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迎接「光世代」,Li-Fi 讓你有光就能上網

此時此刻閱讀這篇網路文章的你,可能正在使用咖啡店的無線網路,或是偷用隔壁鄰居忘記設密碼的熱點,相信過去也經常為了龜速的網速,或者競爭有限的頻寬而感到十足不耐。

現在有越來越多的電子產品需要網際網路,網路塞車的現象將越趨明顯。為解決此一問題,愛丁堡大學哈洛德海斯(Harald Haas)教授想到,為什麼不用光線來傳輸資料呢?

光線如何變成高速網路線?

你大概沒想過 LED 燈除了節省電力,還能擔當起網路信號發射器的角色。只要在日常使用的 LED 燈中內置一顆微型晶片調整燈光,加上目前 LED 燈的普及,便可創造全新的上網途徑-「Li-Fi(Light-Fidelit)」,也被稱為「可見光通訊(Visible Light Communication, VLC)」。

Li-Fi 光通訊利用 LED 燈泡做為訊號的發射器,並裝設光電二極體(photodiode)作為接收器,當燈泡亮起即代表 1,熄滅代表 0,藉由光線編碼並傳輸資訊。由於燈泡閃爍速度極快,人類肉眼並無法察覺其變化。

利用光線來通訊的 Li-Fi,和 Wi-Fi 相比具備更大的頻寬、更快的傳輸速度,可能將為無線網路通訊技術帶來革命性的改變,解決無線網路傳輸技術當今的眾多侷限。

未來的LED燈除了照明功能,也能透過光線閃爍提供上網服務,速度比現在的Wi-fi更快。(圖片來源:Wikimedia Commons 作者:Alejosemejiagp)

德國、英國、台灣都在研究的光線傳輸能力

2012年德國柏林的研究團隊,在只有一個 LED 燈泡的情形下,達成每秒 500MB 的傳輸速度。倘若同時使用一排 LED 燈,或是使用不同顏色波段的燈泡,甚至就能傳送更大量的訊息。英國愛丁堡大學的哈洛德海斯(Harald Haas)教授說:「所有的元件跟機制都已經就定位,現在只要把他們放在一起、使之運作即可。」

台灣的研究團隊在可見光通訊領域中也佔有一席之地,如何改善現有技術、突破「傳輸速率」及「空氣中自由傳輸距離」限制,是各團隊努力的重點。國立臺北科技大學光電工程系呂海涵教授帶領的團隊,使用紅光雷射光作為光源,將技術推進到在一秒內傳輸 10 Gbps的資料,這代表一部 1.5 小時的高畫質電影只要 45 秒就能下載完成!同時,允許的資料傳輸距離也達到 17.5 公尺,突破一般白光 LED 燈 5 公尺的距離限制。

「網路光世代」,用光更加安全的上網

Li-Fi 跟 Wi-Fi 本質上都是電磁波的一種,只是波長不一樣。Li-Fi 所運用的肉眼可見光,波長介於 400 奈米至 700 奈米之間,波長較短、頻率也較高;而 Wi-Fi 所使用的微波,波長則約在1毫米至1公尺之間,容易受到無線電波干擾。Li-Fi 很可能突破因無線電波干擾造成的上網死區,例如飛機的客艙,或是醫院。只要光透得過去,甚至在水中也能有網路訊號。

由於 Wi-Fi 是微波、可以穿透牆壁等物體,因此只要進入到特定 Wi-Fi 的範圍就可能使用或盜取資料;然而 Li-Fi 使用的可見光線並無法穿透牆壁,因此得以限制資料傳輸的範圍,加強傳輸安全。

但,只要沒了光,Li-Fi 便無用武之處。也就是說,在戶外缺乏人工照明的地方,或者白天室內日光充足沒開燈的時候,都沒有辦法使用Li-Fi。 就現階段而言,Li-Fi距離要完全打敗Wi-Fi或是普及化,仍遭遇一些困難。

直視瓶頸,Li-Fi 必須兼顧傳輸速率與距離才能真正普及

台北科技大學光電工程系專案研究助理教授李忠益指出,目前可見光通訊使用之光源分為可見光雷射和 LED 兩種。雷射的指向性高、發散角小,所以不會受到其他光線的干擾及影響;然而 LED 因具有大的發散角,故容易受到強光、光線及陽光等影響。

為解決這項問題,可以在 Li-Fi 的發射端及接收端加入一些機制,如:發射端使用特定波長來進行光訊號的傳遞,接收端可於接收光訊號前加入濾波片,將不需要或多餘的光線(波長)濾除,只讓載有訊號的光(波長)通過,減少光線或強光等干擾。

此外,Li-Fi 若要真正打入市場,必須提供比過去的無線網路更為優異的傳輸表現,並且兼顧傳輸速率與距離。目前利用可見光雷射所建構之可見光通訊系統技術上已漸成熟,全面商用普及化不是問題。而以 LED 為光源所建構之可見光通訊系統,因 LED 先天頻率限制,要達到高傳輸速率需要更為複雜的調變方式,同時在光源發散情況下,傳輸速率越高,其傳輸距離就越短(僅剩約幾十公分),造成速率與距離無法兼具的情況,也是造成全面商用普及化的最大因素。

未來,Wi-Fi 可能與 Li-Fi 相輔相成,提供人們更便捷的網路通道。Li-Fi 已經成為光通訊研究領域相當亮眼的熱門主題,目前也有許多業者推出具有 Li-Fi 功能的電子產品,業者也預測,Li-Fi的傳輸速率將達到每秒 400Gbps。相信在不遠的未來,只要有光的地方,就能高速上網。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所
審校:陳妤寧

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

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關於作者

成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。