生成式AI讓矽光子突然成為炙手可熱的話題，但光子技術不止能為高效能運算帶來革命。為了在6G太赫茲(THz)通訊上搶得先機，許多領導大廠及研究單位都已經開始在射頻光纖(RF over Fiber, RoF)上投入更多資源。
生成式AI的出現，迅速榨乾了數位晶片所能提供的運算效能，讓主攻高效能運算(HPC)的晶片業者，必須加快矽光子技術的研發腳步，使其能真正從研發、試產階段走向大量生產。但除了結合矽晶片與光子晶片的矽光子之外，在無線通訊與雷達應用方面，光子(Photonic)技術的進展同樣值得關注，尤其是還在研發中的6G太赫茲通訊，很可能將成為光子技術的另一個殺手應用。
抗衰減特性超耀眼 RoF重要性大增
安立知(Anritsu)業務暨技術支援部副理程昭團(圖1)分享，在2024年9月底落幕的歐洲微波周(EuMW 2024)上，射頻光纖與6G太赫茲技術的結合，是最值得關注的技術進展。
圖1 安立知(Anritsu)業務暨技術支援部副理程昭團表示，在太赫茲通訊系統中，射頻光纖是不可或缺的關鍵技術
程昭團解釋，太赫茲頻段雖然可以提供巨大的可用頻寬，但因為頻率太高，如果要用電氣訊號在射頻單元(RU)跟分散單元(DU)之間建立連線，將會遇到訊號衰減過於嚴重所帶來的種種挑戰。光通訊則沒有這個問題，因此在光纖裡面傳輸射頻訊號，也就是所謂的射頻光纖，成為各家大廠與研究機構在開發太赫茲系統時，所選擇的連線技術。而且，為縮小系統尺寸、提高連線密度，許多業者都提出了以光子為基礎的射頻光纖方案，而不是透過傳統光通訊模組實現。
事實上，光子技術的出現，就是為了要把光通訊模組的尺寸縮小到晶片等級，以降低整個系統的尺寸。因此，光通訊可說是光子技術的搖籃跟主要市場，與矽晶片結合成矽光子，反而是後來衍生出來的發展。
主動相位陣列雷達也是射頻光纖技術目前的主流應用，但雷達屬於感測應用，其技術規格的要求跟通訊不同，加上事涉國防機密，因此外界一般比較難以得知雷達用射頻光纖的發展狀況。這類雷達應用會需要射頻光纖的理由也很容易理解，因為陸基跟艦載主動相位陣列雷達的射頻單元跟後端的訊號處理單元之間，往往距離遙遠，在這個情況下，光纖自然是比電纜更理想的技術選擇。
總結來說，只要射頻的頻率越高、射頻單元跟後端處理單元之間的距離越遠，就越需要使用射頻光纖技術。因此，不只6G太赫茲通訊這類仍極為前瞻的應用需要射頻光纖，使用毫米波的5G基地台、軍用雷達也都會用到這項技術，只是這類應用不是市場規模小，就是產業高度封閉，外界比較不會意識到它們的存在。
R&S展示光子超穩定 可調太赫茲系統
羅德史瓦茲(Rohde & Schwarz, R&S)在今年的歐洲微波周(EuMW 2024)上，就展示了基於光子太赫茲通信鏈路的6G無線資料傳輸系統概念驗證系統(圖2)，以此展現其對下一代無線技術最先進研究的貢獻。該系統是在6G-ADLANTIK專案中開發的超穩定、可調太赫茲系統，基於頻率梳技術，能夠支援超過500GHz的載波頻率。
圖2 羅德史瓦茲在EuMW 2024展上與合作夥伴共同展示6G太赫茲通信鏈路概念驗證系統
在通往6G的道路上，創造提供高品質信號並覆蓋盡可能寬頻率範圍的太赫茲傳輸源至關重要。將光學技術與電子技術相結合，是未來實現這一目標的一種可能方式。在2024年歐洲微波周上，R&S展示了公司在6G-ADLANTIK項目中的最先進太赫茲研究貢獻。該專案專注於開發基於光子和電子整合的太赫茲頻率範圍元件。
