鸿海研究院半导体所所长暨阳明交大讲座教授郭浩中所长与半导体所洪瑜亨博士、缪文茜研究员、萧复合研究员及半导体所研究团队，携手国立台湾大学林恭如特聘教授研究团队及日本情报通信研究机构（National Institute of Information and Communications Technology, NICT）程志贤博士研究团队开展跨国研究合作，成功开发出埋入式二维中空金字塔光子晶体层结构的面射型雷射（Buried-Photonic-Crystal Surface-Emitting Laser, PhCSEL），实现了940nm波长下仅0.25度发散角的近乎准直光束。研究团队特别感谢鸿海研究院新世代通讯研究所吴仁铭所长在研究过程中提供的宝贵指导与支持。完整论文在此。
全球光学卫星通信应用蓬勃发展，低地球轨道卫星部署数量急剧增加。传统卫星网络中，每颗卫星皆需与地面站直接连接以提供服务，然而低轨卫星的大规模部署使相应地面站建设难以跟进。近年来，一种名为星间光通讯（Inter-Satellite Link）的技术，利用了雷射光通讯技术为此提供了解决方案，透过卫星间的光学连接，实现讯息在太空的中继传输并最终抵达地面站，大幅减少地面基础设施需求并降低建设成本，同时为极地和海洋等偏远区域提供稳定的高速网路覆盖。
自由空间光通讯相比传统无线电技术具备显著优势，包括更精确的点对点传输能力、更高的安全性和保密性，以及摆脱了频谱资源限制与干扰问题。随著数据传输需求持续攀升，雷射光通讯以其高频宽特性，有望推动通讯技术从窄频时代迈向超宽频时代，成为未来太空通讯的核心技术。
本次研究成果940nm PhCSEL具有多项突破性优势：埋入式二维光子晶体层产生带边缘雷射效应（band-edge lasing effect），诱导光波在各方向上的群速度趋近于零，实现大面积低发散角的雷射输出。研究团队设计了正方形晶格结构，搭配直角等腰三角形空气孔的光子晶体阵列，此非对称结构有效抑制了破坏性干涉，优化了垂直方向的光束萃取效率，提高了输出功率。
这款PhCSEL在210mA阈值电流下开始雷射，在475mW直流功率下可提供近70mW的输出功率，无需任何透镜系统即能输出发散角仅0.25度的准直光束。研究团队成功展示了0.3公尺近距离和20公尺远距离的点对点无透镜自由空间光传输。在直接调变下，PhCSEL提供了3.25GHz的-3dB调变频宽，支援高达5.75Gbit/s的非归零开关键控（NRZ-OOK）数据传输，以及3GBaud下的64阶正交振幅调变离散多音（64-QAM DMT）编码传输，等效数据率达18Gbit/s。
为提高频谱利用效率，研究团队开发了频谱切片位元负载DMT算法，自适应分配合适的QAM阶数到适当的波特率数据。这项技术充分利用了PhCSEL的4.09GBaud可用频宽，最终实现了高达22Gbit/s的总数据率，频谱利用效率达5 bit/(s·Hz)。
即使将传输距离延长至20公尺，当光束点扩散至大于1.1公分时，透过采用放大因子达M=100的雪崩光电二极管（APD），该PhCSEL仍能以1GBaud的波特率在16-QAM下传送4Gbit/s数据或在64-QAM下传送6Gbit/s数据。
本项研究在光通讯系统传输效率和稳定性方面取得显著突破，为未来无透镜高速光通讯技术和卫星通讯应用奠定了基础。研究团队未来计划进一步改善PhCSEL的调变频宽和光束品质，实现更高速率和更远距离的无透镜光通讯系统。
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