近年來高效率固態照明的發展使得發光二極體取代了傳統的光源。使用藍色LED激發黃色螢光粉形成的白光LED，因其低成本成為當今照明系統的主流，同時利用光源進行傳輸，使其兼具照明以及資料傳輸的通訊應用，且照明波段落在可見光，我們就將其稱為可見光通訊(Visible Light Communication, VLC)。可見光通訊同時可以提供照明和通信 (5G and B5G)，且具有免許可和無電磁干擾(EMI)的特性，不僅應用於汽車(EV)和航空航太、室內網路以及行動定位服務。此外由於可見光通訊只在室內有光的地方才能接收到資料，不易受到監聽或網路盜用的問題，安全性比Wi-Fi高。2021年開始美國陸軍也與pureLifi合作，期許藉由LiFi隱私性高的優點全面提升並解決國防與國家資安等問題。

 

國立陽明交通大學的郭浩中教授, 鄒志偉教授 美國Yale Univ. 韓仲教授研究團隊及鴻海研究院團隊合作，首次展示了創紀錄的高速白光VLC系統，達到2.473 Gbit/s的傳輸速率，該系統使用具有藍色半極性(20-21) InGaN/GaN Micro-LED陣列搭配黃色螢光膜。該成果不僅滿足前向錯誤更正的標準（pre-forward-error-correction bit-error-rate, pre-FEC BER）=3.8 × 10⁻³，且白光的相關色溫(correlated color temperature, CCT)為7500K。本研究透過元件設計與製程上的改良來提升頻寬，實測半極化藍光Micro-LED和白光Micro-LED研究成果實現高達1042.5 MHz和772.4 MHz。

 

研究團隊開發了半極性（20-21）藍色Micro-LED陣列的架構。其結構利用金屬有機化學氣相沉積(Metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)用於在圖形化藍寶石襯底(pattern sapphire substrate, PSS)頂部生長摻鍺半極性(20-21) GaN，依序向上生長未摻雜的GaN、n型GaN層、InGaN/GaN單對量子阱(single quantum well, SQW)和p型GaN層。郭浩中團隊將白光Micro-LED陣列進行光譜測量，研究結果顯示，其放射峰分別在445 nm和545 nm處具有藍色和黃色波峰，且該元件所測的白光色溫為7500 K，如圖一所示。

 

圖一、(a)半極性(20-21)藍色Micro-LED陣列的架構；(b)光譜圖；(c) CIE 1931 色度座標。

 

圖二(a)(b)分別為半極化2 × 4藍光Micro-LED未點亮與點亮後在光學顯微鏡下的影像。透過將半極化2 × 4藍光Micro-LED陣列打線到LED封裝杯中，再將其焊接到印刷電路板 (printed circuit board, PCB) 上以進行驅動，最後於半極化藍光Micro-LED陣列上貼黃色螢光膜製作成白光光源。此外也在其前後分別安裝聚焦透鏡，聚焦白光光源的同時也提升接收發光強度，如圖二(c)(d)所示。負責光通訊系統架設的鄒教授研究團隊開發適合用於半極化藍光Micro-LED元件的正交分頻多工(Orthogonal-frequency-division-multiplexing, OFDM)調變技術來提高頻譜效率，初步地在距離10公分的空氣中進行訊號的傳輸與接收，8-QAM的星座圖如圖三(b)所示。而該團隊量測結果顯示，白光VLC系統實現的淨數據速率為2.473 Gbit/s，BER為2.73 × 10⁻³，接收功率為 0.43 mW，測得的半極化藍光和白光的3-dB帶寬分別為1042.5 MHz和772.4 MHz。滿足前向誤碼率臨界點，為一項重大的突破。上述研究成果也在國際頂級光通訊領域權威的光纖與通訊研討會上公開發表《2022 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), IEEE, 2022》。

 

https://doi.org/10.1364/PRJ.437689 Vol. 9, No. 10 / October 2021 / Photonics Research Spotlight on Optics (optica.org)

 

 

圖二、(a)(b)未點亮與點亮後半極化藍光Micro-LED在光學顯微鏡下影像；(c)白光光源焊接到印刷電路板；(d)在白光光源前後加上透鏡後的樣貌。

圖三、(a)半極化藍光Micro-LED陣列與白光Micro-LED的頻率響應圖；(b)功率負載的量測圖8-QAM的星座圖；(c)載噪比(C/N)與誤碼率(BER)；(d)白光傳輸速率之benchmark。