(xiàn)更為實際且低成本的次時代智能交通系統(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建構(gòu)視覺訊息傳達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制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)直調(diào)數(shù)據(jù)，達成1Mbps傳輸速率且角度偏差容忍范圍為5o與誤碼率為10-6之實驗測試。
隨后，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(tǒng)，傳輸正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)并達成60公尺1Mbps與40公尺2Mbps的自由空間可見光傳輸。
為突破單向信息傳輸局限，2008年有研究提出自動載具間通訊系統(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(dǎo)航信息與行駛安全等。
相關(guān)研究為實現(xiàn)自動載具間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年更有研究團隊利用自動載具之發(fā)光二極管頭燈攜帶脈波位置調(diào)變(Pulse Position Modulation, PPM)數(shù)據(jù)格式達成10kbps與20公尺之可見光傳輸。此外，2014年已研究證實了當(dāng)發(fā)光二極管頭燈的偏移位置在0.2~0.4公尺內(nèi)時，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。
為達成智能交通系統(tǒng)，結(jié)合車輛訊息通訊與自動載具間通訊兩項技術(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(dǎo)航信息與行駛安全等應(yīng)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(shù)據(jù)的時間，如自動載具的高速移動會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，在移動載具間的可見光通訊系統(tǒng)如何提升單位時間內(nèi)信息傳輸容量成為現(xiàn)階段一項極大挑戰(zhàn)，同步發(fā)展可耐受高速移動而不犧牲數(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。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，特別是因為使用高調(diào)變帶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)動之相同模塊有一個數(shù)量級以上提升的優(yōu)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(shù)研發(fā)，以其高速傳輸性能優(yōu)化避免碰撞和盲點檢測系統(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輸系統(tǒng)，借以實時控制自動載具動向與擷取其信息如速度、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愿景，使交通環(huán)境更安全與便捷，其概念如圖1所示?！ ?/p>
圖1 Li-Fi系統(tǒng)搭配D分波多任務(wù)PON建構(gòu)智能型運輸系統(tǒng)。數(shù)據(jù)來源：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)價值的普世解決方案。
為實現(xiàn)可同時提供照明與數(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)使藍光發(fā)光二極管輸出轉(zhuǎn)化為白光光源?；旧?，以氮化鎵藍光發(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
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(fā)光二極管的調(diào)變帶寬，進而限制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會使白光Li-Fi的傳輸速度達到數(shù)量級的提升。如果是使用藍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熒光粉體的技術(shù)，如此一來可以避開人眼敏感的藍光區(qū)殘余光量稍為減輕藍光危害，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(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(wù)傳輸，同時也可提供白光照明。為實現(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)變格式時可得傳輸誤碼率為2×10-3，其值小于前向錯誤更正準(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(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，誤碼率小于10-9。
此外，目前的商業(yè)化系統(tǒng)因為使用較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，是必須將目前在實驗室發(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)，實際應(yīng)用到Li-Fi商用模塊才能更進一步促進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)達到兼容互補。
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)的交叉運用，Tsonev與其研究團隊使用藍光微型發(fā)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<2×10-3之傳輸性能。為了進一步提升白光照明Li-Fi系統(tǒng)的傳輸容量與距離，用藍光雷射二極管取代藍光發(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，更是使藍光雷射轉(zhuǎn)白光照明Li-Fi具有極高潛力成為次時代可見光無線通信的主軸。
因此，Watson與其研究團隊于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(guān)鍵控(On-Off Keying, OOK)達成2.5Gbps之自由空間傳輸，此外，Chi與其研究團隊更于2015年以中心波長為450nm的氮化鎵藍光雷射二極管，建構(gòu)了16-QAM OFDM數(shù)據(jù)鏈結(jié)進行傳輸容量可達9Gbps與傳輸誤碼率低于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(yīng)用氮化鎵藍光發(fā)光二極管/雷射二極管于Li-Fi系統(tǒng)以同時實現(xiàn)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(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)補償和判別回授均衡器(Decision Feedback Equalization, DFE)等技術(shù)來改善紅藍綠型白色發(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，另一研究團隊于2016年使用商用紅藍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，以紅藍綠雷射二極管為基礎(chǔ)的系統(tǒng)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(shù)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(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(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)引入自動載具通訊系統(tǒng)中，并配合氮化鎵藍光雷射二極管與發(fā)光二極管，可建構(gòu)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(tǒng)。
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(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合作在藍光雷射轉(zhuǎn)換白光Li-Fi系統(tǒng)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(yōu)化，更使得藍光雷射進行接近20公尺點對點的傳輸?shù)娜萘刻嵘?8Gbps[15]。UCSB的研究群則已有更新的藍光雷射二極管制程技術(shù)，能進一步提升藍光雷射二極管直調(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)成功實現(xiàn)單向Li-Fi定位與傳輸能力。未來Li-Fi應(yīng)該會是一個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展演空間，或是機船載具客艙及醫(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，如何有效運用光學(xué)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(zhàn)。此后如何由照明裝置單向定位與傳輸?shù)木窒扌怨δ埽~向個人手持與桌上型照明與通訊裝置也能雙向傳輸應(yīng)是下一時代重要研發(fā)課題。
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