多重接取融合新趨勢　光纖/毫米波網路相輔相成

目前市內無線網路仍以Wi-Fi為主，其理論最大傳輸速率可達600Mbps，然而因當前多媒體影音與資料容量的飛速發展，使對傳輸容量及速率的需求變得極為迫切。對此，雖然57~64GHz頻段目前正廣泛被研究及使用，但因高傳輸衰減[1]且不易穿透之特性，僅適合用於發展室內多媒體無線寬頻網路，例如家用區域網路(HAN)與無線個人區域網路(WPAN)[2]。相較之下70~140GHz毫米波頻段由於能提供更小傳輸衰減與更長傳輸距離，極適用於發展區域性無線網路傳輸。 

圖1 毫米波應用於光纖傳輸至家用區域網路及無線個人移動式網路架構。

此外，因為正交分頻多工(OFDM)結合多進制正交振幅調變(QAM)格式具有高頻譜利用率、抗色散及偏振模色散的優越特性，近年亦被證明是多重接取網路傳輸具競爭力的候選技術。為提高毫米波無線通訊之適應性，整合光纖有線與毫米波無線將成為未來重要的關鍵技術，其應用特點在於滿足人們對於無線通訊傳輸時訊號品質、傳輸速率與距離之需求，如圖1所示為毫米波整合光纖通訊至家用區域網路及無線個人行動式網路示意圖。 

整合光纖及毫米波成趨勢 

高密度分波多工被動光纖網路(Dense Wavelength-division-multiplexed Passive-optical-network, DWDM-PON)是下世代主流光纖通訊發展之一，其技術重點為局端(Central Office, CO)提供各用戶(Optical Network Unit, ONU)使用不同的波長以達成多用戶同時傳輸之目的。 

目前完全接取服務網路(FSAN)聯合會議正積極推動次世代被動光纖網路(Next Generation PON, NG-PON)發展，其中分波多工被動光纖網路被視為是未來主流光纖網路架構之一。預期在可見的未來，以高密度分波多工被動光纖網路結合毫米波無線傳輸，建構光纖無線整合全雙工/非全雙工網路應用於傳輸高速與高容量資訊之新一代超高頻通訊架構，相關技術的融合與創新將是當前通訊研究發展主軸。針對光纖通訊結合毫米波無線傳輸，以全光方式產生毫米波載波在近年也被廣泛研究。產生毫米波載波並結合光纖傳輸的方法主要可分為兩大類，首先是以超高頻率的微波訊號產生器直接產生毫米波訊號並將其直接調變在光載波上。以此方法產生之毫米波載波在光纖中傳輸的損耗極大，因將其直調在光載波上所產生的低側模(Lower Side Band)和高側模(Upper Side Band)之相位會因為光纖內色散而改變，進而影響拍頻干涉後之毫米波載波功率。 

舉例來說，30GHz的毫米波載波經過色散為17ps/km·nm的單模光纖傳輸4.08km時，轉換後毫米波載波之載波雜訊比衰減超過20dB。另外60GHz毫米波載波經過500m時，其載波雜訊比衰減也會超過20dB。 

因此現今研究大多以全光方式來產生毫米波載波，亦即利用兩同調光載波輸入光偵測器(Photodetector, PD)中，藉拍頻干涉原理來產生毫米波載波，且其中心頻率由兩載波之波長間距決定。 

2006年Chang等人建構了一個載波複用之毫米波光纖傳輸架構[3,4]，藉由多工雙頻技術的使用，並搭配微調外部調變器偏壓與光濾波器形成中心載波抑制來產生毫米光載波傳輸。藉由搭配不同的光濾波器，如光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Gating)、可調光濾波器(Tunable Optical Filter, TOF)或光梳濾波器(Interleaver)加強中心光載波抑制的效果，在基地台(Basic Station, BS)復用下行光載波並重新調變上行光載波以達成全雙工傳輸。其毫米波載波頻率最高可達64GHz且上、下行訊號在傳輸超過25km單模光纖(Single Mode Fiber, SMF)後之功率償付值僅有1dB。 

