전기전자/정보통신

미쓰비시전기기보_2021.6 권두논문 요약 (p6-10)

고주파∙광디바이스의 최신 동향과 미래 전망
고주파 광디바이스 제작소 다케미 마사요시(竹見 政義) 소장

요지
디지털 트랜스포메이션(DX)은 사람과의 물리적 접촉을 줄인 경제 활동이나 새로운 생활 양식으로의 이행에도 기여하기 때문에 코로나19 감염증 억제 관점에서도 중요성이 높아지고 있다. DX의 추진에는 5G나 이를 인프라로 하는 IoT, 그리고 대량의 데이터를 전송할 수 있는 광통신 네트워크가 필요하다. 5G는 초고속, 초저지연, 초고신뢰 및 다수 동시 접속성을 특징으로 한다.

Massive MIMO(Multiple Input Multiple Output) 안테나를 이용한 기지국이 설치되고, 다수의 안테나를 통해 위상이나 진폭을 제어한 전파를 방사함으로써 많은 유저에게 각각 전파 빔을 조사해, 동시 다접속과 고속 대용량 통신을 양립시킨다.

미쓰비시전기는 이 용도를 위해 소형 고효율에 발열이 적은 GaN(질화갈륨) 증폭기를 개발∙제품화하고 있다. 또한, 통신인프라의 기간부를 담당하는 광통신 네트워크는 5G와 더불어 데이터센터의 증설∙대규모화, 클라우드 서비스나 인터넷 보급으로 인한 통신 트래픽 총량의 증대에 대응하기 위해 네트워크 전 계층에서 고속화와 전송 용량의 증강이 추진되고 있다.

당사는 분포귀환형 레이저(DFB-LD)에서는 25Gbps, 전계흡수형 변조기집적 레이저(EML)에서는 100Gbps까지의 동작을 실현하고 있다. 또한, 당사는 저비용화∙고화소화가 가능하고 고성능의 소형∙저가격 적외선 센서 모듈 ‘MelDIR’을 제품화하고 있어 IoT에의 적용이 기대된다.

1. 머릿말
데이터와 디지털기술을 활용해서 제품이나 서비스, 비즈니스 모델의 변혁을 통해 일본 기업의 경쟁 우위를 목표하고, 탄소중립에도 공헌하는 DX가 추진되고 있다. 본 고에서는 정보통신의 진전을 지원하는 고주파∙광디바이스의 최신 동향과 장래 전망에 대해 서술한다.

2. 고주파 디바이스

2.1 5G에서 Beyond 5G/6G 이동통신
이동통신에서는 5G의 본격적 운용이 시작되면서 기존의 4G로는 불가능했던 다양한 서비스가 시작되려 하고 있다. 5G에서는 ①초고속 eMBB, ②초저지연, 초고신뢰 URLLC, ③다수 동시 접속 mMTC를 특징으로 한다.

10~20Gbps의 고속통신에 의해 8K 비디오나 텔레워크, 게임을 할 수 있고, 동시에 클라우드 상의 AI를 사용한 XR(확장현실)에 의한 가상공간과 현실세계의 융합이 가능해지고 있다. 또한 고신뢰∙저지연 제어를 통해 로봇이나 공장의 컨트롤, 자율주행, 원격 수술과 같은 실시간 응답이 가능해지고, 미션 크리티컬이라고 부르는 사회적으로 중요한 정보시스템에 전개되고 있다. 또한 1㎢당 100만 대의 디바이스를 접속함으로써 다양한 센서에서 나오는 데이터를 활용할 수 있다. 스마트시티의 실현에 기여하고 있다.

5G에서는 이와 같은 특성을 실현하기 위해 Massive MIMO 안테나를 이용한 기지국이 설치되고 있고, 다수의 안테나에서 위상이나 진폭을 제어한 전파를 방사함으로써 많은 유저에게 각각 전파 빔을 조사하고, 동시 다접속과 고속 대용량 통신을 양립시키고 있다. GaN 증폭기는 소형 고효율에 배출 열이 적기 때문에 이들 안테나에 다용되고 있다.

화합물 반도체인 GaN이나 GaAs(갈륨비소)는 Si(실리콘)보다도 밴드 갭이 큰 재료다. 절연 파괴 전압이 높아서 고전압에서 작동시키는 것이 가능하며, 작은 디바이스 크기에서 큰 전력을 출력할 수 있는 특징이 있다. 때문에 출력 전력 당의 기생 용량이나 저항을 작게 할 수 있어 효율이 높고, 보다 광대역의 증폭기를 실현할 수 있다. 중에서도 밴드 갭이 큰 GaN은 소형화와 에너지절약이 요구되는 5G 기지국에 최적이며, 고도의 통신사회를 지원하는 인프라에 공헌하고 있다.

