有效降低5G基地台建設成本　毫米波光纖網路設計持續突破

5G行動通訊網路相較於現行4G行動通訊網路的發展，將能提供更高位元率與更密集涵蓋率之通訊服務給更大量使用者，其預計使用未開發與無需執照之毫米波頻段搭載多樣化資訊服務。目前24~29GHz與35~50GHz因具有大於1GHz可用頻寬，已被三星(Samsung)與英特爾(Intel)等廠商認定為主要開發頻段。

然而毫米波載波自身高大氣衰減特性，會嚴重限制其傳遞範圍，因此5G行動通訊網路必定採用主被動光纖網路系統做為傳輸骨幹網路，攜帶毫米波訊號以連結基地台，並使用整合式主動天線單元(Active Antenna Unit, AAU)取代分離式遠端射頻單元(Remote Radio Unit, RRU)建構高密度蜂巢式行動網路。利用光纖通訊可長距離傳輸之特性大幅減小毫米波載波所需的涵蓋範圍與發射功率，但主被動光纖網路系統攜帶之基頻訊號於基地台光接收端欲轉換為毫米波訊號，仍需在主動天線單元端使用高頻上轉換所需之混頻器與本地震盪器，沿用此法建構5G行動通訊網路將大幅增加基地台建置成本。

有望降低5G基站成本雙模光載波設計添利多

最新研究則指出利用雙模光源攜帶基頻訊號於主被動光纖網路系統中傳輸，可於光接收端利用高速光偵測器之拍頻偵測原理全光產生毫米波訊號，這種光纖載毫米波無線通訊技術僅需引用雙模光載波，有機會降低5G行動通訊網路基地台建構成本。從4G大幅更新轉換成5G系統的技術發展集中在智慧型基站與毫米波轉換設計，其次是5G融合多輸入多輸出技術(MIMO)技術，光轉載毫米波以及毫米波波束整形MMWoF技術開發(圖1)。

然而未來5G通信系統研發有許多關鍵技術待解，主要是因應下一代行動業務多樣化和豐富化的三種應用場景：(1)增強型行動寬頻(eMBB)，為用戶提供高速和更寬頻的服務；(2)機器類通訊(mMTC)，提供具有數百億連接設備和感測器的物聯網(IoT)方案；(3)針對關鍵性應用的超可靠和低延遲通訊(URLLC)，如工業自動化和智慧交通系統。對於eMBB應用方案，為了給用戶提供高達Gbps級別的高速數據傳輸，更高頻率的載波在5G通訊系統中是不可或缺的。工作頻段可分為6GHz以下的低頻段和6GHz以上的高頻段，低頻段主要用於室外的連接，高頻段則用於高速數據傳輸。

許多國家都專注於研究高頻段頻譜，未來5G的潛在頻段主要包括以下範圍：24.25~28.35GHz、37~40GHz和64~71GHz。雖然較高頻段的射頻(RF)載波可以提供更豐富的頻譜資源給更快的服務，但傳輸距離會因為空氣的衰減而受到嚴重的限制，為了提供給用戶高品質服務(QoS)，需要更密集的蜂巢式結構。因此，能夠提供更高頻寬且經濟簡單的基站(BS)結構是重要關鍵。因此，毫米波光纖網路(MMWoF)技術被視為未來5G以上通訊系統中高頻載波的長距離傳輸和有效覆蓋率的關鍵解決方案。

當前已有團隊提出新架構的全雙工MMWoF系統，不僅可以消除長距離傳輸的下行鏈路和上行鏈路的色散，而且還可以降低對連接模式(CS)的高頻寬調變器和偵測器的需求。採用上游光源的集中分布來實現無色(BS)結構。利用附加光交叉連接(OXC)單元，下游訊號和上游載波可以隨機組合，有效地提高了波長資源的利用率和MMWoF系統的靈活性。此外，由於其時間和分波多工(TWDM)技術的相容性而提高了系統容量，並且可以利用現有的光纖資源。在這種新型結構的基礎上，通過下游訊號和上游光源的靈活組合，打造出全雙工26GHz TWDM-RoF實驗系統。實現了用於下行鏈路和上行鏈路的可靠傳輸，並且其中每個數據其傳輸速率在40km光纖上為1.25Gbps。