全光方式產生毫米波載波 

U. Gliese等人首先提出遠端外差偵測(Remote Heterodyne Detection, RHD)來產生毫米波[5]。他們在60GHz毫米波載波上，直調150Mbps的四位元相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)。當使用的直調雷射線寬為10MHz時，其訊號的傳輸距離-載波中心頻率積為640km·GHz，亦即當載波中心頻率為60GHz時，其能傳輸的最大距離為10km。此外，Lin等人利用雙端驅動之馬赫詹德調變器(Mach-Zehnder Modulator, MZM)及正交振幅調變-正交分頻多工格式訊號，有效地在無線基地台內產生並傳輸60GHz之毫米波訊號[6]，此架構使用串聯單邊帶調變方式(Tandem Single Sideband Modulation, TSSB)及光纖布拉格光柵，使得局端只需要提供低頻率的弦波訊號即可獲得60GHz的毫米波載波產生。 

在室內無線網路(Wireless Networks)自由空間傳輸中目前最常被研究的主軸為利用V頻段(57~64GHz)達成超過1Gbps無線傳輸速率。此外，Wake等人首先開發出可直接產生雙模態之分布反饋式雷射二極體(Dual Mode Distributed Feedback Laser Diode, Dual mode DFBLD)，並利用其產生3dB線寬小於10Hz之57GHz毫米波載波，該載波之相位雜訊(Phase Noise)在位移頻率為10kHz和100kHz時分別為-77dBc/Hz和-85dBc/Hz[7]。為提高毫米波傳輸訊號之位元率，Wu等人則耦合兩個分布反饋式雷射二極體為注入光源後，經由光循環器(Optical Circulator)注入鎖定法布-珀羅雷射二極體(Fabry-Perot Laser Diode, FPLD)使雙模態輸出，並經單膜光纖傳輸後由光偵測器轉換為超高頻毫米波訊號，接著透過天線進行無線傳輸[8]。 

為了提升毫米波載波品質，Pan等人使用光電振盪迴路(OEO)來提升載波之品質因數[9]，特點為將法布里-珀羅雷射二極體當成可調光微波濾波器(Tunable Optical Microwave Filter)，使輸出毫米波載波頻率可調，且所產生10GHz微波載波之相位雜訊在10kHz位移頻率時可低達-92.8dBc/Hz。 

Ogawa等人首先建構了中心頻率為26GHz的四位元相移鍵控毫米波光纖傳輸[10]，並探討其調變深度對傳輸訊號品質之影響。此外，另有研究團隊將訊號載在由雙光載波產生之毫米波載波上，接著經光纖傳輸至微波接取點後使用天線進行無線傳輸[11]。在局端使用兩個分布反饋式雷射二極體為雙載波，且其載波間距為59.5GHz，接著利用另一分布反饋式雷射二極體直調位元率為120Mbps且起始頻率為1.21GHz之四位元相移鍵控，並經由多工器耦合，最後經由13km單模光纖傳輸至微波接取點。在微波接取端經由解多工器將訊號分為兩路，其中一路解調毫米波載波，另一路還原四位元相移鍵控，並透過混頻器(Mixer)將四位元相移鍵控升頻至毫米波載波上，最後透過天線以無線方式傳輸5m，並經由另一天線接收以進行降頻及解調分析。由於上述架構是將訊號於用戶端先解調，再經過混頻器升頻至毫米波頻段，因此會大幅提升系統建構成本及增加複雜度。 

追尋兼顧成本/性能之道 

為有效降低成本，Chang等人提出直接在局端以全光方式將訊號升頻至毫米波頻段，並經由光纖傳輸至用戶端後再藉由天線進行無線通訊方式[12]，首先使用馬赫詹德調變器將2.5Gbps開關鍵控載放在光載波上，接著利用雙通道馬赫詹德調變器調變17.5GHz之弦波訊號並將其倍頻至35GHz，此動作同時也將2.5Gbps開關鍵控以全光方式升頻至35GHz毫米波頻段。接著經過25km單模光纖傳輸後透過光耦合器分為兩路，一路直接解調2.5Gbps開關鍵控，另一路則是利用高速光偵測器解調毫米波訊號並透過天線進行無線傳輸，最後降頻、解調並分析。 

在相同的誤碼率需求下，傳輸25km光纖僅付出1.5dB功率償付值，且在無線傳輸距離為10m內時之功率償付值也不超過2dB。接著有研究團隊嘗試提升毫米波載波的頻率，使用高同調性之雙分布反饋式雷射二極體作為載波光源，並透過調控雷射電流來微調雙載波間距以控制毫米波載波之頻率，進而產生146GHz之毫米波載波，同時使用馬赫詹德調變器將1Gbps開關鍵控調變在毫米波載波後以無線方式傳輸2.5cm，經過內部功率損耗(Insertion Loss)為8dB之混頻器和兩個放大增益為25dB的電放大器後其輸出功率為-10dBm[13]。 

