フォノニクスに関する新たな洞察が次世代通信デバイスを再定義する可能性

インターネットが世界中にその翼を広げた今、 通信ブームの時代は 終わったと感じる人もいる。 業界の通信デバイス、ソリューション、サービスの分野でこれ以上達成できることはないと考える人もいるかもしれない。 

業界を推定成長率だけで評価すると、成長はわずかに見えるのは事実です。しかし、それは成長を計算する基礎となる市場規模が非常に大きいためです。予測によると、世界の通信サービス市場は2024年から2028年の間にUS$1.5兆からUS$1.6兆へ成長するとされています。 

数兆ドル規模の市場での成長は、この分野で継続的に起こる画期的なイノベーションによってのみ実現できます。そのようなソリューションの一つがフォノニクスを活用し、より小型で強力な通信デバイスを作り出すことです。以下では、アリゾナ大学ウィアント光科学大学院とサンディア国立研究所の研究者が行ったこのイノベーションについて議論します。 

フォノニクスを活用したワイヤレス通信の次なる革命

イノベーションとその詳細を議論する前に、まずフォノニクスを理解してみましょう。科学界はフォノニクスを次のように定義しています 「従来の材料と人工的に構造化された材料の両方における固有の機械的運動の本質を解明し、この知識を用いて材料レベルまたは構造/デバイスレベル、あるいはその両方で物理的応答の境界を拡張しようとする新興分野」です。 

核心的な科学的定義は理解しにくいかもしれませんが、フォトニクスとの類推でより分かりやすくなります。フォトニクスは光子を利用して光学技術を進化させます。同様に、フォノニクスはフォノンという、材料を通じてほぼ聞こえない高周波で機械的振動を伝える物理粒子を利用します。 

本研究では、科学者は高度に特化した半導体と圧電材料を組み合わせ、フォノン間の巨大な非線形相互作用を生み出すことに成功しました。その後、同じ材料で作られたフォノン増幅器を導入し、スマートフォンやデータ送信機を含む、より効率的で強力かつ小型のワイヤレスデバイスを実現しました。 

本研究の主任著者であり、ニューメキシコ州アルバカーキのアリゾナ大学光科学大学院とサンディア国立研究所に共同所属するマット・アイチェンフィールドによれば：

「ほとんどの人は、携帯電話の内部に約30個ものフィルタがあり、その唯一の役割が電波を音波に変換し、再び戻すことだと聞いて驚くでしょう。」

現在、はるかに小型のフォノニクス材料を使用すれば、1本のフォノンビームが別のビームの周波数を変えることができるため、これら多数のフィルタの必要性を減らすことが可能です。 

この成果は、研究者がトランジスタベースの電子回路ではなく、音波技術から無線周波数信号処理に必要なすべての部品を製造するというビジョンと一致しています。その結果、すべてが単一チップに収まり、標準的なマイクロプロセッサの製造方法と互換性を持つことになります。 

彼らのイノベーションがもたらす影響についてさらに詳しく述べると、アイチェンフィールドは次のように語っています：

「今や、無線周波数フロントエンドプロセッサの図のすべての部品を指し示し、‘はい、これらすべてを音波で単一チップに作ることができます。音波領域で全体を作り上げる次のステップへ進む準備ができました’と言えるようになりました。」

単一チップにすべてを収めることで、通信デバイスやガジェットを100倍に縮小できると、アイチェンフィールドは見積もっています。 

同様の研究が昨年、ミシガン大学の研究チームによって行われ、ナノスケールの厚さの強誘電体半導体を用いた新しいタイプの再構成可能トランジスタが考案されました。 

フェロエレクトリック高電子移動度トランジスタ（FeHEMT）でスマートフォン上の通信デバイスを縮小

FeHEMTがHEMTより優れている主な特徴は、磁気の電気版に相当する電気分極を維持できることです。この特性により、トランジスタに動作の柔軟性が加わり、正負の端子間で切り替えることが可能になります。 

