光載毫米波整合射頻前端　毫米波矽光子實現5G高速聯網

行動通訊與人們的關係越來越密切，第五代行動通訊(5G)邁入毫米波(mmWave)時代，可藉過去使用在軍事、航太的高頻技術提供大量的頻寬。5G傳輸速率從100MHz起跳，峰值速率目標高達10~20Gbps，現階段慣常使用的6GHz以下頻段頻譜相當擁擠，5G峰值速率需要依靠毫米波才能達成，但高頻訊號波長短，訊號路徑損失嚴重，未來在基地台與終端裝置間將發展許多連線裝置，如小型基地台(Small Cell)、中繼器(Repeater)、5G Gateway、戶外型5G熱點(Hotspot)、室內型5G熱點或隨身分享器等。

以光纖通訊為基礎的光載毫米波(mmW-over-Fiber)集中式無線電接取網路(C-RAN)是5G存取網路技術發展趨勢之一。光載毫米波天線需要複雜的射頻電路及高速的類比光電轉換介面，因此「矽光子光載毫米波天線模組開發計畫」利用CMOS製程技術製作矽光子光積體電路、毫米波矽鍺(SiGe)光電元件於矽光子平台，該平台可進一步整合毫米波電路、毫米波陣列天線(128 Elements)、雷射光源及單模光纖，整體架構如圖1所示，具有元件體積小、價格低及容易量產的優勢，未來應用範圍廣泛。

毫米波矽光子晶片降低轉換損耗

在光傳輸的部分，傳統的矽光子傳輸器要求的是頻寬大(傳輸數據量大)及錯誤率低，而毫米波光傳輸的訴求是高頻、在載波頻段附近的線性度要高及解調後的微波損耗低，因此高度線性的外部光學調變器是主要的目標。在此計畫中不採用雷射直接調變的原因是因為想利用高功率cw雷射搭配外部調變器來降低微波－光波轉換損耗。在光接收的部分，為了讓鍺光電二極體在高功率光訊號傳輸下仍有較佳的線性度，分散式鍺光接收器搭配傳輸線電極是較好的設計，因此需要重新研發主動元件光載毫米波傳輸器及接收器。

整體而言，矽光子晶片包括光纖耦合器、雷射光源耦合器、分光器、動態可調光學延遲、毫米波線性光調變器、毫米波線性光接收器等。將在矽光子晶片上預留Bond Pad作為後續毫米波電路晶片、雷射次模組及光纖連接器組裝用，整個矽光子晶片如同一個連結載具(Interposer)，最終再把晶片bond在PCB上(PCB上有天線矩陣及控制電極)。所有的元件都是自行開發，包含高速矽光子光調變器、高速鍺光接收器、光纖耦合器及其他矽光子被動光學元件。預計在計畫結束後可建立一個完善的矽光子研究環境，作為產學研合作的平台。

雷射光源製程整合難度高

隨著矽光子技術的開發，該技術逐漸成為實現高速光通訊收發模組的平台，有賴於矽基板波導電路的成熟，各項元件皆適用於CMOS製程技術，得以大量製作並可有效降低成本。

然而在現行的積體化矽光子晶片中如何得到一穩定的同調光源仍舊是個問題。藉由異質整合III-V族半導體於矽光子晶片，仍為目前較可行的作法，經由高速光電調變使資料的儲存、數據傳輸等不再局限於電訊號而轉為更高速的光通訊，將訊號傳輸帶入下一世代。

積體化矽光子晶片模組之關鍵在於異質晶片與矽光子晶片的整合，由於此計畫所用之分布式回授(DFB)雷射如同其他常見之半導體雷射，所使用的材料皆為III-V族化合物半導體，有別於積體化矽光子晶片可藉由CMOS製程技術下線而得，故在元件製程上須獨力完成後再以覆晶封裝的技術將雷射晶粒與矽光子晶片結合，在此計畫中除雷射晶粒的研製還要加入後端封裝製程，如次載座的設計以及覆晶封裝技術的開發。

本子計畫將以四年的時間，研製高功率、波長穩定之1550nm背脊狀波導型分布式回授雷射二極體作為積體化矽光子晶片模組之輸出光源，並開發晶粒覆晶封裝技術將雷射晶粒先與設計之次載座接合以形成雷射封裝元件，最後再將雷射OSA與矽光子晶片結合，完成積體化矽光子晶片模組。工作內容包括雷射晶粒之設計與製程以及晶粒覆晶封裝技術的開發，最終目標為1550nm之DFB雷射的磊晶設計與製程優化，配合散熱封裝的設計改善雷射晶粒可承受長時間、高功率的操作條件，避免產生鏡面缺陷或磊晶結構被破壞而影響整體元件效能。可於維持12mW高功率的穩定操作時間大於24小時。

整合與驗證確保系統效能

子計畫三主要目的是系統整合與驗證，將子計畫一的光電介面、子計畫二的雷射光源、子計畫四的毫米波射頻電路與天線等，以光載微波(Radio-over-Fiber)的技術整合成行動網路前傳(Mobile Fronthaul)系統。因此，此部分將協調每個子計畫，使各子計畫能發揮先進的硬體設計所長。第五代行動通訊將以正交分頻多工(OFDM)訊號為主要通訊格式，此部分工作將設計使傳輸系統效益最大化的通訊訊號格式與相對應的訊號處理演算法。 於計畫開始之初，各子計畫正在進行各自的硬體開發，也同時以現行的商用硬體建立參考系統，作為各子計畫開發的參考依據。於各子計畫硬體到位之後，將整合成系統，並且與商用系統比較，追求更好的系統參數，有效提升整體系統效能。

射頻前端電路與模組整合

最後則是研究與開發毫米波通訊網路之射頻前端電路。開發之電路包含轉阻放大器(TIA)、數位控制相移器(PS)、功率放大器(PA)、低雜訊放大器(LNA)、驅動電路(Driver)以及二維陣列天線。關鍵設計為使用標準CMOS製程整合以上電路，並維持低功率消耗與晶片面積，達到高敏感度接收器與高輸出功率高效率傳送器。天線模組上方蓋上高阻值矽介電共振器，以提高天線輻射效率，並達到可調範圍為20度。此外，本計畫亦將探討與分析單晶片訊號整合問題與異質整合，即CMOS毫米波電路晶片、天線陣列、矽光子晶片三者使用打線與覆晶(Flip-Chip)整合之研究。

5G的毫米波應用可以大幅提升行動網路頻寬，但現階段高頻訊號的接收瓶頸，讓產業徒呼負負，尤其射頻前端元件原本技術門檻就高，不同性質的元件需經過異質整合，讓元件整合難度大增，加上耗電、發熱、成本等問題都相當棘手；毫米波矽光子晶片則具有訊號轉換損耗低，除光源之外的元件幾乎可以在同個電路上完成，具有整合度高、模組體積小等優勢，搭配未來多種5G聯網終端(圖2)，大規模應用將使成本下降更為容易，建構高速便利的5G網路新體驗。