第 4 章テラヘルツ無線の実現に向けて 4-1 テラヘルツ無線の考え方とその利用シーン利用シーンの分類とイメージテラヘルツ帯電磁波の特徴を活かしたテラヘルツ帯無線の応用シーンを表 4-1-1にまとめる応用シーンは伝送距離にして 1cm 程度から数万 km にも及び今後デバイス開発が

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1 第 4 章テラヘルツ無線の実現に向けて 4-1 テラヘルツ無線の考え方とその利用シーン利用シーンの分類とイメージテラヘルツ帯電磁波の特徴を活かしたテラヘルツ帯無線の応用シーンを表 4-1-1にまとめる応用シーンは伝送距離にして 1cm 程度から数万 km にも及び今後デバイス開発が進展することによって幅広い応用可能性があると言える特に身近な距離の伝送においてテラヘルツ帯無線の特徴 ( ミリ波帯より大容量小型かつ光波帯より位置合わせが容易 ) を活かした格段に利便性の高いシステムを構築できると考えられる距離アプリ特徴利用シーン数万 km ~100km 数 km 1km 数百 m 数十 m 10m 以下数 m 以下宇宙 - 成層圏基幹超高速無線ネットワーク基幹光ファイバ通信の補完超高速固定無線アクセス第 5 世代携帯電話超高速無線 L AN 超高速無線インターフェース高速鉄道高速道路への超高速リンク衛星- 衛星間リンクでは真空中のため大気減衰なしミリ波帯より大容量かつ小さなアンテナ光帯より位置合わせが容易 ( 簡易なポインティングデバイス ) 宇宙- 成層圏リンクにおいては大部分は真空中高度 10km 程度と衛星軌道間は大気窓がかなりある減衰 ~3dB 程度地上 ~ 衛星間リンク ( フィーダーリンク ) は多値変調ミリ波帯無線による 300GHz 帯程度以下多値変調を用いた100Gbps 級 -1km 級伝送ミリ波帯より大容量かつ小さなアンテナ光帯より位置合わせが容易 ( 簡易なポインティングデバイス ) かつシンチレーションの影響が少ないフェイズドアレイアンテナがミリ波帯より小型 ( 面積で数十分の 1) にできるミリ波帯より大容量かつ小さなアンテナ光帯より位置合わせが容易 ( 簡易なポインティングデバイス ) 複数の周回衛星により地上の光ファイバ網とは独立した低遅延基幹網を構成成層圏航空機からのリンク (THz 帯 ) ミリ波帯フィーダーリンクにより地球上のあらゆる地点から利用可能 ( 災害現場等からの非常時大容量リンクによる被災状況の把握海上船舶からのリンク ( ミリ波帯 ) 未開発地帯からのリンク ( ミリ波帯 ) 等 ) 川越え谷越え等ルーラルエリアにおける光ネットワークの補完 ( 無線メッシュネットワーク ) ビル - ビル間スポーツ中継現場の臨時回線ヘテロジーニアス無線アクセスシンクライアント超高速ファイル転送バーチャル会議バーチャル講義航空機内エンターテインメント高精細画像のストリーミング伝送 [ 遠隔医療手術超高精細ディスプレーとセットボックス間のストリーミング伝送 ( 超高解像度ディスプレーのロケーションフリー化 ) スタジオ内の超高精細カメラ映像のストリーミング伝送航空機操縦シミュレーションオンラインゲーム電脳メガネ ( 実映像と3D 映像の重ね合わせ : 超高精細ヘッドマウントディスプレーへのストリーミング3D 映像伝送によるAR 技術 ) など ] 鉄道高速道路に沿ったエリアに限定された無線 ( リニアセル ) により路車間を超高速にリンクし車内での超高速ネットワーク環境を構成する車内のデジタルデバイド状況を解決映像を含めた運転時ログをクラウドへ交通事故ゼロへ 61

