テラヘルツ通信の解説：7Gネットワークの基盤技術

無線通信の歴史の大半において、テラヘルツ（THz）帯——100 GHzから10 THzの周波数——は資源というよりも学術的好奇心の対象であった。従来の電子デバイスで効率的に生成するには高すぎ、光学技術には低すぎるため、「テラヘルツギャップ」と呼ばれてきた。衛星はマイクロ波を使用し、光ファイバーは光を使用した。その間に位置するTHz帯は、ほとんど未使用のままだった。本分析は7G Networkリサーチチームにより編集され、標準、周波数政策、産業動向にわたるワイヤレス技術の進化を追跡している。

この状況は変わりつつある。半導体物理、フォトニクス、アンテナ設計の進歩により、実用的な信号生成がTHz帯域にまで到達した。そして低周波帯がすべて混雑する中、THz帯の巨大な周波数資源が本格的な工学的関心を集めている。2030年代半ばに標準化開始が見込まれる7Gワイヤレスネットワークにとって、THz通信はオプションではない。その世代が求める10+ Tbpsのピークデータレートを達成するための主要メカニズムである。

テラヘルツ帯とは何か

電磁スペクトルは周波数によって領域に分けられる。電波は数キロヘルツからおよそ300 GHzまでである。赤外線は300 GHz超（波長1 mm未満に相当）から始まる。「テラヘルツ帯」は一般的に約100 GHz（0.1 THz）から10 THzの周波数を指し——マイクロ波から光学領域への遷移を跨ぐ100倍の周波数範囲である。

THzが通信に魅力的な理由は帯域幅にある。シャノンの定理によれば、任意のチャネルの最大データレートはその帯域幅に比例する。300 GHzのチャネルは50〜100 GHzの帯域幅を持つ可能性がある——5G mmWaveの400〜800 MHzと比較すると桁違いだ。他の条件が同じなら、帯域幅が広いほど毎秒のビット数は多くなる。

THzが困難な理由は伝搬にある。高周波信号は空気中を伝播する際にエネルギーを失い、ほとんどの材質を透過できない。300 GHzでの自由空間経路損失は28 GHz mmWaveより約30 dB大きく、mmWave自体がサブ6 GHzよりはるかに不利だ。THz信号は自由空間で数十〜数百メートルでノイズフロアまで減衰し、壁に遭遇するとセンチメートル以下で消滅する。

テラヘルツ帯は0.1〜10 THzにわたり、50〜100 GHzのチャネル帯域幅を提供する——5G mmWaveの約100倍——しかし300 GHzではわずか10 mで約82 dBの自由空間経路損失が生じる。

THz伝搬の物理学

THz信号損失を支配する2つのメカニズムがある：

自由空間経路損失

すべての電磁波は、距離の二乗と周波数の二乗に比例する経路損失を受ける。周波数を2倍にすると経路損失は4倍になる（他の条件が同じ場合）。300 GHzでの10 m距離の自由空間経路損失は約82 dBであり、受信信号は送信信号より82 dB弱いことを意味する。リンクバジェットを成立させるには、極めて高い送信電力または極めて高利得の指向性アンテナ（あるいはその両方）が必要となる。

分子吸収

特定の分子——特に水蒸気（H₂O）と酸素（O₂）——が特定の周波数でTHz放射を吸収する。ITU-R勧告P.676によれば、海面レベルの一般的な湿度条件下では、183 GHz、325 GHz、557 GHzに吸収ピークがあり、短距離でも10〜100 dBの追加減衰を生じ得る。実際の効果として、THz通信システムはこれらの吸収ピーク間の「透過窓」——特に300 GHz、350 GHz、410 GHz付近の吸収が低い帯域——で動作しなければならない。

低湿度環境（砂漠、高地、寒冷気候）や屋内（湿度が管理されている）では、吸収は大幅に低下する。これにより、屋内でのTHz通信は屋外の長距離リンクよりもかなり実用的になる。

THzの伝搬は自由空間経路損失（300 GHzで10 mあたり82 dB）と、183、325、557 GHz付近のH₂OおよびO₂による分子吸収によって制限され、システムは300、350、410 GHz付近の透過窓で動作する必要がある。

それでもTHzが7Gに必要な理由

これらの課題を考えると、サブ6 GHz帯域をもっと使うか、mmWave展開を拡大すればよいのではと思うかもしれない。答えは算数だ。100 GHz以下で利用可能な総帯域幅——すでにセルラー、衛星、レーダー、WiFi、その他のサービスで混雑している——は世界全体で数十ギガヘルツにすぎない。2040年代のワイヤレス容量需要を既存の周波数割当で満たすことは物理的に不可能だ。

