6G、低軌道衛星與太赫茲通訊

當5G的戰火還在方興未艾之際，6G或稱為B5G(beyond 5G)的煙硝味已逐漸蔓延中。6G目前還是處在一個非常具有想像力的國度裡，各類不同的需求及解決方案不斷地在探討中。6G目前主要的訴求在於，比5G更高的傳輸速率及更低的延遲，另外一個重點就在於全球涵蓋，包括人煙罕至的地表及海洋。為了全球涵蓋，已經在進行中的低軌道衛星通訊，將必然納入6G的範圍，這包括可重複使用的火箭載具及結合太空旅行，儼然已形成一股龐大的商業勢力在逐步推動中。

由於更高傳輸速率的訴求，因為5G已經開始進入毫米波 (30-300 GHz)的紀元，6G的無線傳輸頻帶，最常被提到的就是所謂的太赫茲了(Tera Hz；1,000 GHz)。但是目前所提到的大半限於次太赫茲(sub THz, >100 GHz)的頻段。太赫茲並不是一個新穎的技術，只是之前大都應用在無線電天文觀測及大地遙測，所以侷限於接收端的技術。但是在無線通訊中，同時得存在發射端的訊號，這對於太赫茲來說卻是最大的挑戰。

太赫茲再往上走，更高的電磁波頻率就到了紅外光及可見光，因此太赫茲也被稱為準光波(quasi-optics)，這個頻段是幾世紀以來，人類很難用人為的方法所產生的頻段。同時也因為進入了準光波，所以太赫茲的物理行為，跟我們所熟知的無線電波有著很大的差異，也更加深其在無線通訊領域應用的難度。

記得約莫在20年前，3G的架構已定案，並在全球推廣中，各大公司的研發單位及學術機構，開始探討所謂的B3G也就是4G的架構，當時的三星就提出了60 GHz的無線收發頻段。但是經歷了4G及5G的世代，我們的頻段仍在3.5 GHz以下。5G勉強擠出了毫米波28/39 GHz的使用頻段，而且是以小型基地台為主，但在推廣上仍有待觀察。

事實上，無線通訊的發展，受到半導體技術的影響甚鉅，這其中包括了矽基(Si)及化合物半導體，而這兩類的半導體各有其發展的不同路徑及命運。在90年代初期，化合物半導體已經進展到100奈米線寬以下，當時的矽基半導體IC還停留在0.5微米的製程。之後矽基IC的技術異軍突起，突飛猛進做到了今日的3~5奈米，但是化合物半導體的技術幾乎是在原地踏步。幾年前我去國際電子元件研討會IEDM，特別跑去聽化合物半導體的場次，發現跟我在30年前當研究生時期，並沒有太大的變化。

無線通訊中，化合物半導體負責無線電波收發的部分，矽基IC則負責升降頻後段的訊號處理。當矽基IC技術還在發展初期時，為了增加無線數據傳輸的速率，就只有請化合物半導體拉高無線收發的頻段。但是隨著矽基IC技術不斷地進展，加上更有效率的通訊調變技術的發展，每單位Hz能夠乘載及處理的位元數亦水漲船高，也就是在相同的無線收發頻段的條件下，傳輸的數據量增加了千百倍。

但是當矽基IC技術也逐漸走到盡頭，就得回過頭來看化合物半導體是否能有所表現。但是很不幸的化合物半導體所負責無線頻段的收發，除了要提供夠高的頻段外，還需要有足夠無線電波的輸出功率及能量轉換效率，以應付電磁波在空間傳輸上的損耗。提高頻段可以由製程解決，但是輸出功率就跟材料系統有很大的關聯了。所以矽基IC技術的關鍵在製程，而化合物半導體則在材料，製程可以日新月異，材料卻只能百年一見。

6G如果為了達到全球的涵蓋，低軌道衛星通訊勢必得納入其中，而在有限的衛星數目下，毫米波以上的頻段也是個必要的選項，才能提供足夠的傳輸數據。化合物半導體要能夠提足夠的輸出功率及效率提供給低軌道衛星所使用，個人之見最多也只能達到60 GHz的頻段。除非我們有機會發展出一個極為靈敏且可商用的接收系統，在很低的功率條件下，就能完整地接收及解讀訊號的內容。至於使用太赫茲技術在無線通訊上，就只能在富有想像力的國度裡，持續地觀察。