另外有研究團隊使用一個外腔雷射(External Cavity Laser, ECL)產生光載波，接著將9.952Gbps的開關鍵控(On-off Keying, OOK)透過強度調變器載在其光載波上，另一外腔雷射ECL2則提供另一個波長的光載波，經過光耦合器合併兩載波後透過單模光纖傳輸，其兩載波的頻率間距為92GHz。接著透過高速光偵測器將光訊號轉回毫米波訊號後透過天線進行無線傳輸，接著分析並比較傳輸不同光纖距離與在空氣中傳輸2m時之誤碼率[14]。 

當資料長度為231-1時，傳輸20km與40km光纖後之誤碼率分別可低至10-7和10-6，而當誤碼率需求為10-4時，經過40km光纖傳輸與2m無線傳輸之接收功率為-23dBm。由於配合正交振幅調變-正交分頻多工格式訊號更有效利用頻譜，Li等人首次嘗試將正交振幅調變-正交分頻多工格式訊號應用於毫米波光纖傳輸[15]，首先搭配非線性操作之馬赫詹德調變器與光纖布拉格光柵以全光方式產生60GHz的毫米波載波，接著藉由任意波型產生器產生正交振幅調變-正交分頻多工格式訊號(Subcarrier：256、Bandwidth：1.25GHz、Bit Rate：3.75Gbps)，並透過第二個馬赫詹德調變器將其調變在光載波上，最後經過50km單模光纖傳輸後，由光偵測器和混頻器分別進行降頻和解調，此外他們也透過Companding Transform方式來優化峰值-平均功率比(Peak-to-average Power Ratio, PAPR)。發現經壓縮後正交振幅調變-正交分頻多工格式訊號在誤碼率需求為10-3時，其接收靈敏度與未壓縮比較之下分別提升了2和3.8dB。 

近期，在分波多工被動光纖網路使用的寬頻無色之雷射二極體光源[16]，也可透過外部注入控制技術達成單模態輸出下行至用戶端拍頻後產生毫米波無線載波[17]。早期經由單模注入鎖定之無色雷射二極體調變於光載波上，最後透過高密度分波多工器之鄰近通道合併調變光載波與另一波長之參考光載波形成單模調變之雙模光載波並進行下行傳輸[18]。 

優化效能及頻寬使用率 

在25公里的單模光纖傳輸之後，雙模光載波透過高密度分波解多工器之鄰近通道區分調變光載波與參考光載波，調變光載波直接透過光偵測器接收並轉回電訊號，並由取樣速率為100GS/s之及時示波器分析其訊號特性。在無線傳輸的部分，先使用光耦合器將調變光載波與另一波長之光載波合併回雙模光載波並透過一高速光偵測器拍頻出28GHz之毫米波載波並攜帶調變訊號[19]。 

在透過一低雜訊微波放大器有效放大其功率後，透過號角天線對進行無線傳輸，且經由轉換損耗僅6dB之混頻器將高頻調變訊號降頻至基頻，最後透過相同之及時示波器分析其訊號特性。此外，在遠端節點的從無色法布里-珀羅雷射二極體透過下行光載波復用注入鎖定且調變訊號後，經過另一路25公里之單模光纖上行傳輸成為全雙工架構[20]。 

通過光循環器和偏振控制器，將雙模光源注入鎖定雷射二極體並產生，得到雙模雷射二極體以實施下行傳輸。利用雙模雷射二極體所建構60GHz光纖有線與毫米波無線融合系統來架構提供下行光載波來傳輸各種格式訊號，以及於遠端拍頻60GHz毫米波載波進行無線通訊[21]。 

傳輸資料直調於雙模雷射二極體雙模光載波通過單模光纖傳輸後由高速光偵測器進行接收拍頻得到60GHz毫米波載波攜帶訊號。高頻訊號直接透過天線對進行無線傳輸在接收端以混頻器與本地振盪訊號降頻後解調。 

以全光方式產生毫米波載波並建構5G無線網路，實驗中將其應用於光纖通訊整合毫米波無線傳輸系統，並且以雙模注入鎖定以及單模調變技術優化其雙模光載波之傳輸性能，同時整合QAM-OFDM格式訊號方式來提升頻寬使用率以解決頻寬不足的問題。 

(本文作者為台灣大學光電工程研究所暨電機系所長)