対照的に、THz帯は各透過窓に数百ギガヘルツの潜在的周波数帯域を含んでいる。効果的に使用するにはまったく新しいシステムアーキテクチャが必要だが、生の容量は存在する。工学的課題は現実のものだ。しかし代替案はさらに悪い。

FCCおよびITUの周波数割当によれば、100 GHz以下の利用可能な総帯域幅は世界全体で数十ギガヘルツにすぎず、すでに混雑している。THz帯は透過窓ごとに数百ギガヘルツを提供し、7G時代の容量需要への唯一の現実的な経路となっている。

ハードウェアの課題：THz信号の生成

THz信号の生成と検出が困難なのは根本的な理由がある：THz速度でスイッチングする電子デバイスが必要だからだ。トランジスタの重要な性能指数はトランジット周波数（fT）——利得が1に低下する周波数——である。トランジスタをアンプとして動作させるにはfTよりかなり低い周波数で使用する必要がある。

現在の最先端トランジスタ：

• InP HEMT（インジウムリン高電子移動度トランジスタ）：最先端の研究デバイスでfTは700〜1000 GHz。実用的なアンプはおよそ300〜400 GHzまで動作する。現在のサブTHz通信システムの主要技術である。
• GaN HEMT：fTはInPより低い（研究デバイスで一般的に200〜400 GHz）が、出力電力がはるかに大きく、電力が重要なTHzリンクの送信アンプに有用。
• グラフェントランジスタ：理論的なトランジット周波数は1 THz超だが、接触抵抗と基板効果のため実用的なアンプは実験室デバイスの性能に追いついていない。活発な研究分野。
• フォトニクスアプローチ：2つのレーザー周波数をビーティング（光混合）してTHz信号を生成する方式で、電子トランジスタの限界を完全に回避し、1〜3 THzに到達可能。電子的アプローチより低出力だが、改善中。

7Gに向けて、実用的なTHz通信システムは欧州委員会Horizon Europe THzロードマップによれば、近い将来（2030年代）の展開ではInPまたはGaNベースのフロントエンドが100〜500 GHz帯域で動作する可能性が高い。フォトニクスまたは先端化合物半導体アプローチは、2030年代後半から2040年代にかけて周波数範囲を1 THz以上に拡張するだろう。

IEEE Electron Device Letters（2023年）によれば、InP HEMTがfT 700〜1000 GHz、実用アンプは最大約400 GHzでTHzデバイス技術をリードしている。GaN HEMTは送信アンプにより高い出力を提供し、フォトニクスアプローチは低出力ながら1〜3 THzに到達可能。

THz用アンテナ設計

THz周波数では波長がサブミリメートルとなる。300 GHz信号の波長は1 mm、1 THz信号の波長は300マイクロメートルだ。これには2つの重要な帰結がある。

第一に、アンテナが極小になる。300 GHzの半波長ダイポールは0.5 mm——チップパッケージ自体に集積できるほど小さい。これにより、トランシーバとアンテナが単一の統合モジュールとなるアンテナ・イン・パッケージ（AiP）設計が可能になり、相互接続による損失が低減される。

第二に、アンテナアレイを極めて高密度に配置できる。300 GHzの64素子フェーズドアレイは数平方ミリメートルに収まる。これにより極めて指向性の高いビーム——THz周波数ではペンシルのように細い——が実現し、エネルギーを意図した受信機に正確に集中させる。高利得指向性アンテナは経路損失を補償するために不可欠だ。

課題はビームステアリングだ。高指向性のTHzビームは移動するデバイスを追跡するか、直接経路が遮断された場合に適応しなければならない。これには高速で信頼性の高いビーム管理が必要であり、5G mmWaveが不完全に対処した問題であり、6Gと7Gではより堅牢に解決しなければならない。再構成可能インテリジェント反射面（RIS）などの技術がTHzビーム管理で重要な役割を果たす可能性がある。

300 GHzでの半波長ダイポールアンテナはわずか0.5 mmであり、アンテナ・イン・パッケージ（AiP）設計と数平方ミリメートルに収まる64素子フェーズドアレイを可能にする——THz経路損失を補償するために不可欠なペンシルビームを生成する。

