전기전자/정보통신

미쓰비시전기기보_2017.5 (Vol.91 No.5)_권두논문(p2~6)

[특집] 광∙고주파 디바이스
광·고주파 디바이스의 현황과 전망
Status and Outlook of Optical and High Frequency Devices
Hitoshi Watanabe / 고주파 광 디바이스 제작소장(공학박사)

요지
스마트폰으로 대표되는 정보기기의 전 세계적인 보급에 의해 데이터 통신뿐만 아니라 화상 및 음성을 언제 어디에서든 이용할 수 있는 사회가 되었으며, 취급하는 데이터량도 비약적으로 증가하고 있다. 이와 같은 통신 인프라를 지탱하고 있는 디바이스가 화합물 반도체를 사용한 광 디바이스 및 고주파 디바이스이다. 모바일 통신에는 실내와 같은 모빌리티가 낮은 경우부터 항공기로 이동하는 모빌리티가 높은 사례까지 다양한 용도가 있다. 현재, 차세대 휴대전황, 통신 규격이 될 제5세대 통신(5G)가 논의되고 있으나, 거기에는 통신대역을 확보하기 위한 3.5㎓~밀리미터파 대역의 높은 주파수대가 후보가 되고 있으며, GaN(질화 갈륨)반도체 및 GaAs(갈륨희소)반도체를 사용한 고주파 디바이스가 없어서는 안 된다.

한편, 광통신 시스템에도 고속∙대용량화에 맞는 대응이 이루어지고 있다. 예를 들어, 통신 네트워크의 단말기인 엑세스 네트워크에서는 40Gbps급의 차세대 PON(Passive Optical Network)시스템의 개발이 진행되고 있다. 또한, 현저하게 신장하는 데이터 센터에서는 400Gbps용의 규격 책정이 시작되고 있다. 어느 쪽이든 고속에서 동작하는 광 디바이스로의 요구가 강하다. 그러나, 새로운 시장으로써 프로젝터 광원, 센서, 조명, 가공기, 에너지 분야 등의 GaAs 반도체 레이저의 적용도 시작외고 있다. 이렇듯 정보통신뿐만 아니라, 사회의 모든 장소에서 화합물 반도체를 사용한 고주파 디바이스 및 광 디바이스의 활약의 장이 넓혀졌으며, 사회가 요구하는 키 디바이스로써 점점 그 중요성이 커지고 있다.

1. 머리말
앞으로는 모든 사물이 인터넷으로 접속되는 IoT사회가 도래할 것으로 생각되며, 고속정보기기 및 대용량 통신 시스템의 기간부품인 고주파 디바이스 및 광 디바이스에서는 한층 더 기술적인 발전과 공급수량의 확대가 이루어질 것으로 보고 있다. 또한, 이 디바이스는 그 특징으로 인해 프로젝터 광원, 센서, 조명, 가공기, 에너지 분야 등으로의 용도로 확대되어 다양한 산업분야에 활용되고 있다.

이 글에서는 실리콘(Si) 반도체와는 별도로, 독자적인 발전을 거듭하고 있는 GaAs, GaN 및 Inp(인화인듐) 등의 화합물 반도체를 사용한 고주파 디바이스 및 광 디바이스의 기술 동향에 대하여 서술하겠다. 또한 이것들의 향후 전망에 대해서도 서술하도록 하겠다.

2. 고주파 디바이스
2.1 시장∙기술 동향
2.1.1 모바일 통신
모바일 통신에는 실내와 같은 모빌리티가 낮은 케이스부터 실외 걷기, 자동차로 이동, 선박 및 항공기로 이동하는 등의 모빌리티가 높은 사례까지 다양한 상황이 있다. 실내에서는 이동하는 거리나 속도가 제한적이기 때문에 무선LAN(Local Area Network)이 보급되고 있으며, 지금은 사회 인프라 중 하나가 되고 있다.

그 다음은, 모빌리티가 높은 야외에서의 도보 및 자동차로의 이동을 서포트하고 있는 휴대전화의 통신망이 있으며, 현재는 제4세대(4G)의 LTE(Long Term Evolution), LTE-A(Advanced)가 주류가 되고 있다. 통신 속도는 1Gbps에 육박하고 있으며, 메일, 데이터, 화상 및 브라우징, 동영상을 이용하는 것은 이미 일상생활이 되었다.