5G에서는 통신 용량을 늘리기 위해 기존의 0.9~2GHz대와 함께 3~5GHz 대역을 새로 사용한다. 동시에 28~40GHz와 같은 밀리파 대역까지 이용하고 있다. 화합물 반도체는 전자의 이동도가 낮고, 보다 높은 주파수에서의 동작 성능이 뛰어나기 때문에 앞으로 성장이 기대된다.

5G 이후의 Beyond5G/6G의 통신에서는 40~100GHz의 밀리파 대역 활용과 함께 300GHz와 같은 THz대의 이용도 검토하고 있어, 월등하게 고속의 디바이스가 요구된다. 또한 위성통신이나 비행선, 드론 등의 활용을 통해 지구 상의 어디에서도 고도의 통신서비스를 받을 수 있는 시스템 구축을 목표하고 있다. 다종 다양한 통신수단의 충실화를 도모한다. 화합물 반도체의 고도화를 통해 이러한 수요에 응답해 나간다.

2.2 IoT∙자율주행
사물과 사물과의 통신시스템으로서, IoT나 차량의 통신을 이용한 자율주행이 실용화되고 있다. 이를 실현하기 위해 ①방대한 수의 센서나 자동차를 네트워크로 연결하는 다수 접속 기술, ②실시간 제어를 가능하게 하는 저지연 기술과 같은 5G와 공통된 기술 개발과 함께 ③다양한 정보를 취득하는 센서 기술이나 ④V2X(Vehicle to X)라고 부르는 자동차와 모든 사물과의 통신 기술, ⑤방대한 데이터를 단시간에 처리하는 AI나 양자 컴퓨터의 개발이 이루어지고 있다.

화합물 반도체는 자동차나 장해물의 위치나 속도를 감지하는 차량탑재 레이더에 이용되고 있다. 또한 정체를 피하거나 교차로의 정보를 얻어 안전하고 원활한 운전을 하기 위해 차차간이나 노차간 통신을 통해 도로나 교차로의 상황이나 주위 차량의 움직임에 관한 정보를 파악해, 보다 고도의 제어를 하는 V2X 통신 기술이 개발되고 있다. 이러한 통신용 디바이스에는 고주파 성능에 뛰어난 GsAs나 GaN 디바이스가 이용되고 있다. IoT에 이용하는 센서의 통신기기에는 배터리로 구동이 가능한 소전력 디바이스가 요구된다. 때문에 저가의 Si계 디바이스가 다용되지만 커버 구역이 넓고 고출력이 요구되는 기지국에는 저소비 전력인 GaN 디바이스가 활용되고 있다. 또한 대규모 컴퓨터나 양자컴퓨터의 인터페이스에는 마이크로파나 밀리파 등의 전자파가 검토되고 있다. 앞으로 화합물 반도체의 활용이 기대를 받고 있다.

이처럼 반도체의 유스케이스에 따라서 최적의 디바이스∙재료가 사용되기 때문에 화합물 반도체의 특징을 살린 제품군을 통해 ICT(정보통신기술) 사회의 구축에 공헌해 나간다.

3. 광통신용 디바이스

3.1 시장∙기술동향
통신 인프라의 기간부를 담당하는 광통신 네트워크에서는 클라우드 서비스, 고화질 동영상이나 AR(증강현실)/VR(가상현실)을 포함한 콘텐츠 전송 보급에 따른 데이터 센터의 증설∙대규모화, 5G 이동통신의 도입, 인터넷 접속 디바이스 수의 증가 등에 따라서 통신 트래픽 총량의 착실한 증대가 예상되고 있다. 이와 같은 통신 수요의 확대에 대응해서 광액세스 네트워크, 이동통신 네트워크, 데이터 센서 등 모든 네트워크 계층에서, 광파이버 전송 용량의 증강이 이루어지고 있다.

구체적으로는 이동통신 기지국과 안테나부를 연결하는 이동통신 프런트홀(Mobile Fronthaul: MFH)이나, 이동통신 기지국과 코어 네트워크를 연결하는 이동통신 백홀(MBH)에서, 도시 간을 링 모양으로 접속하는 거리 수십~수백 km에 달하는 코어 네트워크, 데이터센터 내 통신이나 데이터센터 간 통신에 이르기까지 고속∙대용량화가 추진되고 있다.

3.2 향후 전망

4. 적외선 센서

4.1 시장∙기술동향
4.2 적외선 센서 MelDIR의 특징과 응용
4.2.1 MelDIR의 특징
4.2.1 MelDIR의 응용 예

5. 맺음말
정보통신의 진전을 지원하는 고주파∙광디바이스의 최신 동향과 장래 전망에 대해 살펴봤다. 고주파∙광디바이스는 일본 기업의 경쟁 우위에 공헌하는 DX의 추진을 지원하고, 코로나19 감염증 제어의 관점에서도 필수불가결의 키 디바이스로서 그 중요성이 더욱 커지고 있다. 당사는 선진적인 고주파∙광디바이스의 제공을 통해 뉴노멀에 대한 적합성을 지원해 활기와 여유가 있는 사회의 실현을 목표한다.

 -- 끝 --