2 10cm 以下 1cm 以下超高速無線データバス ( インターコネクト : ボード間 / チップ間 ) 近接瞬時転送 (KIOSKダウンロード ) データバスの無線化 1m 四方 ~10cm 四方中に多数の数十 G b/s 級の無線局 ( 携帯電話 (1 GHz) の 1/1000 のダウンスケーリング ) 大容量コンテンツの瞬時転送 10 秒以下の転送時間 ( タッチ通信 ) 表テラヘルツ帯無線一覧表配線不要の超高速無線データバス携帯機器間携帯機器とネットーワーク端末間での高精細写真ムービーファイル ( H D,SHD,3D) 等のシェアリング今後 10 年以内程度で電子デバイス回路技術が扱える周波数帯が超高周波であるテラヘルツ帯にまで及ぶ例えば 60GHz 帯でフェイズドアレイアンテナを用い伝送レートが数 Gbps 伝送距離が 10m 程度のシステムが実現されているこれが 10 年以内に 300GHz 帯でフェイズドアレイアンテナを用い伝送レートが数十 Gbps 伝送距離が 10m 程度のシステムが実現できると予測されるフェイズドアレイアンテナは 60GHz 帯では 20mm 四方程度の面積を必要としているが 300GHz 帯では波長の比である長さで 1/5 面積で 1/25 だけ小さくでき 4mm 四方程度の面積で実現できるため携帯機器に搭載できると考えられるこのような大容量小型の無線は様々な利用シーンでの応用が期待できる次頁以降に応用シーンの具体例を示す 62

3 LAN LAN Gbps ch TV/ ch TVTVch ch / TransferJet12m 12m AV/ 63

64 㪌 ⷞ ᚲ Autonomous reading Of freight manifest and destinations while being loaded Autonomous reading (imaging

Data Link 㪎 Electronic Entertainment, Gaming, Shopping, Smart Home And Medical Monitoring PAN s Next Gen IRDA s Digital

Information And Telepresence Services doc.: IEEE 802.15-15-10-0150-00-0thz After D.

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0µm 10 THz Mid Infrared Spectrum 50 50 690-710 800-850 300.0µm 1THz 1000.

355-400 Terahertz Spectrum 6 275 300 GHz Wi-Fi doc.: IEEE 802.

In-building THz Fiber O to THz In-Building IR To Terahertz demux and Router Low Loss THz Fiber Standard Optical Fiber

Outdoor nanocell clusters can be shaped around vehicle and pedestrian traffic and will not easily penetrate indoors to

Britz (AT&T) 3/4G Microcell Low frequency RF goes Everywhere requiring rigid frequency control to avoid interference

3 µm 3500 THz Near Infrared Spectrum Attenuation (db/km) Bands of Interest Vast unregulated spectral resource,

4 64 㪌 ⷞ ᚲ Autonomous reading Of freight manifest and destinations while being loaded Autonomous reading (imaging scanning) of freight for safety and destination tags Terahertz (GigE) up/down link from terminal To airplane Airplane Data Link 㪎 Electronic Entertainment, Gaming, Shopping, Smart Home And Medical Monitoring PAN s Next Gen IRDA s Digital Download Kiosk s for high speed video and data downloads, omni-directional Transmission 10+Gbps Education, Business Information And Telepresence Services doc.: IEEE thz After D. Britz (AT&T) ᾫ 䈮䉋䉎ᜰ 䇮䉝䊄䊋䉟䉴㜞㕙䈮䉋䉎 Ꮏ ㅴ ᴫ 䈭䊁䊧䊜䊷䉺䊥䊮䉫 In Cabin Broadband Links - FAA safe Short-distance high-data rate transfer for communications, entertainment, manifest and inventory control Initial THz Communication Applications Ꮏ ႐ 㔚ജ ὐ䈮䈍䈔䉎ᄢኈ㊂ή 䋨ᤋ વㅍ䋩䈱ㆡ 䉟䊜䊷䉳 After D. Britz (AT&T) µm 350 THz 1.0µm 300THz 3.0µm 100THz 㪍 30.0µm 10 THz Mid Infrared Spectrum µm 1THz µ 300 GHz Bandwidth (GHz) 100 GHz Spectrum Current Radio Spectrum Conventional Radio Terahertz Spectrum GHz Wi-Fi doc.: IEEE thz Indoor THz Stand alone Nanocell 㪏 Optical Fiber Outdoor THz Nanocell Cluster Omni and directed In-building THz Fiber O to THz In-Building IR To Terahertz demux and Router Low Loss THz Fiber Standard Optical Fiber FTTH Holey THz Fiber Indoor THz Nanocells transmissions can be contained within rooms and Buildings. Outdoor nanocell clusters can be shaped around vehicle and pedestrian traffic and will not easily penetrate indoors to interfere with existing THz systems. to interfere In Room Dumb Transceiver Shaped THz Coverage Areas After D. Britz (AT&T) 3/4G Microcell Low frequency RF goes Everywhere requiring rigid frequency control to avoid interference And later. Longer distance directed beam applications µm 3500 THz Near Infrared Spectrum Attenuation (db/km) Bands of Interest Vast unregulated spectral resource, Gigahertz channel bandwidths possible Device technologies maturing rapidly (for security scanning solutions) Target application: In-Building, In-Room, Outdoor Hotspot WLAN systems Communications standards initiatives begun ( IG THz) Potential throughput: Multi-Gig-E and above Ultraviolet Visible Spectrum Spectrum So Why IEEE thz Opening theterahertz? Terahertz Spectrumdoc.: Window