한편, 이동이 큰 항공기 및 선박에서는 휴대전화의 서비스 범위를 초과하여 이동하기 때문에 위성을 이용한 위성통신에 의한 데이터 통신이 제공되고 있으며, 지구의 구석구석까지 네트워크로 연결되는 서비스가 제안되고 있다. 

2.1.2 제5세대 통신
5G의 방향성은 다음과 같으며, 지금까지 없었던 가치 제공을 목표로 두고 있다.
(1) 새로운 체험
지금 세대에서 한 자릿수의 속도향상(10Gbps), 1,000배의 통신 용량을 제공하는 것으로 향후에는 데이터의 제한 때문에 실현되지 않았던 8K(슈퍼하이비젼) 동영상 및 가상현실(Virtual Reality: VR), 확장현실(Augmented Reality: AR), 촉각통신 등의 새로운 체험을 가능하게 한다. 이를 실현시키기 위해서는 현재의 휴대전화 주파수만으로는 대역이 부족하기 때문에 밀리미터파 대역 등의 높은 주파수대로 대역이 확보된 통신이 필요하게 된다. 또한, 여러 개의 기기가 안테나 셀 안에 있는 데이터를 분할하기 위해 통신 속도가 떨어지는 문제가 있으나, 다소자 안테나(Massive MIMO(Multi Input Multi Output) 안테나) 기술의 도입에 의해 1대의 안테나로 많은 이용자를 수용할 수 있게 함으로써 해결될 수 있다.
(2) 모든 사물과의 연결
(3) 즉시 응답

2.1.3 에너지 분야로의 응용
고주파 디바이스의 새로운 응용분야로써 에너지 분야가 있다. 수십 ㎒대의 공명현상을 이용하여 PC 및 태블릿에 전력을 공급하는 무선 급전(給電) 및 5㎓대를 사용해 우주공간으로부터 지상으로 송전하는 우주태양광 발전이 연구되고 있으며, 무선의 새로운 용도로 주목을 받고 있다. 또한, 마이크로파에 의한 화학반응의 촉진 및 가열을 시행하거나 플라즈마를 생성하여 자동차 엔진의 연소효과를 개선하는 등의 새로운 응용분야에 대해서도 연구가 진행되고 있다.

2.2 고주파 응용에서의 화합물 반도체 디바이스의 전망
2.2.1 반도체 디바이스와 응용 분야
2.2.2 5G용 디바이스
2.2.3 IoT용 디바이스

3. 광 디바이스
3.1 시장∙기술 동향
반도체 레이저와 광 디바이스를 사용한 광통신 시스템은 대용량으로 장거리 통신이 가능하기 때문에 대도시 간이나 대륙간의 수백~수천km에 까지 도달하는 코어 네트워크에서 도시간을 링 상태로 연결시키는 거리 수십~수백km의 매트로 네트워크, 또한 일반 가정 등의 엔드 유저를 접속하는 전송거리가 대략 20km이내의 FTTH(Fiber To Home)에 대표되는 엑서스 네트워크까지 폭 넓게 적용된다.

3.1.1 엑세스 네트워크
3.1.2 데이터 센터용 네트워크
3.1.3 코어 네트워크
3.1.4 새로운 응용분야
3.2 광 응용에서의 화합물 반도체 디바이스의 전망
3.2.1 광 디바이스의 고속화
3.2.2 광 디바이스의 집적화
3.2.3 광 디바이스의 고출력화
3.2.4 IoT로의 대응

4. 맺음말
정보통신의 뛰어난 고속화, 시스템 보급에 공헌하는 장치의 소형화와 저 소비전력화를 실현하기 위한 기간부품인 광∙고주파 디바이스의 현황과 전망에 대해 서술했다. 정보통신분야뿐만 아니라 당사는 사회가 요구하는 키 디바이스를 글로벌하게 제공하여 여유 있는 사회의 실현을 위해 공헌해 나아갈 것이다.

 -- 끝 --