FeHEMTは再構成可能であるため、複数のデバイスとして機能できます。1つの増幅器が複数の増幅器の役割を果たし、動的制御が可能です。この特性により、研究者はデバイスの回路面積を削減し、コストとエネルギー消費を低減できます。 

このFeHEMTからHEMTへの移行は、深い科学的探求と多数の試験・実験を伴いました。半導体はスカンジウムを添加した窒化アルミニウムで作られました。窒化物系初の強誘電体半導体となり、次世代半導体である窒化ガリウムとシームレスに統合できました。出力はシリコンの100倍の速度を達成できました。高速であるだけでなく、非常に効率的で低コストでもありました。 

電気・コンピュータ工学の研究科学者であり、共同責任著者でもあるPing Wangは次のように述べました：

「HEMTに強誘電性を加えることで、スイッチングをより鋭くできます。 これにより、大幅な 低消費電力が可能となり、高ゲインに加えて、はるかに効率的なデバイスが実現します。」

変革的な可能性を持つ精密通信ハードウェアの構築の別例として、ミシガン大学の電気・コンピュータ工学研究者チームは、最初のミリメートルスケールの送信機とアンテナを構築し、’Bluetooth Low Energyを簡単に通信できる‘
マイクロメートルサイズの太陽電池がデバイスの小型化への道を切り開く方法についてはこちらをご覧ください。

最初のミリメートルスケール送信機とアンテナの構築

デビッド・ウェンツロフ教授がチームと研究を率いて、Bluetooth Low Energyと正確に通信できる最初のミリメートルスケールデバイスを実現しました。送信機とアンテナは送信中に合計わずか606マイクロワット、すなわち0.6ミリワットしか消費しませんでした。この規模は、増幅器を不要または冗長にし、発振器とアンテナの独自の組み合わせを作ることで達成できました。 
発明の可能性を説明しながら、ウェンツロフ教授は次のように述べました： 

「ワイヤレス接続の壁を取り除くことで、開かれる将来の研究方向にワクワクしています！」

この成果はIoT分野に新たな道を切り開き、採用可能性を大幅に高めるでしょう。 

この発明は、ミシガン大学の旗艦イノベーションであるミシガン・マイクロ・モート（M3）、世界初のミリメートルスケールコンピュータにとっても重要でした。この送信機がM3に組み込まれることで、一般的なスマートフォンとの通信がより効率的になります。 

実用性を説明しながら、ウェンツロフは次のように述べました： 

「このラジオはM3スタックに初の標準準拠通信を追加します。 これにより、M3デバイスをより迅速に展開でき、スマートフォンに直接接続することでセンサーデータをクラウドにより簡単に送信できるようになります。」

このような卓越した研究は次世代の通信標準を革命的に変えるでしょう。世界の企業は将来に備えた通信デバイスの開発に研究と資源を投資しています。これらの企業は本研究や実験から大きな利益を得られます。以下のセクションでは、そうした企業のいくつかを取り上げます。 

#1. Nokia

Nokiaは広範な通信デバイスのポートフォリオを提供しています。特に優れたスペース最適化に関しては、際立った製品ラインとしてAirScale Small Cellsがあります。 

Nokiaは業界で最も広範なスモールセルポートフォリオを持ち、すべての導入シナリオでモバイルネットワーク事業者や企業を支援するよう最適化された無線を提供しています。AirScale Shikra Radiosとしても知られ、ミリ波無線と屋内向けピコ無線の形態で提供されています。  

Shikra無線は小型で、単独でも他のシステムと組み合わせても簡単に展開でき、スモールセルに最適化されたベースバンドユニットがネットワーク展開を加速させます。そのコンパクトさにより、mmWave無線は高密度都市部、ショッピングエリア、スポーツアリーナ、その他大規模公共施設など、極めて高い容量が求められるさまざまな場所で即座に導入可能です。 