3/4G Microcell Low Bandwidth Traffic Frequency Router Network Backhaul Wi-Fi Fiber 5G THz

Nanocells Network Backhaul Fiber Street Light Remote THz Nanocell Cluster Street Light

Stack THz Nano Cell Cluster Campus Microcell THz Nanocells Campus Wi-Fi Street Light

5 3/4G Microcell Low Bandwidth Traffic Frequency Router Network Backhaul Wi-Fi Fiber 5G THz Nanocell High Bandwidth Super channel Short Duration Traffic Microcell Wi-Fi THz Nanocells Network Backhaul Fiber Street Light Remote THz Nanocell Cluster Street Light Remote THz Nanocells Cluster Meshed Nanocell Cluster Backhaul (FSOC, S-MM Wave) Triple Stack THz Nano Cell Cluster Campus Microcell THz Nanocells Campus Wi-Fi Street Light Remote THz Nanocells After D. Britz (AT&T) doc.: IEEE thz Microcell Coverage Area 65

6 4-1-2 大容量近接無線通信の実現に向けて ( ケーススタディ ) ( テーマ ) 大容量近接無線通信ニーズと実現技術 ( 講師 ) 日本電信電話株式会社マイクロシステムインテグレーション研究所スマートデバイス研究部門勇一部長講演概要本調査検討会におけるヒアリングやデモ実験に対するアンケート結果を通して大容量データの瞬時転送ニーズが明らかになった携帯端末間や携帯端末と映像データ蓄積装置間での大容量映像データ転送ニーズに焦点を絞り将来必要になる無線伝送速度を明らかにしたマイクロ波帯を用いた至近距離無線 TransferJet のヒアリングでテラヘルツ波帯の情報通信利用について多くのヒントを得たコンセプトは Touch & Get でありタッチすると接続離すと切断というシンプルで分かり易い操作性としネットリテラシーの低いユーザでも直感的に使える無線を目指しているまたモバイル機器がメインターゲットであり 1 対 1 通信に限定したシンプルな構成とすることで小型化低コスト化を狙っている通信距離を非常に短くすることで通信相手を限定可能とし盗聴可能性が低く最高 560Mbps という快適な転送を実現している転送時間は利用シーンを想定すると 10 秒程度が限界だろう日本が強みとしている高精細映像規格が進展すると扱う映像データ量は非常に大きくなる 10M ピクセルのデジタルカメラで撮影した画像が 150 枚程度であれば CD に保存できる 700MB 程度で済むが映像になると2 時間の SD 規格の映像データで 11GB これが SHD 規格になると 63GB になり 10Gbps 以上の伝送速度でないと 10 秒以下の瞬時転送は難しくなる更に 2 時間の SHD 規格の映画のダウンロードでは 100Gbps 以上の伝送速度が必要になると考えられるさらにインテグレル方式の3 次元映像データはもっとデータ容量が大きくなる上記の大容量近接無線モジュールを世界に広く普及している携帯端末等に搭載するため 300GHz を超える周波数帯で広帯域を占有する ASK 変調方式で単純な構成のアンテナ一体型無線モジュールを開発するアプローチは有力な開発指針の一つと考えられる想定している利用シーンを実現するためには要素技術としての処理転送蓄積表示の技術を有する産業界と連携して開発を推進すべきであるビジネスモデル構築に向けた関連業界として通信放送業界広告業界ゲーム機メーカーコンテンツクリエータ及びコンテンツ流通業界と連携すべきと考えられる日本が強みとしている上記産業の復権に向けて産官学の連携が必要である 66

