國立陽明交通大學光電系研發應用於無線光通訊之主動式光學相位陣列，發表於國際頂級光纖與通訊研討會OFC 2022並獲選為Top Scored Paper

        近年來因5G/6G通訊以及物聯網等應用，對於無線傳輸的流量需求快速增加，因此無線傳輸逐漸移往60 GHz等新的射頻頻段。另一個重大的發展則是使用無線光通訊(optical wireless communication, OWC)來達成高速的無線傳輸。無線光通訊提供較大通訊頻譜，可用範圍從紫外光、可見光到近紅外光，具有不需授權(license-free)和無電磁干擾(electromagnetic interference, EMI)的優點，也不會與現有的射頻通訊系統相互干擾，可提供額外的通訊頻寬。

         高數據傳輸率的OWC系統需使用具良好的方向性及準直度的光束，並需將光束導向至使用者。目前文獻中光束導向方法包括使用繞射光柵，可透過改變光束波長，來達到一維或二維的光束導向，然而在OWC系統中使用波長控制的繞射光柵，將限制波長分工多工(wavelength division multiplexing, WDM)的使用。其他可主動控制光束方向的裝置包含微機電系統(microelectromechanical systems, MEMS)以及空間光調制器(spatial light modulator)等。

由國立陽明交通大學光電系的張祐嘉教授、鄒志偉教授、國立中央大學的許晉瑋教授組成的研究團隊，展示了以光學相位陣列(optical phased array, OPA)主動光束導向的OWC系統。該系統在實驗上達到17.42°的光束導向範圍以及1.72°的光束發散角。在10 Gbit/s的開關鍵控(on-off keying, OOK)訊號下，其誤碼率(bit error rate，BER) 可達到低於前向錯誤修正 (pre-forward error correction，Pre-FEC)的BER限制(即BER = 3.8×10^-3)。

圖一、(a) OPA晶片設計圖，(b-c) OPA晶片實驗架設 [1]。

         圖一為本研究團隊所開發的OPA晶片，其中包含雷射二極體、半導體光放大器(semiconductor optical amplifiers, SOAs)、相移器(phase shifters)、邊緣發射器(edge emitters)等。除了使用晶片中內建的雷射二極體，也可透過邊緣耦合器(edge coupler)使用外部的光學訊號輸入。光源透過星型耦合器(star coupler)分散到30個可利用電光效應獨立控制的相移器，輸出端則設計為間距1.8 µm的邊緣發射器陣列。整個晶片大小僅為4.6 mm × 4 mm。該OPA晶片在水平方向具有準直並且改變光束方向的能力，在垂直方向則以平凸圓柱透鏡達到光束準直。

圖二、實驗測得的(a) 遠場角分布圖，(b) 10 Gbit/s BER曲線及眼圖 [1]。

       圖二(a)為OPA晶片在輸出端進行光束控制的實驗結果，透過優化驅動訊號，可使光束導向至不同的角度。從圖中可以看到光束控制的範圍為17.42°，發散角為1.72°。圖二(b)為由OPA組成的OWC系統所得到的誤碼率曲線以及10 Gbit/s眼圖，可滿足pre-PEC BER限制。本研究成果公開發表於2022年的國際頂級光通訊領域權威的光纖與通訊研討會(Optical Fiber Communications Conference, OFC)上，獲選為Top Scored Paper，該論文並進入Corning Student Paper Competition最終候選名單。

參考資料
[1] P. C. Kuo, S. I. Kuo, J. W. Wang, Y. H. Jian, Z. Ahmad, P. H. Fu, Y. C. Chang, J. W. Shi, D. W. Huang, Y. Liu, C. H. Yeh and C. W. Chow, "Actively Steerable Integrated Optical Phased Array (OPA) for Optical Wireless Communication (OWC)," Proc. OFC, 2022, Paper M1C.7.
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