可見光通訊(Visible light communication, VLC)是一種新興的無線通訊技術，可成為室內無線通訊如Wi-Fi的替代方案，由於許多無線通訊頻譜已被占用，可見光通訊能有效地利用空白的頻譜資源，以緩解5G及物聯網(IoT)所使用擁擠的通訊頻譜。在能源損耗的問題上，使用生活中用來照明的燈光作為VLC系統中傳輸資料工具，必能減少不必要的能源消耗，由此可見VLC在未來肯定也是節能的一大關鍵。VLC的潛在應用還包括了汽車和航空航太、室內網路以及行動定位服務等。舉例像是在室內的商業辦公室中，使用VLC可以得到比現今更快速的資料傳輸速度；或是支援IoT的連接設備日益增多，需要VLC所提供的高速連接來發送和接收即時更新。因此，Li-Fi的重要性已非常顯著，未來若達到Li-Fi的普及，不管是街燈、大型看板、紅綠燈及室內照明等與LED相關的應用皆可成為網路傳輸的發射源，如圖一(a)為可見光通訊在未來5G世代的實際應用場景。並透過植入晶片網路接入點，控制光源發出高速訊號，來控制終端接收器的網路傳輸，如圖一(b)VLC之工作原理。
圖一、(a)可見光通訊在未來5G世代的應用場景；(b)VLC之工作原理。
可見光通訊可由雷射或LED作為系統的光源及發射端，扮演著傳輸與照明的角色，其中LED具有對人眼較安全、無須頻譜使用許可等優點，更適合作為VLC系統的光源。在常見的紅、藍、綠三色LED中，綠光LED因受限於材料特性的影響，在頻寬的表現上仍有很大的進步空間，但綠光LED在塑膠光纖通訊和水下無線光通訊具有較大的優勢，因為綠光在塑膠光纖和海水中的損耗較小。一般而言，傳統大尺寸的LED (40 mil)僅能達到數10 MHz的頻寬，無法達到較高速率的傳輸。因此，可以透過縮小晶片尺寸的方式即Micro-LED來提高傳輸速率與通訊品質。
國立陽明交通大學的郭浩中講座教授、鄒志偉教授與美國耶魯大學的韓仲教授團隊共同合作，由韓教授的團隊開發適合高速半極化LED的磊晶片，並由郭教授的研究團隊進行Micro-LED晶片的設計與製作，最後由鄒教授的研究團隊完成通訊性能的開發與驗證。
為了解決晶片縮小因表面缺陷造成LED光電特性不佳的問題，郭浩中教授研究團隊導入原子層鈍化沉積技術(Atomic layer deposition, ALD)來提升元件輻射複合的效率，減少漏電流的產生，開發出高性能的高速綠光Micro-LED元件。相關研究成果發表於2020年被頂尖光電期刊《ACS Photonics, vol. 7, no. 8, pp. 2228-2235, 2020》，郭教授提及：「過去本研究團隊在半極化綠光Micro-LED研究成果實現高達756 MHz頻寬，是綠光LED中已知最好的成果。今年我們更是透過元件設計與製程上的改良來提升頻寬，最終實現大於1 GHz的頻寬。」
此外，負責光通訊系統架設的鄒教授研究團隊開發適合用於綠光Micro-LED元件的正交分頻多工(Orthogonal-frequency-division-multiplexing, OFDM)調變技術，初步地在距離25公分的空氣中進行訊號的傳輸與接收，16-QAM和8-QAM的星座圖如圖三(a)所示，達到大於3 Gbit/s的傳輸速率且符合前向錯誤更正的標準，上述研究成果也在光通訊領域權威的光纖與通訊研討會上公開發表《2021 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), IEEE, 2021》。
為了更進一步提高傳輸速率，鄒教授的研究團隊導入了更高級別的位元和功率負載正交分頻多工調變技術，同樣在滿足前向錯誤更正的標準下實現大於4.3 Gbit/s的傳輸速率，是目前已知的綠光LED中最高速的傳輸速率，如圖三(b)所示。相關研究近期也被期刊《IEEE Photonics Journal》接受。
圖二、(a) 在VLC系統中使用正交分頻多工調變技術之架設圖；(b) 半極化綠光Micro-LED陣列在不同電流下的頻率響應。
圖三、(a)功率負載的量測圖及16-QAM和8-QAM的星座圖；(b)經由調變技術後綠光LED傳輸速率之比較圖。
該團隊在綠光Micro-LED的研究成果展示藉由磊晶製程改善材料特性、Micro-LED晶片設計與鈍化製程的開發及通訊調變技術，突破了綠光LED因材料特性而無法實現高頻寬的困境，這些成果也受到國際學術界的肯定，意味著可見光通訊的來臨指日可待，最後也感謝晶元光電(EPISTAR)對本計畫相關研究的支持與指導。
相關研究發表請見:
1. Sung-Wen Huang Chen, et al. "High-Bandwidth Green Semipolar (20–21) InGaN/GaN Micro Light-Emitting Diodes for Visible Light Communication." ACS Photonics, vol. 7, no. 8, pp. 2228-2235, 2020.
2. Yun-Han chang, et al. “3.129-Gbit/s OFDM Visible Light Communication Using Semipolar Green μ-Light Emitting Diode (μ-LED) Array”, Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), 2021.
Source: 陽明交通大學