7 質疑応答 ( 委員会での議論 ) SSD( コンピュータの外部記憶装置として用いる半導体メモリ ) の進化の表を見ると現状は FushionIO 80GB の読み出し速度は 800MB/s となっており 80GB を読み出すのに 100 秒かかるこれを 10 秒で転送させようとするとその 10 倍の転送速度が必要となるこれに対してはメモリの並列化しかないのか次の世代になると 5 倍程度の速度改善が可能と聞いている現状の能力ではメモリを並列化したボードと組み合わせて対応することになるだろう帯域を広くとって変調方式はASKでシンプルにするというアプローチは魅力的な考え方と思うが普及のために課題等はあるかスタンダードをどうするのかということが一番のポイント例えばUWB( 超広帯域無線 ) はインパルス波という非常にシンプルな方式だが広帯域を必要とするしかし電力が小さいから周波数共用ができるということで世界的に使われるようになり電波監理上問題がないとして認められるようになったテラヘルツ波についてもシンプルな変調で広帯域使用が世界的なトレンドで電波天文等他の用途との調整がとれるようであれば可能ではないかと思うそのためには IEEEでの仕掛け作りなどが重要だろうビットレートを上げるためにキャリアの高周波化を進めるのは意味があるのかどうか最近それが正しいことが分かった未発表だが300GHzまで周波数を上げて実験をした結果わずか10μWで計測器の限界を超えたおそらく15~20Gbpsは可能ではないかつまりキャリアの周波数を上げることでビットレートを高速化するのは非常に有効であることが分かった 120GHzの場合 1mWで10Gbpsという結果を出すのにかなり苦労したが近距離であれば非常に小さいパワーで10Gbpsを超えることができるあとは干渉の問題電波天文との干渉がなければ光に近い扱いができるアプリケーションを近接にしてローパワーで高周波化するという考えは間違っていないと実感している光に近いけれども位置合わせが容易でアンテナ等の工夫により誰でも使えるという点が普及のポイントになるだろうアンテナ等が非常に小さくなるので実装してしまってモジュール化を進めることによって普及が加速すると思う国策として開発を支援すべきとの提案があるが実装する場合のボトルネックはどこにあり何を解決すべきなのかというのは想定されているか発振のためのキーデバイスをどうするのかがポイント超高速電子デバイスについては日本の化合物半導体メーカーが力を発揮してきたが無線モジュールの低コスト化に向けてCMOS 等安定したデバイスの供給については懸念しているフォトニクスではこの周波数帯は使えると思っているがやはりその次は電子デバイスの出番化合物の電子デバイスからCMOSの順番だろう最新のテラヘルツ帯の計測器の例では電波天文用などで開発してきた技術を持った会社のデバイスを組み込むことで汎用的な測定器を作り出しているこれは化合物電子デバイスの役目であり日本の化合物半導体メーカーが行うのが望ましいこれによってマーケットが広がったところに安価な製品を可能にするCMOS 技術を投入し競争が生まれるのではない 67

8 かと思うまずは化合物半導体を牽引する体制構築が重要ではないかそうした体制があるとずいぶんテラヘルツ波の応用研究が進み応用も開拓されると思う最終的にはシリコンというのは外せないだろう海外の最新の成果はW 帯 (75~ 110GHz) でアンプが480mWでFECCが10% というのがでている逓倍していけば10μW というのは簡単にクリアできるさらに複雑でない変調方式であればこれ以上なにも要らないガリウムナイトライトが出てくると全て逓倍器で対応できるのでそういった海外の動きも注視が必要だろうアジア圏を念頭に置いてもよいのではないかと感じる台湾などアジアのCMOSのファウンドリー ( 受託生産会社 ) を企業や大学が使えるという連携シナリオも検討に値すると思う 68

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10 5 Touch & Get Touch 11 TransferJet 560Mbps M GH -70 dbm/mhz cm IEEE

SDDTB 9 10 1T SSD SSD 100G 10G 08 Fusion IO 80GB 800MB/s 600MB/s 1G 08 Intel 80GB 250MB/s

11 SDDTB T SSD SSD 100G 10G 08 Fusion IO 80GB 800MB/s 600MB/s 1G 08 Intel 80GB 250MB/s 70MB/s GB 230MB/s 180MB/s 100M 1 G 10G 100G 1 T 10 T 100 T [byte] 11 10mm 10mm mm 10mA [bit/s]

