6G技術發展如火如荼 無線雷射通訊前景可期
5G已逐漸成為行動網路技術主流的今天，業界已經將目光轉向能實現全球網路無縫覆蓋的6G技術。在6G網路中，無線雷射通訊(Laser Communication in Space, LCS)是不可或缺的關鍵技術，其頻寬可達傳統衛星通訊的10倍，從而實現地面、衛星和機載網路等的無縫連接。而且，無線雷射通訊技術於任一自由空間均能傳輸高速數據，能協助網路營運商克服在山區、離島等偏僻地區架設基地台、布線時所面臨的各種障礙，並可運用於串連星鏈、高空、太空與地面、地表等環境下提供高速數據傳輸。目前無線雷射技術的主要應用著重在軍事、救災等方向，但其商轉運用潛力與相關零組件商機不可小覷。
無線雷射通訊潛力雄厚各國積極投入研發
伴隨全球5G技術陸續進入商轉接段，標準制定機構著手研擬6G 通訊協定標準與技術發展方向，從5G邁向6G的過程中無線雷射通訊勢必扮演催化者功能。目前主要通訊發展國家亦開啟無線雷射通訊技術發展、標準研擬、與策略訂定之進程，如日本已開啟人造衛星與地面站之間採用光通訊技術的驗證實驗、美國發射雷射通訊實驗衛星、中國大陸亦加快步伐推動北斗衛星系統研製。
而在通訊技術發展進程自物聯網導向的5G、走向以終端用戶體驗為主的6G，無線雷射通訊技術將與6G行動通訊互補、完善整體網路的覆蓋範圍，從地球進一步延伸到太空，實現地面、衛星和機載網路等的無縫連接。尤甚，無線雷射通訊作為無線通訊主要技術之一，其技術優點在於單色性好、方向性強、光功率集中，使用光訊號作為傳輸資訊的載體可直接在大氣中傳輸多種速率之數據、影音、圖像等，伴隨技術的不斷完善，其性能甚至可比擬光纖通訊，並超越微波通訊。
LCS三大核心技術
無線雷射通訊最關鍵的核心技術有三，分別是捕獲、瞄準與跟蹤系統。隨著這三項關鍵技術的進步，自由空間光通訊系統的可靠性亦同步獲得提升，其適用範圍更擴大至星鏈、高空、太空與地面、地表等環境。
一般來說，無線雷射通訊系統主要是由兩部雷射通訊模組，彼此相互向對方發射被調製的雷射脈衝訊息(將多媒體影音、數據等訊息數位化，並透過雷射光波傳輸)，接收並解調來自對方的雷射脈衝，以實現雙工通訊。由於是無線通訊技術，無線雷射通訊理論上可隨意移動到任何地點，並且在移動狀態下保持連線，且就大氣傳輸光學線路的概念而言，只要用發射模組將雷射光束射至接收模組即可。然而，運用在實際的大氣傳輸中，狹窄的雷射光束對接收精確度有很高之要求，因此系統還應包括主動對準裝置，以建構如低軌衛星鏈路或地面通訊設施等，透過大氣傳輸光學之應用架構。
如果按照系統功能劃分，無線雷射通訊技術的發展重點主要可分「捕獲追蹤」、「通訊收發」、「環境補償」與「光機電設計」四大主軸。無線雷射通訊技術發展至今最大的挑戰來自於大氣湍流，因為空氣的擾動會導致雷射光束閃爍，致使接收的通訊訊號產生極大的震盪。其中，來自平面的擾動影響尤其巨大，因為平面擾動會導致訊雜比(SNR)降低。所幸雷射、光學模組和光電元件技術上的持續進步，有望降低訊號的衰減與失真。
雷射通訊優缺點分析
無線雷射通訊發展至今，其物理特性對於各國通訊技術及應用情境多有啟發。無線雷射通訊系統優點包括：
- 通訊效率品質高：數據傳輸速率可達20Gbps以上，更勝5G行動通訊、光纖通訊及微波通訊
- 性價比更高：與功能類似的射頻(RF)系統相比，無線雷射通訊系統體積較小、且整體重量體積更為輕盈，零組件設備製造上能更節省成本而受到青睞
- 通訊保密性佳：雷射指向性較佳且訊號不容易發散，故通訊內容難以被第三方所截獲
- 應用領域廣：由於具前述三項優點，除可用於一般通訊外，亦可用於衛星通訊、軍事、緊急救難等應用領域
然而，無線雷射通訊系統尚有容易受天氣影響與收發兩端的瞄準需極為精準這兩項限制與缺點存在。無線雷射通訊在遭遇雲、雨、霧、雪等大氣現象時，訊號會嚴重衰減，甚至造成通訊中斷。收發兩端任一方若受外力影響，如撞擊或地震，導致雷射光偏移，也會使通訊中斷；若應用於移動載具，如低軌衛星或飛行載具等，則必須附加額外的精準捕獲追蹤技術，實務上極為複雜。
LCS四大類應用場景
無線雷射通訊可應用範圍廣泛，各政府研究機構與民間企業均積極進行前導研究與試驗，以下列舉四項不同空間的應用案例。
衛星對衛星：光學衛星鏈公司GA-EMS
