近年來，全球光學衛星通信(optical satellite communication)應用飛速的成長，隨著低地球軌道衛星(low Earth orbit satellite, LEO satellite)的崛起更推升了光學衛星通信需求，這一增長歸因於在偏遠地區建立可靠高速通信、商業太空行業快速發展，以及衛星技術在傳統軍事和日常應用中的廣泛整合。

過去的衛星通訊中，每顆衛星需連接地面站提供服務，但低地球軌道衛星的大量發射使得設置相應數量地面站難以實現。為解決此問題，雷射光通訊技術(laser light communication)應運而生，透過太空中各個衛星間的雷射光傳輸，可將訊息從一顆衛星傳送至另一顆，最終連接到地面站。這減少了地面站的設置和分散範圍，大幅降低建設成本，同時在極地、海洋等區域提供穩定且快速的網路服務。

太空中的自由空間(free-space)雷射光通訊相較於傳統無線電具有小訊號發散和精確的點對點傳輸(edge-to-edge communication, E2E communication)，提高了安全性和保密性。同時，消除了無線電頻譜短缺和干擾，使通訊系統更為簡化。隨著對數據需求的增長，雷射光通訊能更大量地傳輸資料，有望實現從數據機時代到寬頻時代的跨足。這些特點使雷射光通訊成為未來太空通訊的重要選擇。


圖一、我們所提出的基於光子晶體面射型雷射和超穎介面整合的偏振複用光傳輸系統概念示意。

國立陽明交通大學(NYCU)郭浩中講座教授以及玉山青年學者黃耀緯助理教授團隊與鴻海研究院(HHRI)半導體所洪瑜亨博士團隊攜手合作，共同開發一種基於光子晶體面射型雷射和超穎介面整合的偏振復用光傳輸系統，研究成果《Metasurface-driven polarization-division multiplexing of PCSEL for optical communications》已於今年十二月發表在國際頂尖光電期刊Discover Nano。全文詳見https://doi.org/10.1186/s11671-023-03935-0。


圖二、利用超穎介面可對雷射光束進行細緻的角度偏折操縱。(a)各式超穎介面能提供所需雷射光束偏折。(b)以極座標表示所測得的各偏折雷射光束。插圖顯示在13.7°偏折角度下的雷射光束，確認其極小的光束發散角。(c)不同雷射光束偏折角度所對應的超穎介面模擬及實測量測效率。(d)用於確認所調控雷射光束偏振態的實驗設置示意。

參與這項研究的繆文茜研究員表示，光子晶體面射型雷射(Photonic Crystal Surface Emitting Laser, PCSEL)具有小體積、超小發散角、絕佳光束指向性等特性，因此能提供更為精準的自由空間點對點傳輸。另一方面，超穎介面提供我們更為精緻的雷射光操縱，除了提供不同的光束偏折角度所需外，更進一步調控光子晶體面射型雷射的偏振態，進而實現並且展示了一高傳輸容量的自由空間光通訊系統。


圖三、(a)用於測量傳輸性能的實驗設置示意圖。相應的在1Gbit/s下的眼圖(eye diagram)，分別為(b) 右旋圓偏振光(RCP)和(c)左旋圓偏振光(LCP)。右旋與左旋圓偏振光在1Gbit/s的操作下，皆具有打開且清晰的眼圖，確認了基於光子晶體面射型雷射和超穎介面整合的偏振複用在光傳輸系統的應用。

玉山青年學者黃耀緯助理教授表示，我們驗證了以超穎介面拓展光通訊傳輸特性的可行性，除了以偏振複用的方式擴展傳輸容量之外，還可以透過偏振達到訊號加密的功能。此外，其微小化的系統體積，使得以超穎介面調控的光通訊技術在水下通訊、物聯網、車對車通訊及低軌道衛星通訊等技術具極大的應用潛力。

鴻海研究院半導體所洪瑜亨博士表示，因超穎介面其相關製作相容於現今半導體製程技術，將有助於垂直整合。這是一個令人十分期待的發展方向，這塊我們將持續與富昱晶雷射公司(Phosertek)深化合作，整合超穎介面與雷射光源，實現一單石整合的終極元件。

針對於上述整合超穎介面於雷射光源的相關設計與製作方法，其對應的相關專利申請，我們亦獲得相當豐碩的成果。《發光裝置及其製造方法Light emitting device and manufacturing method thereof》，公告號TWI805457B以及《发光装置及其制造方法Light emitting device and manufacturing method thereof》，公開號CN115050863A，與《半導體元件Semiconductor device》，公告號TWM638823U。其他不同地區與其對應的多件專利亦持續申請中。