1K 䂓Transfer time䋺 10-100 ms 䂓Typical data䋺 ID data, biometric data 1M 1G 䊂䊷䉺ኈ㊂ [byte] 䂓 Transfer time䋺 1-10 sec 䂓Typical data䋺hundred and several tens of 10Mpixel still pictures 䂓Data volume:

hundreds of giga bytes - a few tera bytes ᵦᵢᵍᵱᵦᵢᴾପဒ ἙὊἑἒỸὅἿὊἛ 13 䂓 Typical data䋺 2hour SD movie, or 1-hour HD movie 䂓Data volume䋺tens of giga bytes ᵱᵢᵍᵦᵢପဒ ἙὊἑσஊ ݩ ஹỉ ٻ ἙὊἑ ᡛἝὊἌ ᵆᵏᵇ ㅍ 䈎䉌䋨NHK䋩 ᵲᵦΈᡫ

Shortwaves ᛢ Ὁൿฎϼ 䂓 Near-body electric field communications 䂓 Contactless IC card NFC (Passive) 100M 1G 䂓 4.

12 1K 䂓Transfer time䋺 ms 䂓Typical data䋺 ID data, biometric data 1M 1G 䊂䊷䉺ኈ㊂ [byte] 䂓 Transfer time䋺 1-10 sec 䂓Typical data䋺hundred and several tens of 10Mpixel still pictures 䂓Data volume: hundreds of bytes - thousands of bytes ഥဒἙὊἑσஊ 䂓Data volume䋺 hundreds of mega bytes ᛢ Ὁൿฎϼ 15 䂓 Transfer time䋺1-3 min 䂓Transfer time䋺 1-10 sec 1T 䂓 Typical data䋺 2hour SHD movie 䂓Data volume䋺 hundreds of giga bytes - a few tera bytes ᵦᵢᵍᵱᵦᵢᴾପဒ ἙὊἑἒỸὅἿὊἛ 13 䂓 Typical data䋺 2hour SD movie, or 1-hour HD movie 䂓Data volume䋺tens of giga bytes ᵱᵢᵍᵦᵢପဒ ἙὊἑσஊ ݩ ஹỉ ٻ ἙὊἑ ᡛἝὊἌ ᵆᵏᵇ ㅍ 䈎䉌䋨NHK䋩 ᵲᵦΈᡫ ἴἂἷὂἵầ ẺẴỔẨவˑ Contactless IC card e-money, prepaid card 72 ォㅍน 䈭䊂䊷䉺ኈ㊂ [ byte ] 10k 1K 1M 1G 1T ᵑᵢἙỵἋἩἾỶ ίἳỿ ὸ ᘙᅆ ᵱᵱᵢἳἴἼ NVIDIA 3D Vision ៤Ꮺ ᧃ䈮ታⵝ䈪䈐䉎 ឬɳЗῼ ῧ ᵥᵮᵳ ίᵡᵣᵪᵪẇᵬᵴᵧᵢᵧᵟὁὁὁὸ ϼ ᡛ 100k 1M Shortwaves ᛢ Ὁൿฎϼ 䂓 Near-body electric field communications 䂓 Contactless IC card NFC (Passive) 100M 1G 䂓 4.48 GHz Transfer Jet Microwaves ᵱᵢᵍᵦᵢପဒ ἙὊἑσஊ ォㅍ䊧䊷䊃 [bit/s] 10M ഥဒ ἙὊἑσஊ 10G 100G Ṳ ᵏᵐᵎᵥᵦᶘᴾ ዴ ᶊᶇᶌᶉ Transfer time 1 [sec] Ṳ ᵲᵦᶘ ዴ ỉἑὂἄἕἒ Sub-THz-waves ᵦᵢᵍᵱᵦᵢᴾପဒ ἒỹὅἷὂἓ ݩ ஹỉ ٻ ἙὊἑ ᡛἝὊἌ ᵆᵐᵇ 䉭䊷䊛䇮䉝䊆䊜䋫SFᤋ 䇮䊒䊨䊝䊷䉲䊢䊮䊎䊂䉥䈱䋳Dൻ䈏 ᒁ䈎䋿 14 ᵱᵱᵢῑᵑᵢᆢ ޖ ỉᡶ ᾉᵏᵲᵠ ᛠỚЈẲὉ ẨᡂỚᡮࡇ ᾉૠᵏᵎᵥᶀᶇᶒᵍᶑᶃᶁ ᔛᆢ ᵑᵢᴾᵴᶇᶑᶇᶍᶌἉἋἘἲỊ ᇢ ỆλỦ

LD1 LD2 DATA 18 1 0 1 1 0 0 1 f = 0.3-1.

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