開發光學衛星鏈而著名的GA-EMS，已在2020年中旬宣布與美國太空發展署(Space Development Agency, SDA)簽署協議，該公司的雷射通訊終端機將進行一連串光學衛星之間鏈接的試驗並進行發射，GA-EMS預計將開發兩個12U(單位)立方衛星(Cubesat)，每個立方衛星承載一個紅外線酬載和一個雷射通訊終端機，達成雙12U立方衛星在星鏈的通訊。
衛星對飛機：美國SDA與DARPA
美國太空發展署(SDA)與國防高等研究發展署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)共同測試高空之間使用雷射，並進行太空發射光束傳送資料的光通訊終端機之試驗，SDA藉由在太空發布在傳輸層的通訊星群提出衛星間光學鏈接是Tranche 0(計畫第0期)之中最關鍵技術。透過Tranche 0已於2022年開始部署計畫。此外，美國空軍AFWERX計劃於衛星之光電傳感器、軟體子系統、通訊技術等進行設計，讓衛星能與戰鬥機進行無線雷射通訊。
衛星對地面：Telesat與SpaceX
加拿大衛星業者Telesat目前以自有的15顆地球軌道同步衛星提供電視廣播、網際網路等服務；Telesat預計於2023年起發射298顆低軌衛星，組成Lightspeed衛星系統，並十分看好低軌衛星發展。Telesat之主要衛星製造商Thales Alenia Space已公布Lightspeed的298顆衛星都將搭載衛星鏈雷射光鏈通訊設備，透過天空傳輸將提供全球網狀覆蓋的服務，其覆蓋服務範圍甚至包括海洋和極地區域。此外，SpaceX的星衛星網路服務已經向美國聯邦通訊委員會(FCC)提出申請，準備啟動第一批的具雷射通訊功能的衛星，且未來發射的所有低軌衛星都將具備雷射通訊功能，並已在美國各地建立數十個地面站，但仍須克服地形地貌的限制。
地面對地面：Moonshot Factory的Taara計畫
前身是Google Project X射月工廠(Moonshot Factory)計畫之一的Taara專案之團隊，其正與全球電信公司、網路服務提供商和政府進行合作，並實際在印度和非洲布建其技術，設法將高速寬頻連接擴展到偏鄉或公共基礎設施極端落後的地區。Taara團隊透過無線雷射通訊技術，主動提供了一種經濟高效且可快速部署的方式，將高速網路連接帶到偏遠地區，並幫助當地克服因缺乏關鍵通訊基礎建設而喪失教育、商業、通訊等網路權利。透過無線雷射通訊技術，其基地台與接收站之間距離可達20公里以上，傳輸速率達20Gbps以上。
LCS已進入商轉階段 零組件商機可期
無線雷射通訊設備具有無電磁干擾，組網機動靈活且安裝維護方便，其通訊可靠性、保密性、性價比等優點，而其應用正在起步階段，技術應用及市場機會有三項發展機會值得注意：
無線雷射通訊的半導體雷射器和接收器件已實現商品化，近年美國、日本、歐盟等都相繼推出了適用於半導體雷射的空間通訊大功率器件，連續輸出光功率可從數十毫瓦到數瓦。
無線雷射通訊顯見於研發輕型化的雷射通訊終端設施，且可搭載於小型衛星上呈現各種商轉可能性。全球大型衛星製造業者如GA-EMS、Thales Alenia Space業已開發出多套衛星雷射通訊終端，SpaceX的星鏈衛星網路服務，跨國電子商務企業如亞馬遜(Amazon)、Facebook皆積極投入多項研發試驗並推出商業計畫開啟布局。
但目前LCS最主要的應用還是以軍事與緊急救災為主，因LCS系統可架在高山之間，提供邊防哨所和森林觀察之通訊，亦能臨時架設作為移動通訊的轉接站，並利於在堤岸、河道、島嶼或船艦間實現短距離保密通訊。
無線雷射通訊系統其方便快捷和保密性好的優勢，可適應戰場移動指揮及因應大規模救災的通訊需要，特別是針對地廣人稀且地貌平緩的國家。若與傳統的無線電通訊相比，無線雷射通訊設備適合於在特殊地形、地貌及有線通訊難以實現和機動性要求較高的場所工作，可彌補5G行動通訊覆蓋範圍不足之場域。
無線雷射通訊技術涉及光電、光學核心零件及模組研發使用，雷射光通訊技術和產業領域引領全球技術與產品創新優勢，核心零件研發的智慧財產權爭奪會逐漸白熱化。另一方面，隨著無線雷射通訊在美國、歐盟、日本、中國大陸及俄羅斯等國發展成熟並逐漸商轉，各國必然積極參與相關技術及專利發展，並且在標準制定上高度競爭，預期未來5G邁入6G將促使全球覆蓋網路更為普及化，而無線雷射通訊技術零組件研發及製造有極大的商業潛力。
（本文作者為資策會MIC產業分析師 王允筑）