化無線為無限：光纖-無線射頻科技『超高速(20Gbit/s)光電-無線通信技術的開發』　　

　清華大學物理系潘犀靈教授帶領的研究團隊領先全球開發出無線通信頻寬達20Gbit/s之關鍵技術和系統，其速度可將高解析度長達兩小時的DVD訊號，在一秒內傳完，是4G無線通訊傳輸技術的 20倍到200倍。這項最新的突破性研究結果已透過記者會發表，廣受國際學術界矚目。

　　隨著智慧型手機人手一機的普及，和超高畫質3-D影像時代的來臨，人類對於頻寬的須求也不斷的增加。然而，以現有的3G或是4G的無線通信技術，是很難滿足人類在未來的10年內對頻寬和速度的渴求。和光纖通信技術相比，雖然無線通信的頻寬遠小於光纖通信技術，但其有無可比擬的機動性和靈活性。計畫研發團隊結合有線(光纖)、無線兩種通信系統優點的情形下進行超高頻(~100GHz)超高速無線通信之相關研究。迄今已開發出無線通信頻寬達20Gbit/s之關鍵技術和系統，其速度可在二十秒鐘內下載10部片長兩小時的高畫質DVD電影（每片容量為4.75GB）。

　　該系統基本架構如圖一所示。首先我們須要一個從中央通信基地(central office) 傳播到基地台的光纖(有線)通信頻道，此光纖內搭載著超寬頻無線通信所須要的載波頻率(~100GHz)。在基地台再利用光偵測器將此光信號轉為100 GHz電信號，並與 20 Gbit/sec 的資料混合並以無線方式傳到用戶端。和傳統的無線通信系統相比，使用光纖在此系統中不僅可以降低微波的傳播損耗，也可以大幅增加網路的穩定性。在這系統中，高效能的微波光源扮演著關鍵性的角色，它決定了整個系統的訊雜比（通訊品質）。為了實現這個光源，我們使用了超快光電的技術。

　　時間上等間隔的光脈衝稱為脈衝序列，其中兩發脈衝的時間間隔稱之為週期，而此週期之倒數即為此光脈衝序列之重複率。在降低脈衝寬度的同時，另一個重要的研究議題為提升脈衝序列之重複率。尤其是在本計畫中，脈衝之重複率直接決定了後續產生的毫微米電波頻率，可見能夠產生數百GHz重複率的短脈衝序列是非常重要的。

　　以現今狀況而言，能夠同時達到產生的光脈衝又短(< 1皮秒)，重複率又高(>100 GHz)的技術是微乎其微。光脈衝逐線塑形是一種能夠對光頻梳的每一根梳線，做獨立相位與振幅控制的技術。而光頻梳則提供了一個超高時間同調性的光源。本計畫中，由清華大學光電所黃承彬教授領導的團隊結合了外調式光頻梳與光脈衝逐線塑型這兩個關鍵技術，成功地產生了31至496 GHz重複率可調的皮秒光脈衝序列。此外，藉由時域自我顯像(temporal self-imaging)的概念，該系統不用任何色散補償光纖，就能夠將皮秒光脈衝序列，完美地傳替至25公里的單模光纖距離以外，進而以實驗證實高效能遠端毫微米波訊號的產生

　

圖一、超寬頻訊號光纖－無線通訊通信系統架構示意圖

　　另ㄧ方面，本計劃中最後一哩的光電發射器則是由中央大學許晉瑋教授團隊所發展。這個獨特的模組之前級電路是以槽線型傳輸線架構設計，整個電路包括射頻扼流器、毫米波帶通與帶止濾波器及天線饋入電路(如圖二(a))。此前級電路具有寬頻、低損耗之特性，此外製程不需額外之打線(bond wire)，大大地提升製作良率，系統整合上採用覆晶之方式將前級電路與光二極體結合成單一晶片，此晶片可將寬頻訊號，如高畫質視訊，調制於毫米波載波之上，調制後之高畫質視訊再透過高指向性之號角天線無線傳送至定點(如圖二(b))。

(a)

 (b)

圖二、(a)光電發射器之電路與結構整合示意圖, (b)  光電發射器之實驗架設照片

　　因應高資訊流量的時代的來臨，高速、低成本之通信頻道有迫切的需求。高速無線通信頻寬的需求量預計從2104年，每年的成長率以二倍數增加。由於台灣在微電子具有高度的競爭優勢。本計畫結合尖端光電技術，使台灣相關的通信公司，不僅止於販售智慧型手機和門號，且能提供通信系統技術的解決方案，成為手機供應商的合作伙伴，因此可望協助台灣相關的業者，提升技術層次和市場的競爭力。

　 　 　

參考文獻

  1. J.-W. Shi, C.-B. Huang, and Ci-Ling Pan*, “Millimeter-wave Photonic Wireless Links for Very-High Data Rate Communication,” invited review article, NPG Asia Materials, Vol. 3, No. 2, pp. 41-48, April 2011.
  2. F.-M. Kuo, C.-B. Huang, J.-W. Shi, Nan-Wei Chen, H.-P. Chuang, John E. Bowers, and Ci-Ling Pan, “Remotely Up-converted 20 Gbit/s Error-Free Wireless On-off-keying Data Transmission at W-band using an Ultra-Wideband Photonic Transmitter-Mixer,” IEEE Photonics J., Vol. 3, No. 2, pp. 209-219, April 2011.
  3. J. W. Lin, H. P. Chuang, F.M. Kuo, C. H. Lin, T. A. Liu, J.-W. Shi, C. B. Huang, and C. L. Pan*, “Enhanced Performance of Narrow-Band Millimeter-Wave Generation Using Shaped-Pulse-Excited Photonic Transmitters,” IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 23, Issue 13, pp. 902-904, 1 July, 2011
　

　

潘犀靈教授實驗室網頁

http://www.phys.nthu.edu.tw/~clpanlab/

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