此外，RAPID5G集團在波蘭華沙的購物中心展示了多無線存取點(5G、4G及Wi-Fi)行動網路，該網路支援新穎的頻寬為60GHz的5G行動存取以及傳統的LTE和Wi-Fi，所有行動存取服務都通過光纖互連到行動網路電信商和網際網服務提供商的資料中心。60GHz 5G eMBB單元的最大傳輸速率為856Mbps。使用60GHz 5G服務已可讓VR耳機用戶可以體驗8K 360o視訊無線虛擬實境連接。

加快訊息流量/回傳速度電信商建構高速回傳網路

為加速使用者端訊號流量與使用狀況回傳，電信業者須建構高速優化回傳網路系統、路由與服務，以滿足用戶多媒體接取服務應用需求。為了可以提供更高的傳輸位元率及更廣的調變頻寬來建構5G無線通訊系統，目前已有各大通訊公司於毫米波頻段開發測試，其中包含了Samsung所提出的28GHz毫米波以及Intel所提出的38GHz毫米波頻段來建構5G無線通訊系統並提供1GHz之調變頻寬。在大氣中28GHz和38GHz載波的損耗分別僅0.06及0.08dB/km，比起無需使用證照的57~64GHz頻段來說明顯降低了超過10dB。

自1998年起G.H. Smith等人就提出全雙工光纖毫米波整合傳輸網路以提供寬頻網路服務，研究以星狀樹形結構結合分波多工被動光纖網路，並搭配次載波多工技術將局端提供之服務傳送至遠端天線基地台。該研究團隊成功達成40km單模光纖之二相移向鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)傳輸，其中下行毫米波頻段為35.8、37.8與39.3GHz且傳輸傳輸率為155Mbit/s，另上行毫米波頻段為37GHz且傳輸率為51.8Mbps。

此外，Cao等人開發了28及38GHz兩種用於毫米波室內光纖無線網路架構並且討論和研究關鍵元件─陣列波導光柵反饋迴路(AWG-loop)。透過陣列波導光柵反饋迴路的設計，Cao等人進一步設計兩個光纖無線系統以適應兩種網路架構，並採用高頻寬使用率之16進制正交振幅調，在28GHz及38GHz的頻段實現單一通道的位元率可達8Gbps的毫米波光纖無線通訊系統。A. T. Latunde等人設計了28GHz的QAM-OFDM光纖毫米波系統。利用帶有訊號的光載波與本地震盪的光載波所合成的雙模光源透過高速光偵測器拍頻出28GHz之毫米波載波並帶有升頻的傳輸資料。

在無線接收端，採用自我降頻的方式以避免使用高頻的變頻振盪器來有效降低系統成本。其在經過40公里的光纖傳輸後，可達成10.78Gbps的傳輸位元率。但對個人用戶來說因應各式無線通訊內容的快速發展，現今所使用的4G行動電信網路在滿足容量需求及在服務提供者端的速度方面逐漸到達瓶頸。同時，在毫米波頻段(30~300GHz)中之無線載波的新世紀無線通訊架構已經在發展，往後的幾年其也將用於解決提供單一用戶超過10Gbps的資料傳輸率。24+GHz頻段包含一些偏好28/38/60/72GHz頻道的新載波頻率正被提議並且商業方面的應用也已經在研究，特別是用於下一階段5G無線標準。

高頻電載波具大量衰減問題

然而，這樣的高頻電載波在長距離無線傳輸下仍有大量衰減的問題；因此，光纖與使用無線毫米波的融合變成延伸5G無線網路涵蓋率的一項具潛力之解決方案。雙窄頻光學載波的產生對實現微波與光纖整合系統是相當重要的，在傳統方法中，最簡單的方式是使用不同波長的兩個分散式回饋雷射二極體。然而，兩個自由震盪分散式回饋雷射二極體的相位是隨機的，這樣遠端產生毫米波載波的頻率及尖峰功率在使用光檢測器拍頻兩分散式回饋雷射二極體在沒有使用鎖相迴路的情況是不穩定的。

雙窄頻正交光注入

為了避免毫米波-微波與光纖整合系統的複雜性，一個在馬赫-德爾干涉儀中單模雷射的非線性外部調變，在典型的微波與光纖整合系統被用來當作是雙窄頻光學載波對遠端拍頻產生一個純且穩定的微波載波。Pablo Pérez團隊利用利用1550nm波段單橫模垂直共振腔面射型雷射進行雙窄頻正交光注入來達成微波訊號的光子產生。單光束注入鎖定技術的其中一個優點是微波頻率可以藉由透過各種微波鎖定技術應用在從屬的雷射來達到穩定狀態。如果是透過外部兩個獨立的雷射產生之微波，則這些技術是沒辦法直接使用的，對於單光束注入鎖定，在雙光注入得到微波訊號透過鎖定技術應用在從屬雷射才能穩定，這個方法將優於混光方法。

