発表のポイント：

• 将来の無線通信への応用が期待される300GHz帯において、高速トランジスタであるInP-HEMT※1と独自の高周波アナログ回路設計技術を用いた小型無線フロントエンド※2（FE）を実現
• 300GHz帯の半導体電子回路を用いたFEにおいて世界最高となる160Gbpsのデータ伝送に成功
• 第6世代移動通信システム（6G）で提唱されているさまざまなユースケースを支える超高速無線通信への応用に期待

　日本電信電話株式会社（本社：東京都千代田区、代表取締役社長：島田 明、以下「NTT」）は、将来の超高速無線通信への応用が期待される300GHz帯において、無線通信を行うためのハードウェアである小型無線フロントエンドを実現しました。フロントエンド（FE）の小型化と広帯域化（データレート向上）のために、FEを構成する要素回路のワンチップ集積化に挑戦し、課題となる局部発振（LO）信号漏洩（LOリーク※3）を除去するためのFE回路構成を提案しました。本FE回路を、NTT内製の半導体技術であるInP-HEMT※1高速トランジスタ技術を用いて製作し、従来のFE（参考文献1）と比較して動作帯域が大幅に広い小型無線FEを実現しました。小型無線FEを用いてデータ伝送実験を行い、300GHz帯において世界最高となる160Gbpsのデータレートを達成しました。
　本研究成果は、2024年10月28日（米国東部夏時間）に国際会議「IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium 2024」にて発表されます。
　また、本研究成果の一部は、2024年11月25日～29日に開催されるNTT R&D FORUM 2024 ―IOWN INTEGRAL(※)に展示予定です。

1．研究背景
　6G（参考文献2）においては、没入型通信（Immersive Communication）や遠隔医療、自動運転など、様々なユースケースが提唱されています。このようなユースケースを支えるために必要となる100Gbpsを超えるような超高速無線通信の実現に向けて、広い帯域が利用可能なサブテラヘルツ帯（100GHz～300GHzの周波数帯）の通信応用が期待されています。通信応用のためには、サブテラヘルツ帯において、電波の送受信に必要な機能（増幅や周波数変換など）を備えたハードウェアである無線FEを実現する必要があります。NTTは、300GHz帯において、超高速無線通信が可能なFEの研究開発に取り組み、FE要素部品の集積化により小型で超高速通信が可能なFEを実現し、300GHz帯にて世界最高のデータレート160 Gbpsを達成しました(図1)。
  RF（Radio Frequency）周波数は、無線通信で使用する帯域の中心周波数を指します。また、凡例のCMOS, SiGe, InP は、それぞれ、FEに用いているテクノロジを指します。CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）は半導体シリコン（Si）を用いた電界効果トランジスタ技術、SiGe は、半導体シリコンゲルマニウムを用いたバイポーラトランジスタ技術となります。

2．研究内容
　FE には、無線信号の送信を行うTransmitter (TX)と、受信を行うReceiver（RX）があります(図2)。
FE は、ベースバンド/IF 部で生成したデータ信号を300GHz 帯のRF 信号に周波数変換する機能を
持つアナログ回路で構成されます。TX は、周波数変換を行うミキサ、ミキサで発生したRF 信号を
増幅するためのRF 用電力増幅器（RF PA）、ミキサ駆動に必要なLO 信号電力を確保するための
LO 用電力増幅器（LO PA）で構成されます。RX は、ミキサ、受信RF 信号を低雑音に増幅するため
の低雑音増幅器（LNA）、LO PA で構成されます。300GHz 帯のFE を実現するためには、これら構
成要素部品を300GHz 帯で動作させる必要があります。
  IF（Intermediate Frequency, 中間周波数）信号は、FE で用いられるRF 信号よりも低周波の信号です。また、LO（Local Oscillator, 局部発振）信号は、IF 信号とRF 信号との間の周波数変換を行うミキサを駆動するための信号です。