這些還在研發中的太赫茲元件可以用於創新測量和更快的資料傳輸。這些組件不僅將在6G通信中找到應用，還將在傳感和成像領域發揮作用。6G-ADLANTIK專案由德國聯邦教育和研究部(BMBF)資助，並由R&S協調，彙集了TOPTICA Photonics AG、Fraunhofer-Institut HHI、Microwave Photonics GmbH、柏林工業大學和Spinner GmbH等合作夥伴。
該概念驗證展示了一個基於光子太赫茲混頻器的6G無線資料傳輸用超穩定、可調太赫茲系統，該系統利用頻率梳技術實現了太赫茲訊號的生成。在這種方法中，光電二極體通過光混合過程高效地將源自略有不同光學頻率的雷射光學拍頻訊號轉換為電訊號。圍繞光混頻器的天線結構將振盪的光電流轉換為太赫茲波。由此產生的訊號可以進行調變和解調，以應用於6G無線通訊，並且可以在廣泛的頻率範圍內輕鬆調節。該展示系統還可以擴展到使用相干接收的太赫茲信號進行元件表徵。該專案的工作範圍還包括太赫茲波導架構的模擬與設計以及超低相位雜訊光參考振盪器的開發。
系統的超低相位雜訊是由TOPTICA雷射引擎中的梳鎖光學頻率合成器(OFS)實現的。R&S的先進儀器也是設置的一部分：R&S SFI100A寬頻IF向量訊號產生器以16GS/s的取樣速率創建用於光學調變器的基礎訊號。R&S SMA100B射頻和微波訊號產生器為TOPTICA OFS系統生成穩定的參考時脈訊號。R&S RTP示波器在光導連續波(cw)太赫茲接收器(Rx)之後，以40GS/s的取樣速率採集基礎訊號，以便進一步處理和解調300GHz載頻信號。
光子晶片走向主流還須依靠台灣供應鏈
不過，在射頻光纖可望因6G太赫茲通訊等應用的興起而走向主流之際，如何量產足夠的光子晶片，並降低其成本，將是整條供應鏈的挑戰。
程昭團指出，目前光子晶片市場基本上是歐美廠商的天下，特別是歐洲業者。因為歐洲廠商在光通訊領域布局早，累積了相當多設計經驗，而且光子晶片本質上是化合物半導體，不是主流的矽製程。但也因為如此，倘若射頻光纖應用隨著6G太赫茲通訊的興起而爆發，目前光子晶片的產能將無法滿足市場需求，而且在歐美製造，成本也很難壓低。
換言之，如果歐美業者要大規模生產光子晶片，可能還是要找亞洲的半導體業者合作。例如台灣化合物半導體晶圓代工龍頭穩懋，就特別參加了今年的EuMW展，尋找與當地業者合作的機會。但其實不只穩懋，晶圓探針卡業者旺矽也參與了今年的展會。這些半導體製造相關業者，顯然都已經開始加強光子晶片的布局力道。
光子晶片的產線測試，也有許多挑戰需要克服。例如目前光子晶片的I/O跟電源都在晶片的同一側，因此在測試時經常會出現互相干涉，難以下針的情況。如果光子晶片在設計的時候，能參考晶背供電(Backside PDN)架構的概念，把電與光的I/O接點分開，就能明顯降低連接待測物的困難度，也為日後走向自動化測試打下基礎。
事實上，目前光子晶片的測試儀器已經相當成熟，例如安立知本身就有一系列可以測試光子晶片的儀器，包含MS4647B向量網路分析儀、MP1900A訊號品質分析儀與MP2110A誤碼率測試儀。如何有效率地將待測物連接到儀器上，反而是比較大的挑戰。
要解決這個問題，需要一定程度的標準化。因此，台積電等領導業者合組矽光子聯盟，試圖號召產業鏈上下游，共同建立一整套標準，從晶片測試的角度來說，是相當歡迎的。有了標準化，才容易進一步發展自動化；有了自動化，才能談大量生產。