此外Wang團隊則是使用有單模注入鎖定和直接調變之無色雷射二極體的正交極化雙窄頻光學載波產生35GHz毫米波無線載波提供8Gbps的資料傳輸率。Han團隊則是直接調變雙窄頻雷射並且將調變頻率設定鬆弛震盪頻率，調變非線性效應增強產生多邊帶相位鎖定進而造成高達47GHz的毫米波載波線寬可低至10Hz，另利用雙窄頻雷射自我注入與光電自震盪迴路整合技術產生毫米波載波也可產生高質量可調式微波訊號範圍。

DFB雷射

在上述雙頻雷射毫米波光纖無線通訊系統中，微波源加載資料需要依靠高速半導體雷射的直接高速調變。然而多模半導體雷射在高速調變時，旁模會抑制光纖系統的傳輸頻寬，而DFB(Distributed Feedback)半導體雷射藉由適當的光柵設計來達到只有特定波長擁有分布回饋的作用，進而製造出單模與雙模操作的半導體雷射，相較DBR(Distributed Bragg Reflector)雷射，DFB雷射結構較簡單也相對容易製作。2007年德國團隊所展示之直接調變法之二段式DFB雷射，其金屬電極有兩個，其中一個為電流相位調整之用，利用相位電流(Phase Current)微調其部分的折射係數，並且配合DFB雷射的原有光場互相干涉，可以使得調變頻率大幅提高至40GHz。

2013年北京團隊所展示之直接調變DFB雷射，其團隊所做可調式雙模DFB之磊晶是藉由選擇式面積成長的技術，把鈦整合到上面，作為一個加熱器，運用其高電阻加電壓後會產生熱，來調變頻率。而調變頻率範圍為42.2GHz至1THz，此製作方式簡單，可大幅降低成本。而光學外差干涉(Optical Heterodyne)法，係利用兩個不同的光波長干涉來產生高頻訊號。在兩個單石化的雷射中間加入空氣柱所形成DBR，控制光場回授機制與大小達到高功率之微波輸出。兩個模波長可藉由分別調整DFB上面的微型加熱器電流控制，其外差頻率可接近40~50GHz的範圍。

由上述可知，有多種方法可使得DFB雷射達到雙模態的輸出條件，因此直接調變的雙模DFB雷射透過光電整合技術發展出一個體積小、功率高、線寬窄的新穎微波產生器相當可行。要形成完美的雙模DFB雷射，光柵結構的控制相當重要，光柵形狀會決定所需要的繞射階數，而蝕刻深度、光柵離主動區的距離主要會影響耦合效率，等效折射率的計算精準度也相當重要，因為等效折射率會影響光柵週期的選擇。此外，背脊深度也會影響等效折射率必須精確控制。另外，劈裂時所造成的相位差會影響雙模的強度均勻性，需精準控制劈裂位置在所需相位才能將元件均勻性與良率提高。光柵結構所形成的缺陷會造成非輻射複合機率與雷射臨界值電流提高，因此在蝕刻光柵時蝕刻的控制也相當重要。

垂直共振腔面射型雷射

另一種能製作成雙模光源的元件是垂直共振腔面射型雷射，垂直共振腔面射型雷射雖因共振腔短而有單一縱向模態的特性，但橫向仍有多模態存在因此可以透過元件發射面積設計以控制面射型雷射橫向模態數達到雙模輸出。而控制雷射光的達到雙模態有許多方法，如2014年，美國伊利諾大學香檳分校的馮明教授團隊在IEEE Photonics Technology Letters上發表850nm氧化局限型面射型雷射的研究，該團隊透過縮小氧化孔徑至4μm，利用氧化層抑制較高階的橫向模態，成功地達到雙模態、低雜訊傳輸的條件。頻寬可達21.2GHz，在10倍臨界值電流的操作條件下，其RIN值接近-154.3dB，亦即標準量子極限(Standard Quantum Limit)。

也由於此一特性，該團隊成功的將元件操作在40Gb/s的傳輸速度。2015年，交通大學研究團隊在上層DBR使用Zn-diffusion方法，其中Wz為1.6μm，以抑制橫向模態的數量，並且可藉由控制電流大小的不同，調整兩模態光強度大小的差異，此元件之頻率響應可達到16GHz的頻寬。2017年，北京工業大學徐晨教授團隊發表在Chinese Physical Society，在氧化局限型面射型雷射表面做Air-hole光子晶體結構，以達到模態選擇的目的，當此週期性圓孔的直徑為2.5μm時，可達到雙橫向模態的光輸出。此元件輸出光強度可超過2mW，且臨界值電流小於1mA。