Pico無線は屋内向けソリューションで、さまざまな企業ユースケースに対応し、複数の無線アクセス技術と柔軟なネットワーク構成をサポートします。また、Nokiaは別個のベースバンドユニットを必要とせず、屋内外でシンプルなプラグアンドプレイ設置と展開の柔軟性を実現するオールインワンのスモールセルソリューションも提供しています。 

2023会計年度に、Nokiaは年間売上高を報告しました EUR 22.258億で、前会計年度の EUR 24.91億から大幅に減少しました。営業利益も FY23 と FY22 の間で EUR 2.375億から EUR 3.109億へ減少しました。 

#2. Motorola Solutions

Motorolaは未来的で洗練された最先端の通信デバイスを世界に導入する先駆的な企業です。この研究から特に恩恵を受け、さらなる可能性を広げるデバイスとして、MotorolaのTLK 25ウェアラブル通信デバイスがあります。重量はわずか73グラムで、サイズは3.2×1.9×0.7です。 

TLK 25の核となるのは、トランシーバーのプッシュ・トゥ・トーク機能を超えるウェアラブルWAVE PTXデバイスです。これらのデバイスはコンパクトで頑丈、直感的な音声アシスタントを搭載しています。Wi‑Fi接続があり、Wi‑Fiが利用できない場合は全国規模のLTEも使用します。直感的な音声アシスタントにより、ハンズフリーで通信、デバイス設定、安全機能、ステータス、通知、アラートにアクセスできます。 

MotorolaのTLK 25製品群は、そのコンパクトさと機能の簡潔さが特徴です。これらのデバイスは、研究や送信ソリューションにより、さらに洗練され効率的になることで大きな恩恵を受けるでしょう。 

現代社会における通信デバイスの役割

人類文明が適切に機能する効率的な通信手段やツールなしに存続することは困難でしょう。次世代の通信デバイスは、将来の採用に備えて多くの特性を備える必要があります。 

例えば、これらのデバイスは最も過酷な環境に耐える準備が必要です。 それらは は これまでにこの分野で達成されたすべてのイノベーション、特に音声、ビデオ、データフィードを同時に処理できるように十分に効率的でなければなりません。

これらすべてのサービスを提供しながら、デバイスの信頼性を損なってはなりません。責任を持って構築されたAI分析を活用した高度なセキュリティシステムにより、これはもはや課題ではありません。 

しかし、これらすべての特性や機能を備えていても、占有スペースが大きくなったり、熱がすぐに上がったり、製造コストが高くなるようではいけません。 

次世代の通信デバイスは、これらの点を考慮しながら進化していきます。すでに、この進化を加速させる新しい技術パラダイムが登場しています。例えば、可視光通信（VLC）/Li‑Fi のように、データ伝送が無線ではなく光を用いて、強度の微調整で高速に行われる技術について多く語られています。 

これらのソリューションは非常に高速で、従来の通信の帯域幅を超えます。従来の方式を超えるため、セキュリティと信頼性の向上した基準が実現できます。研究者はこのようなソリューションが軍事用途に最適であると考えています。

データ伝送ハードウェア以外にも、大きな進歩が センサー技術の分野で達成されました。これらの技術は既存のIoTおよび自動化支援インフラを更新するのに役立ちます。 

によると、ASSIA Inc.が提示したデータ、2024年3月初め以降の米国におけるPC/電話のアップロードトラフィックは80%増加すると予測されています。世界はCOVID-19パンデミック前よりはるかに仮想化が進んでいます。ウェブカメラ、PC、ラップトップは常にビデオストリームを配信しています。医療サービス、教育、その他の緊急サービスの提供もより仮想化されています。これらの状況に対処するには、よりスペース最適化され効率的なデバイスが必要です。また、5G対応である必要があります。 

組織や企業は、次世代通信をより効率的かつコスト効果的にするための資源と研究への投資を継続しなければなりません。

先進的なフォトニクスがより優れたスマートフォンの構築にどのように役立つかについてはこちらをご覧ください。