理想光源兼顧照明/傳輸　Li-Fi可見光通訊大有可為

自2011年，英國愛丁堡大學哈斯教授(Prof. Harald Hass)於TED演講時提出室內照明光源兼顧通訊用途之Li-Fi(Light-Fidelity)概念後，發光波長約為350∼780奈米之可見光無線通訊(Visible Light Communication或稱Optical Wireless Communication, VLC或稱OWC)在短短幾年間便成為全球學/業界研究熱點，且被視為未來銜接人類社會所有通訊網路，將全球高速光纖與無線通訊網延伸至住家、特定空間與個人手持裝置的必要發展。若與傳統射頻(Radio Frequency, RF)和光纖通訊(Fiber-based Communication)相比，VLC具有無需頻寬使用許可、無電磁干擾以及可於自由空間傳輸等特性，使其在飛機艙內、室內(包含家庭、店家、畫展與辦公室)網路、車間通訊、戶外接收資訊、手機間通訊、潛水探勘與醫療通訊應用上均提供了更高的彈性。此外相較於當前使用之4G與Wi-Fi等無線通訊方式，VLC雖然光源照射範圍有限，只有在特定範圍內才能夠接收到訊息，但也因此大幅提升現今無線網路所欠缺的資料安全性，在室內照明應用時也無須考慮會干擾其他房間之傳輸訊號。

目前，能融合智慧型住宅中照明系統的VLC已經由概念呈現逐步進階至商用系統原型，美國Bytelight、韓國Emart以及荷蘭皇家飛利浦(Royal Philips NV)已成功整合照明與通訊技術，並搭配智慧型手機在各賣場實現個人化定位與商品導覽應用。迪士尼國際研發機構Disney Research近年來也投入VLC相關研究，使玩具與衣物間能透過無線光通訊彼此連結，產生互動，試圖在現實生活裡呈現童話故事中的樣貌。

國內工研院也與彰基醫院合作開發VLC護理交班與醫療儀器定位系統，藉由照明光結合通訊做為室內定位系統，使醫護人員在交班時，一旦手持裝置進入可見光範圍，即可進行自動定位與醫療設備盤點以降低人力及工時。此外，將Li-Fi概念整合入全球物聯網也是近期產學研究主題中令人矚目之一環。如圖1所示為未來Li-Fi應用於室內與街道上之簡易示意圖。

圖1 Li-Fi概念實現室內與街道照明通訊傳輸系統。

除了室內照明與通訊外，Li-Fi亦十分有潛力運用於車間(Vehicle-to-Vehicle, V2V)或車與交通號誌間之通訊。在現今交通系統中，交通號誌如紅綠燈僅局限於給與駕駛人視覺訊息，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，為防止碰撞，確保安全，周圍環境參數之快速監控系統的運作非常重要。另因應車輛速度越來越快，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有超音波、微波近程雷達與影像識別等技術，此外雷射光測距與通訊感測技術也於近期被評估與應用，特別是使用高調變頻寬的雷射能提高影像解析力，同時與電晶體的單晶化製程存在相容性，將使成像感測速度較使用矽電晶體驅動之相同模組有數量提升之優勢。因此利用雷射作為自動載具間之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，已成為次世代無人駕駛自動載具開發中令人振奮的關鍵技術。

同時若配合分波多工被動光纖網路(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，使我們的交通環境更安全與便捷。

在實現Li-Fi光源以提供照明通訊方面，其發展趨勢須至少滿足以下兩項需求：首先是必須要能在節能條件下具有高發光效率，其次須具有高顯色性與高色彩飽和度。目前針對Li-Fi照明光源之研究以藍色與紫色兩種光源為基底，首先在藍色光源部分，藉由紅色、綠色、與藍色(Red/Green/Blue)三色光源混成技術或者單獨使用藍色光源搭配黃色螢光粉(Phosphor)皆可產生白光。

另外在紫色光源部分，利用紫色光源搭配紅色、綠色與藍色螢光粉亦能實現照明光源，其中，RGB三色混成白光之優點為可藉由調整三色光混成比例，藉此改變白光色溫以適應不同使用場所，但因需要多色光源與對應之驅動電路而使生產與維護成本提高，另外因為不同光源之使用壽命不同，元件可靠度與穩定性亦不佳。