由上述可知，有許多方法可使得面射型雷射達到雙模態的輸出條件，如：控制氧化孔徑大小、鋅離子擴散、光子晶體結構。而截至目前為止，使用濕式氧化的製程方式產生氧化孔徑，以控制光模態的橫向分布，為最普遍與有效的方式，因此，本子計畫將以此種方式進行孔徑大小的控制。另外，氧化孔徑之尺寸會對元件之最後表現有著很大影響，較小的氧化孔徑之元件可以達到較高的頻寬，亦會有較小的臨界值電流，因此可以符合高速通訊的需求以及低能耗的特性；然而，過小之氧化孔徑會導致元件內部的熱累積現象過於明顯，產生元件穩定性問題，此外也會使得微分電阻過大，進而造成阻抗不匹配(目前標準阻抗值為50Ω)，不過這些皆可透過元件其他部分的結構改良而獲得整體性能的提升；而氧化孔徑之擺放位置也會影響雷射最後之出光特性。

在未來5G行動通訊網路中由於使用低發散角與高損耗的毫米波載波，將導致系統基地台布設較現行4G行動通訊網路來得密集。為降低5G行動通訊網路中基地台建構成本，雙模光源的使用為一有效方法，其可於接收端以拍頻方式全光產生所需要之毫米波載波，因此可避免於接收端中使用昂貴的電升頻元件，大幅降低5G行動通訊網路的建構成本。

為使雙模光源攜帶訊號，常見的方法為使用一外部調變器將欲傳輸之基頻訊號調變於雙模光源上，這樣的操作方式是以雙邊帶調變方式將訊號搭載於雙模光源上，雙邊帶調變之雙模光源於光纖傳輸後，各自所攜帶訊號會因受到色散效應而產生週期性的相位差，並於拍頻後產生功率衰減效應以嚴重劣化訊號。為避免功率衰減效應於拍頻後產生，Chow等人於2014年將雙模光源分為兩路，並分別利用兩顆外部調變器調變兩路光源，並將其啁啾參數設為反號。

擁有反號啁啾參數之兩路光源經由光纖傳輸後分別由兩顆光偵測器所接收。因反號啁啾參數的緣故，兩路光源所攜帶訊號之相位差週期差180度，造成產生之功率衰減效應位置亦不同，因此可利用數位訊號處理方式還原訊號，然而所使用之兩顆外部調變器亦會增加系統建構成本。

為避免功率衰減效應於拍頻後產生，以邊帶調變方式將訊號搭載於雙模光源為一有效方法。此外Chow等人亦於2014年利用馬赫詹德調變器產生雙模參考載波，並與單模雷射所搭載之訊號合併後形成單邊帶調變之雙模光源。此實驗成功展示40GHz毫米波光纖無線通訊系統，其攜帶開關鍵控訊號於20公里單模光纖傳輸。另一方面，Zhang等人則是於2013年使用雙極馬赫詹德調變器產生雙模參考載波，且於中心載波搭載基頻訊號，最後利用光濾波器將雙模參考載波中一載波濾除，留下基頻訊號與一參考載波使之形成單邊帶調變之雙模光源。

此實驗建構之38GHz毫米波光纖無線通訊系統成功攜帶位元率為24Gbps之64進制無載波幅相調變訊號於40公里單模光纖與1.5公尺自由空間傳輸。在光纖系統中，注入鎖定一顆直調從屬雷射為產生高品質同調光源之有效方法，此技術不只可增加從屬雷射之調變頻寬與性能，亦同時利用從屬雷射作為調變器與放大器搭載基頻訊號。

若使用雙模主光源注入鎖定直調從屬雷射，此技術則可以產生超品質的雙模載波給毫米波光纖無線通訊系統使用。為以注入鎖定方式產生單邊帶調變雙模光源，Sung等人於2007年時利用雙模主光源注入一單模DFB雷射。此技術利用雙模主光源其中一模注入鎖定分布式反饋雷射並攜帶訊號輸出，另一模則因不於從屬雷射內共振而不搭載訊號，形成所輸出之雙模光源為單邊帶調變，並可於20GHz頻段攜帶位元率為622Mbps之訊號於80公里單模光纖傳輸。另一方面，Zhang等人則於2011年使用雙模注入鎖定之分布式反饋雷射產生單邊帶調變雙模光源，並於60GHz頻段攜帶位元率為4.3與3.2Gbps之16與64進制正交分頻多工訊號於56公里單模光纖傳輸。

