成功開發近乎無發散角940nm埋入式光子晶體面射型雷射技術 無透鏡系統實現22Gbit/s的離散多音傳輸

【台灣台北–2025年4月2日】鴻海研究院（Hon Hai Research Institute, HHRI）半導體所開展的跨國研究合作，近日在光通訊系統傳輸效率和穩定性方面取得顯著突破！此研究成果《Nearly collimated 940-nm buried-photonic-crystal surface-emitting laser for lens-free discrete multitone transmission at 22 Gbit/s over 20 m》已於2025年3月發表在國際頂級期刊Photonics Research。

鴻海研究院半導體所所長暨陽明交大講座教授郭浩中所長與半導體所洪瑜亨博士、繆文茜研究員、蕭復合研究員及半導體所研究團隊，攜手國立台灣大學林恭如特聘教授研究團隊及日本情報通信研究機構（National Institute of Information and Communications Technology, NICT）程志賢博士研究團隊開展跨國研究合作，成功開發出埋入式二維中空金字塔光子晶體層結構的面射型雷射（Buried-Photonic-Crystal Surface-Emitting Laser, PhCSEL），實現了940nm波長下僅0.25度發散角的近乎準直光束。研究團隊特別感謝鴻海研究院新世代通訊研究所吳仁銘所長在研究過程中提供的寶貴指導與支持。完整論文詳見https://doi.org/10.1364/PRJ.531738。

全球光學衛星通信應用蓬勃發展，低地球軌道衛星部署數量急劇增加。傳統衛星網絡中，每顆衛星皆需與地面站直接連接以提供服務，然而低軌衛星的大規模部署使相應地面站建設難以跟進。近年來，一種名為星間光通訊（Inter-Satellite Link）的技術，利用了雷射光通訊技術為此提供了解決方案，透過衛星間的光學連接，實現訊息在太空的中繼傳輸並最終抵達地面站，大幅減少地面基礎設施需求並降低建設成本，同時為極地和海洋等偏遠區域提供穩定的高速網路覆蓋。

自由空間光通訊相比傳統無線電技術具備顯著優勢，包括更精確的點對點傳輸能力、更高的安全性和保密性，以及擺脫了頻譜資源限制與干擾問題。隨著數據傳輸需求持續攀升，雷射光通訊以其高頻寬特性，有望推動通訊技術從窄頻時代邁向超寬頻時代，成為未來太空通訊的核心技術。

本次研究成果940nm PhCSEL具有多項突破性優勢：埋入式二維光子晶體層產生帶邊緣雷射效應（band-edge lasing effect），誘導光波在各方向上的群速度趨近於零，實現大面積低發散角的雷射輸出。研究團隊設計了正方形晶格結構，搭配直角等腰三角形空氣孔的光子晶體陣列，此非對稱結構有效抑制了破壞性干涉，優化了垂直方向的光束萃取效率，提高了輸出功率。

圖一、PhCSEL製造流程示意圖：(1)初始磊晶生長底層結構和有源層，(2)光子晶體圖案定義與製作，(3)再生長工藝形成完整雷射結構。此埋入式設計使光波在二維光子晶體中形成零群速度效應，實現低發散角輸出。

這款PhCSEL在210mA閾值電流下開始雷射，在475mW直流功率下可提供近70mW的輸出功率，無需任何透鏡系統即能輸出發散角僅0.25度的準直光束。研究團隊成功展示了0.3公尺近距離和20公尺遠距離的點對點無透鏡自由空間光傳輸。在直接調變下，PhCSEL提供了3.25GHz的-3dB調變頻寬，支援高達5.75Gbit/s的非歸零開關鍵控（NRZ-OOK）數據傳輸，以及3GBaud下的64階正交振幅調變離散多音（64-QAM DMT）編碼傳輸，等效數據率達18Gbit/s。

圖二、無透鏡自由空間光傳輸系統實驗配置：上方為0.3公尺短距離傳輸配置，下方為使用反射鏡實現的20公尺長距離傳輸配置。PhCSEL無需使用傳統透鏡準直系統即可實現高速數據傳輸，大幅簡化了系統複雜度。

為提高頻譜利用效率，研究團隊開發了頻譜切片位元負載DMT算法，自適應分配合適的QAM階數到適當的波特率數據。這項技術充分利用了PhCSEL的4.09GBaud可用頻寬，最終實現了高達22Gbit/s的總數據率，頻譜利用效率達5 bit/(s·Hz)。

即使將傳輸距離延長至20公尺，當光束點擴散至大於1.1公分時，透過採用放大因子達M=100的雪崩光電二極管（APD），該PhCSEL仍能以1GBaud的波特率在16-QAM下傳送4Gbit/s數據或在64-QAM下傳送6Gbit/s數據。

本項研究在光通訊系統傳輸效率和穩定性方面取得顯著突破，為未來無透鏡高速光通訊技術和衛星通訊應用奠定了基礎。研究團隊未來計劃進一步改善PhCSEL的調變頻寬和光束品質，實現更高速率和更遠距離的無透鏡光通訊系統。

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