相較之下藍色光源搭配黃色螢光粉，以光致發光機制激發螢光粉產生放光，透過黃藍互補產生白光之方式具有元件製作容易且成本較低之優點，同時具有較佳之發光效率，是目前相當普遍的做法，但由於其所產生之白光並不含紅光與紫光部分，在與自然光或太陽光相比時，其演色性略低，對此，紫色光源搭配紅色、綠色與藍色螢光粉轉換白光之光譜分布均衡，演色性亦相對高，對提高照明品質有實質意義，但因紫光能量高，會使材料快速老化為其缺點。

此外，若從通訊觀點來看，單一光源搭配螢光粉方式在產生白光的過程中，其發光光子打在螢光粉上所造成之躍遷會因其緩慢的弛豫時間而降低光源傳輸容量，相較之下，RGB三色光源混成方式雖然建構成本高，但因使用了多光源，能大幅提升Li-Fi之傳輸容量。

由以上論述可發現，尋求可同時提供高速傳輸與長效照明能力之可見光源為建構Li-Fi之關鍵技術。對此，發光二極體(Light Emitting Diode, LED)因其具有高亮度、低功率損耗及壽命長等優點，被許多公共建設與資訊產品如車燈、交通號誌，室內/外照明燈具、顯示器、廣告招牌與智慧型手機等視為標準光源。 因此，使用LED來實現Li-Fi概念被視為具有長期開發價值之方案，然而以長遠來看，雖然以LED為主之Li-Fi可提供優良白光照明品質，但其傳輸速率會受限於LED之有限頻寬。因此，具有較高驅動電流密度、較小元件電容以及較高調變頻寬之-LED隨後被提出，然而-LED在過高驅動電流時會降低內部量子效率，進而限制其調變與發光性能為其缺點。

整體來說，在考量未來資料量擴增以及多元訊號格式傳輸負載位元率可能不足的前提之下，以LED(或-LED)為主之光源來建構Li-Fi似乎力有不逮。為此，學術界先進近年來開始倡議Li-Fi光源之未來發展應依循過去近紅外光纖通訊發展的足跡，由以LED為主之低調變頻寬光源進展至以雷射二極體(Laser Diode, LD)為主之高同調性光源。與LED相比，LD因其具有調變頻寬高(∼GHz)、發散角小、發射功率高且在大氣或水(海)下傳輸損耗小等優點，使以LD為主的Li-Fi具有極高發展潛力成為次世代可見光無線通訊之主軸，特別是考慮用於有高容量數據傳輸需求之場所，但也因為LD之發散角小，即便在構成照明光源時配合散光機制以達到廣角照明，其可照明角度相比於LED仍略有不足，也因此會降低可傳輸容量。

綜合以上資訊可發現，在產生Li-Fi光源時，不容易找到光源與混光技術之合適組合以提供良好照明品質與高傳輸速率於所有場合，因此在實用上，應該以局部場合為主，因應需求尋求最佳方案。此外無論是以LED或LD為主所產生之白光，即便發光品質非常接近自然光，其眩光與對人眼之危害依舊存在，特別是當前白光的產生多以高能量之藍色或紫色光源為主，對此，當前光學技術透過合理的燈具設計已可有效控制眩光，此外，在白光的產生中審慎控制光譜成分中的藍(紫)光強度亦可降低對人眼危害之問題。

為有效提升LED及LD之頻譜使用率以增加Li-Fi傳輸容量，目前許多研究以無載波振幅相位(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)作為其調變格式，並亦有研究以多輸入多輸出(MIMO)來實現高容量Li-Fi。

最後須強調，雖然Li-Fi具有應用於諸多場所之應用潛力，但並非被提出以取代目前的3G、4G、Wi-Fi甚至是未來的5G，而是在諸多無線通訊技術中，提供使用者多一項選擇。總體而言，基於對Li-Fi之看好，不但學/業界許多研究群正積極開發同時具有高照明與傳輸品質之Li-Fi，當前世界各國也針對可見光通訊於交通管制、廣告以及家庭區域網路等應用陸續建立相關標準，同時根據Grand View Research的最新研究報告顯示，可見光通訊之整體市場價值可望在2024年達到千億美元，足見其發展潛力，期望未來能藉由透過Li-Fi與當前有線/無線之整合打造更高效能的全球網路環境。

(本文作者紀裕傑為台大光電所獨立博士後學者，蔡政庭、王懷永為台大光電所博士班學生，林恭如為台大光電所特聘教授兼所長)