最後，在雙模光源載波調變新穎具智慧調控之格式訊號如離散多載波傳輸技術，將因其高色散耐受性和高頻譜效率而在更長傳輸距離中顯現優勢，也能藉由時域振幅截波來解決離散多載波在各子載波高峰值平均功率比的缺陷。Randel團隊在2015年利用單邊調變來消除訊號在直接偵測系統拍頻的干擾並且經過80公里單模光纖達到80Gbps的離散多載波傳輸。在2016年時，Zhang團隊在C-band波段使用直接偵測單邊帶-離散多載波技術經過80公里成功達到100Gbps傳輸。近年來一個靈活的多載波調變技術名為廣義分頻多工調變，也被提議用於在自由空間的5G網路。廣義分頻多工的靈活性使得它可以涵蓋循環前置-正交分頻多工和單載波頻域相等化等作為特別的情況。

廣義分頻多工是以獨立區塊的調變為基礎，而每個區塊包含了一些子載波和子符元。這些子載波有原型濾波器可在時域頻域間來回轉換。這個過程減少了頻帶外發射，讓分散頻譜和動態頻譜可以在現今的服務或其他用戶沒有嚴重的干擾下作合理的分配。子載波的濾波可能造成非正交的子載波及導致符元間干擾和子載波間干擾上升。

然而，有效的接收技術可以去除這些干擾，即具備疊代干擾消去的匹配濾波器接收器可以達到和正交分頻多工在不同頻道模型間傳輸相同符元錯誤率的表現。N. Michailow團隊提出兩種是插入保護符元和壓縮區塊邊界技術用以改善廣義分頻多工頻譜特性技術的詳細描述及數值上的估計進而被應用為任意頻寬執行接收濾波器。

Borges團隊將的廣義分頻多工調變技術整合至5G網路使能在26GHz毫米波段傳輸位元率高達1Gbps。截至目前為止運用上述各項技術發展的毫米波有線與光纖無線整合技術已相當受矚目，在2016年藉由正交極化雙模垂直面射型雷射(DM-VCSEL)與全光毫米波抑制技術來實踐長距離有線結合無線毫米波光網路，拍頻出38GHz以及全光升頻的16階正交振幅調變正交分頻多工格式訊號已可達最大傳輸位元率12Gbps。

經過雙模注入鎖定準無色雷射二極體(QCFLD)直調經過通用多載波濾波處理(UFMC)的512-QAM OFDM，也已實現28GHz長距離毫米波無線光纖網路經過50公里單模光纖傳輸Gbps，拍頻產生28GHz載波可傳輸之最大位元率為15Gbps無線距離為10公尺。當傳輸頻寬為140MHz透過經過UFMC處理的512QAM OFDM可達1.26Gbps的傳輸位元率。

2017年已有團隊利用高密度分波多工之鄰近通道分別傳輸參考光載波與載有傳輸訊號之光載波來建構全雙工毫米波高密度分波多工被動光纖網路，以單邊帶調變於25公里單模光纖之傳輸距離下達到36Gbps之基頻傳輸以及遠端拍頻28GHz達成6Gbps之毫米波無線傳輸。

另一項研究則透過兩個相互非同調雷射和載波遠端拍頻技術建構了60GHz被動長距離毫米波無線整合光纖有線傳輸系統。兩個獨立且互不同調之雙載波透過拍頻外差技術產生毫米波載波，同時可實現無須中央控制與無本地震盪器的操作。在無線的接收端所接收到的正交振幅調變-正交分頻多工訊號可以透過使用平方律功率包絡檢測降頻到基頻帶。這去除了本地振盪器的要求也排除了兩相互非同調雷射間頻率間的擾動進而影響毫米波頻率的擾動，如此便有效地提供毫米波載波對時鐘抖動和載波非同調性引起降頻不穩定的抗擾性。整合以上技術在超過50公里單模光纖和3公尺自由空間下成功傳輸16.5Gbps的32-QAM OFDM無線訊號，已足以證明雙模光源整合毫米波無線及光纖有線載波在未來區域無線網路技術的應用可能。

<本文作者林恭如為台灣大學光電所特聘教授，其餘為該所博士生>