　NTTは長年培ってきた高速トランジスタであるInP-HEMT技術、および、高周波アナログ回路設計技術を用いて、300GHz帯FEの研究開発に取り組んできました。2020年には、製作したFEを用い、当時としては世界最高の120Gbpsのデータレートを実現しています（参考文献1）。
　これまでのFEは、その要素部品である増幅器や周波数変換を担うミキサなどを個別のモジュールとして設計・製作し、それらを組み合わせた形態（バラック形態）で実現してきましたが、要素部品を自由に組み合わせた柔軟なFE構成が可能である一方、次の2つの課題がありました。
①複数モジュールを組み合わせてFEを構築するため、FEのサイズが大きくなる
②モジュール間の接続部（損失や帯域減少の要因となる）が複数存在することでFEの動作帯域が制限され、データレートの向上が困難

　これらの課題解決のため、今回FE構成要素の1つの集積回路（IC）への集積（集積化）に取り組みました。集積化により1モジュールでFEが実現できると①が解消され、モジュール間の接続部がなくなることで、②の解決にも繋がります。
　FEの集積化を行うには、ミキサで生じる不要波であるLOリーク※3が大きな課題となります。LOリークは、ミキサと一緒に集積される他の回路動作に悪影響を及ぼし、FEが伝送する信号の品質を劣化させるため、除去する必要があります。バラック形態では、LOリークを除去可能なフィルタを準備することによりこの問題を解決できますが、1つの集積回路内部でLOリークを除去することがサブテラヘルツ帯では困難でした。そこで、今回、サブテラヘルツ帯においても、集積回路内部でLOリークを除去可能な差動構成※4のFEを検討しました(図3)。
　TXには、ミキサ、ミキサ駆動のためのLO用電力増幅器（LO PA）、ミキサで発生させた300GHz帯信号（RF信号）を増幅するためのRF用電力増幅器（RF PA）が要素回路として集積されています。これらの要素回路はすべて差動構成となっています。
 
　差動構成のFEにおいては、ミキサ後段でLOリークを逆位相で干渉させることでLOリークを除去します。そのためには、ミキサを完全差動LO 信号（振幅が等しく、位相が180°異なる2 つのLO信号）で駆動することが必要になります。完全差動LO 信号を生成するためには、差動信号発生回路であるバラン※5 に加え、差動増幅器が必要となります。差動増幅器には、バランから出力される差動信号に含まれる振幅の誤差、位相の180°からのずれを補正する機能（同相除去機能※6）が要求されます。NTT 独自の同相除去回路（参考文献3）を、LO PA の各増幅段に適用することで、LO PAによる完全差動LO 信号生成に成功しました。さらに、LO 位相反転回路（LOPI）を組み合わせることで、ミキサ後段でLO リークが除去される構成をとっています。これらの工夫により、従来構成（シングルエンド構成）に比べ、LO リークを1/250 以下と大幅に抑えることができ、FE のワンチップ集積化に成功しました(図4)。FE を、300GHz 帯の導波管結合器（リッジカプラ）を用いた独自の実装技術により金属パッケージに実装し、モジュール化を行いました。ワンチップ集積化の結果、15cm から2.8cm への大幅なFE の小型化も実現されました(図5)。
 
　また、FE の変換利得※7 の周波数特性から、集積化によるモジュール接続部の排除により、従来の
FE（参考文献1）と比較して、大幅に動作帯域が改善されていることもわかります(図6)。今回製作し
たFE の性能評価のために、図7 に示す測定系を用いてデータ伝送実験を行いました。LO 信号の生成には市販の逓倍器とシンセサイザを用いました。FE 動作帯域の拡大により、シンボルレート40Gbaud の広い帯域を用いて16QAM 変調信号（変調多値度（一度に送信できるビットの数）：4）を高い信号品質（信号対雑音比※8：16.5dB 以上）で伝送できました。これは、300GHz 帯において160Gbpsの伝送に成功したことを意味します。このデータレートは、図1に示す通り、300GHz 帯のFE では世界最高となります。