6G、低轨道卫星与太赫兹通讯

当5G的战火还在方兴未艾之际，6G或称为B5G(beyond 5G)的烟硝味已逐渐蔓延中。6G目前还是处在一个非常具有想像力的国度里，各类不同的需求及解决方案不断地在探讨中。6G目前主要的诉求在于，比5G更高的传输速率及更低的延迟，另外一个重点就在于全球涵盖，包括人烟罕至的地表及海洋。为了全球涵盖，已经在进行中的低轨道卫星通讯，将必然纳入6G的范围，这包括可重复使用的火箭载具及结合太空旅行，俨然已形成一股庞大的商业势力在逐步推动中。

由于更高传输速率的诉求，因为5G已经开始进入毫米波 (30-300 GHz)的纪元，6G的无线传输频带，最常被提到的就是所谓的太赫兹了(Tera Hz；1,000 GHz)。但是目前所提到的大半限于次太赫兹(sub THz, >100 GHz)的频段。太赫兹并不是一个新颖的技术，只是之前大都应用在无线电天文观测及大地遥测，所以局限于接收端的技术。但是在无线通讯中，同时得存在发射端的信号，这对于太赫兹来说却是最大的挑战。

太赫兹再往上走，更高的电磁波频率就到了红外光及可见光，因此太赫兹也被称为准光波(quasi-optics)，这个频段是几世纪以来，人类很难用人为的方法所产生的频段。同时也因为进入了准光波，所以太赫兹的物理行为，跟我们所熟知的无线电波有着很大的差异，也更加深其在无线通讯领域应用的难度。

记得约莫在20年前，3G的架构已定案，并在全球推广中，各大公司的研发单位及学术机构，开始探讨所谓的B3G也就是4G的架构，当时的三星就提出了60 GHz的无线收发频段。但是经历了4G及5G的时代，我们的频段仍在3.5 GHz以下。5G勉强挤出了毫米波28/39 GHz的使用频段，而且是以小型基站为主，但在推广上仍有待观察。

事实上，无线通讯的发展，受到半导体技术的影响甚钜，这其中包括了矽基(Si)及化合物半导体，而这两类的半导体各有其发展的不同路径及命运。在90年代初期，化合物半导体已经进展到100纳米线宽以下，当时的矽基半导体IC还停留在0.5微米的制程。之后矽基IC的技术异军突起，突飞猛进做到了今日的3~5纳米，但是化合物半导体的技术几乎是在原地踏步。几年前我去国际电子元件研讨会IEDM，特别跑去听化合物半导体的场次，发现跟我在30年前当研究生时期，并没有太大的变化。

无线通讯中，化合物半导体负责无线电波收发的部分，矽基IC则负责升降频后段的信号处理。当矽基IC技术还在发展初期时，为了增加无线数据传输的速率，就只有请化合物半导体拉高无线收发的频段。但是随着矽基IC技术不断地进展，加上更有效率的通讯调变技术的发展，每单位Hz能够乘载及处理的位元数亦水涨船高，也就是在相同的无线收发频段的条件下，传输的数据量增加了千百倍。

但是当矽基IC技术也逐渐走到尽头，就得回过头来看化合物半导体是否能有所表现。但是很不幸的化合物半导体所负责无线频段的收发，除了要提供够高的频段外，还需要有足够无线电波的输出功率及能量转换效率，以应付电磁波在空间传输上的损耗。提高频段可以由制程解决，但是输出功率就跟材料系统有很大的关联了。所以矽基IC技术的关键在制程，而化合物半导体则在材料，制程可以日新月异，材料却只能百年一见。

6G如果为了达到全球的涵盖，低轨道卫星通讯势必得纳入其中，而在有限的卫星数目下，毫米波以上的频段也是个必要的选项，才能提供足够的传输数据。化合物半导体要能够提足够的输出功率及效率提供给低轨道卫星所使用，个人之见最多也只能达到60 GHz的频段。除非我们有机会发展出一个极为灵敏且可商用的接收系统，在很低的功率条件下，就能完整地接收及解读信号的内容。至于使用太赫兹技术在无线通讯上，就只能在富有想像力的国度里，持续地观察。