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制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，而成為智能家居生活不可或缺的革命性技術。
擴大應用范圍 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絡彼此互補的技術，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，根據智能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，并且預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，而發光二極管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，交通信號如紅綠燈僅局限于給與駕駛人視覺訊息之功能，并借此達成交通流量控管的目的。然而，這樣的系統在信息爆炸的當今并不足以給予駕駛人如導航、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，現今適用于自動載具的安全通訊傳感器技術包括超音波、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)的概念早于1996年被提出，其主要概念是利用設置于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能交通系統，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，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(Inter-Vehicle Communication, IVC)的概念，利用現行網絡架構如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、導航信息與行駛安全等。
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。
為達成智能交通系統，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、導航信息與行駛安全等應用。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信息。
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信息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于近期被評估與應用，特別是因為使用高調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動之相同模塊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信息，更可建立可見光通訊智能型運輸系統，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建構智能型運輸系統。數據源：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塊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于公共建設與信息產品作為標準光源。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熒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復雜度與系統成本。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于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于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后導致其響應速度變快，調變帶寬變大，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，直調帶寬擴大。
上述的發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采用熒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帶寬，進而限制Li-Fi系統傳輸容量。
所幸近年學術界在轉移波長熒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熒光材料已經問世。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，如此一來可以避開人眼敏感的藍光區殘余光量稍為減輕藍光危害，二來可以拓寬波長轉換后黃綠光區帶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，有研究工作首先于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]，并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，其值小于前向錯誤更正準則(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]，并使用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，誤碼率小于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字訊號格式，所以無法在相同的發光二極管或雷射二極管有限帶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，且在無線網絡中廣泛使用的高帶寬使用率位格式訊號收發電路與模塊技術，實際應用到Li-Fi商用模塊才能更進一步促進Li-Fi與現階段4G甚或是下一階段5G無線網絡技術達到兼容互補。
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。借助以上各種軟硬件技術的交叉運用，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<2×10-3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，用藍光雷射二極管取代藍光發光二極管具有可自由使用的直調帶寬高(~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，建構了16-QAM OFDM數據鏈結進行傳輸容量可達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用氮化鎵藍光發光二極管/雷射二極管于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，并采用了使用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調變格式來大幅提升傳輸比特率之外，為了提升光源的調變帶寬，另一研究團隊于2016年使用商用紅藍綠雷射二極管來建構高速可見光無線傳輸系統[10]，由于雷射光源有較好的同調性、3-dB調變帶寬與光電轉換效率，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，并采用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)作為傳輸光源建構分波多任務可見光傳輸系統[13]，并搭配空間光調變器(Spatial Light Modulator, SLM)調變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，并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頭燈模塊，以及Velmenni發展專門給Li-Fi收發器模塊使用的卡式Router硬件與軟件模塊。飛利浦照明更收購了Luciom準備大肆發展Li-Fi&Smart lighting技術與產品。
近期臺大與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制程技術，能進一步提升藍光雷射二極管直調帶寬至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以及實體Li-Fi網絡布建方面有所斬獲，例如在教學醫院建置發光二極管照明與通訊網絡，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于Wi-Fi的通訊產品，并且能夠與無線網絡Wi-Fi與有線光網絡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，全球對于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。此后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。
