德島大學實證超過420 GHz頻段之全球首次100 Gbps級無線通訊：邁向Photonic 6G的超高速行動回程技術

■ 亮點
・傳統電子技術難以生成超過 350 GHz 的高頻訊號，為了實現 6G 所需的超高速無線通訊，業界迫切需要全新的技術手段。
・透過使用光纖連接式的微型光學頻梳進行太赫茲通訊，研究團隊成功在 560 GHz 頻段實證了單通道 112 Gbps 的無線傳輸。
・本成果有望為 6G 中的超高速行動回程通訊，以及光與無線融合網路的實現建立關鍵的技術基礎。

■ 概要
行動通訊一直以來都是透過將無線載波頻率高頻化，來達到更高速與更大容量的目標。預計於 2030 年代啟動服務的次世代行動通訊（6G），有望利用 300 GHz 以上的太赫茲波；然而在超過 350 GHz 的頻段，受限於傳統電子技術在訊號生成的極限以及相位雜訊的增加，過去被認為難以實現穩定且高速的無線通訊。

為了解決上述課題，德島大學後LED光子學研究所／光子學健康前沿研究院的講師時實悠、副教授岸川博紀、教授久世直也、教授安井武史，以及德島大學研究所創成科學研究科的研究生菊原拓海、德島大學後LED光子學研究所客座教授永妻忠夫等人，協同岐阜大學工學部教授久武信太郎等共同組成的研究團隊，開發了一套結合微型光學頻梳與多階調變技術的「微型光學頻梳驅動型太赫茲通訊系統」（圖1）。該研究利用微型光學頻梳極度穩定的頻率特性，生成了低相位雜訊的太赫茲載波，成功在 560 GHz 頻段實證了單通道高達 112 Gbps 的無線傳輸，一舉超越了過去僅能達到數十 Gbps 等級的傳輸速度。

這項成果首次證明了在超過 420 GHz 頻段實現 100 Gbps 級無線通訊的可行性，被視為是未來推動 6G 超高速回程通訊及光與無線融合網路的重要技術基石。

■ 研究背景與經緯
隨著第五代（5G）通訊使用毫米波頻段，為因應未來持續暴增的通訊需求，6G 通訊預計將向 300 GHz 以上的太赫茲波拓展。儘管超過 350 GHz 的頻段能利用寬頻帶實現超高速通訊，但傳統電子元件在產生此高頻訊號時，面臨著輸出功率下降及相位雜訊急遽上升等問題，因此開發能生成穩定且高品質訊號的新技術便成為當務之急。

在此背景下，該研究團隊將目光轉向「光學技術」，以替代傳統的電子技術。團隊深入研究了光頻梳的一種——「微型光學頻梳」，將其應用於太赫茲訊號的生成與無線通訊上，即所謂的「Photonic 6G」。微型光學頻梳具備極高的頻率穩定度及極低的相位雜訊，非常有望於太赫茲頻段生成高品質的無線載波。然而，在超過 350 GHz 的頻域，如何兼顧穩定的高頻訊號生成與利用高階調變技術的高速數據傳輸，一直是阻礙技術實用化的難題。

本次研究正是針對上述超過 350 GHz 頻段通訊的技術瓶頸進行突破，成功達成了 100 Gbps 級別的通訊實證。

■ 研究內容與成果
首先，為了打造穩定且小型的太赫茲訊號源，團隊開發了採用光纖連接型微小光學共振腔的微型光學頻梳設備。透過光學黏合劑將光纖直接接合至氮化矽製的微小光學共振腔上，免除了以往必須依靠光學顯微鏡觀察與多軸平台進行精密光學調整的繁瑣步驟，大幅實現了設備的小型化（圖2）。此外，這種結構大幅提升了激發光耦合效率的時間穩定度，使其能夠承受高功率的激發光，達成長時間穩定運行，從而確立了在太赫茲頻段生成高穩定、低雜訊訊號的基礎技術。

接著，團隊運用此設備建構了太赫茲無線通訊系統。透過光學注入鎖定技術，生成了具備高穩定度與高訊噪比的雙波長光學載波，並在光學領域賦予了多階調變（QPSK 與 16QAM）。隨後經由光混頻技術，生成出 560 GHz 且已具備多階調變的太赫茲波，並進行無線傳輸。接收端則使用次諧波混頻器透過外差檢測技術進行訊號解調。實驗結果顯示，在 QPSK 調變下達成 84 Gbps，在 16QAM 調變下更達成 112 Gbps 的無線傳輸速度（圖3）。這是在 420 GHz 以上未曾被充分探索的頻段中，全球首次成功實證的 100 Gbps 級別無線通訊成果。

■ 未來展望
本次研究證實了在超過 350 GHz 的太赫茲頻段進行 100 Gbps 級無線通訊的極大可行性。未來，團隊將致力於進一步降低微型光學頻梳的相位雜訊以提升訊號品質，目標是導入更高階的調變方式以達成更極致的高速與大容量通訊。此外，為擴展實際通訊距離，除了選擇受大氣吸收影響較小的特定頻段外，提升太赫茲波的輸出功率及導入高增益天線也是未來的研發重點。這些技術的相互結合，將加速太赫茲無線通訊的實用化進程，期望早日應用於次世代的通訊基礎設施中。