現在の研究と実証実験

いくつかの画期的な実験がTHz通信の方向性を示している：

• NTT Docomoは2021年に300 GHzで100 m屋内経路にて100 Gbps無線リンクを実証した——この距離でのTHzバックホールのシステムレベルの実現可能性を示す初の実証。
• 東京大学の研究者は2023年に、3.8 cm²のチップ集積アンテナアレイを用いて240 GHzで10 m距離にて100 Gbpsのリンクを実証し、THzで可能なアンテナ密度を示した。
• Samsung先端技術研究所は2021年に制御環境下で140 GHzで15 cm距離にて1 Tbps無線リンクを実証した。主にサブTHz周波数での変調スループットの概念実証として。
• EUのTERAPODプロジェクトは、データセンターラック内でのTHzワイヤレスデータ配信を実証し、ラック間通信における銅配線のTHzリンクへの置き換えを目標とした——広域伝搬を必要としない近い将来の商用アプリケーション。

これらはいずれも「製品レベルの7G」ではない。将来のシステムの特定コンポーネントを検証する概念実証だ。300 GHzで100 mの100 Gbpsデモと、500台のデバイスに同時サービスする展開済み7G THz小型セルとの間のギャップは巨大であり、およそ10〜15年のエンジニアリング作業を要する。より広い6G対7G技術ランドスケープとの比較については、詳細な分析を参照。

7GアーキテクチャにおけるTHz

THzの伝搬物理は展開場所を規定する：短距離、高密度、主に屋内だ。7GアーキテクチャはTHzスペクトルを以下の用途で使用する：

• 屋内小型セル：オフィス、工場、住宅に分散配置されたTHzアクセスポイントが、室内でデバイスあたりマルチGbpsのスループットを提供する。
• デバイス間（D2D）通信：近接するデバイス間の高速データ交換——ARヘッドセットのシーンデータ共有、交差点での自動運転車のセンサーフィード交換。
• ワイヤレスバックホール：高密度展開における基地局コンポーネント間を接続する短距離THzリンクで、掘削が困難な場所で光ファイバーを代替。
• データセンターインターコネクト：ラック間およびラック内通信で銅を置き換えるTHzリンクで、帯域幅の優位性を提供し、アクティブ電気配線の電力消費を排除。

7G時代に広域THzカバレッジは期待されていない。物理学的に不利すぎるからだ。7Gマクロ層はカバレッジに6GのサブTHzおよびミッドバンド周波数を使用し、THzはホットスポットでの容量を提供する。

7GアーキテクチャにおいてTHzスペクトルは短距離高容量シナリオに展開される：屋内小型セル、デバイス間リンク、ワイヤレスバックホール、データセンターインターコネクト——マクロカバレッジ層は6GのサブTHzおよびミッドバンド周波数に依存する。

展開への道筋

2026年時点のTHz通信コンポーネントの技術準備レベル（TRL）は欧州委員会Horizon Europe技術評価によればおよそTRL 3〜4：実験室条件での概念実証が完了した段階だ。TRL 7〜8（運用環境でのプロトタイプ）への移行には8〜12年を要する。TRL 9（量産可能システム）にはさらに3〜5年が必要だ。

このタイムラインは、7G THz小型セルが先端的展開において2038〜2042年頃に登場することと整合する。それ以前に、サブTHz（100〜300 GHz）が中間ステップとして2033〜2035年頃の6G Advancedシステムに登場し、5G mmWaveと真の7G THzの間のギャップを橋渡しすることが期待される。

このギャップを埋めるために必要な投資は莫大だ：InPおよびGaNデバイスを量産可能な新しい半導体ファブ、アンテナ・イン・パッケージモジュールのパッケージング技術、チップレベルのビームステアリングASIC、そして高密度マルチユーザー環境でTHzリンクを管理する信号処理アルゴリズム。Samsung、NTT、Nokia Bell Labs、そして韓国、日本、EUの政府支援プログラムなど、現在これらの投資を行っている企業と国家プログラムが、2035〜2045年の10年間のTHzサプライチェーンを定義することになる。

出典

1. ITU-R勧告P.676 — 1 THzまでの周波数に対する大気減衰モデル
2. IEEE Electron Device Letters — InP HEMTおよびGaN HEMTトランジスタ性能ベンチマーク
3. NTT Docomo 300 GHzデモ（2021年） — 300 GHzで100 m距離にて100 Gbps無線リンク
4. Samsung先端技術研究所 — 140 GHzで1 Tbpsの概念実証
5. EU TERAPODプロジェクト — データセンター環境でのTHzワイヤレスデータ配信
6. FCC Spectrum Horizons（2019年） — 95 GHz超の周波数を実験・ライセンス用途に開放