日本京都大學等開發出了將可用於自動駕駛汽車的高性能感測器縮小到三分之一併降低製造費用的技術。該技術使用了可對光進行精密控制的「光子晶體雷射器」。目標是在2020年代後半期實現實用化。該雷射器是日本開發的技術，有望對高速資訊通信等新一代産業發揮重要作用。

   

   

      成功實現小型化的「LiDAR（雷射雷達）」是通過照射雷射並捕捉反射過來的光來掌握人和物體位置的感測器，作為自動駕駛車的「眼睛」，發揮著重要作用。

  

      自動駕駛汽車與傳統汽車相比，需要安裝很多感測器和運算性能高的電腦，因此製造成本往往較高。

  

      LiDAR的單價為幾萬日元（1萬日元約合人民幣490元），1輛車上需要設置多個，因此必須降低製造成本。京都大學教授野田進與大阪市的一家光感測器生産企業「北陽電機」合作，共同將LiDAR的尺寸縮小到了名片大小，只有原來的三分之一。據稱，製造成本也會大幅降低。

     

   

      開發方已將其安裝在倉庫用來搬運貨物的無人搬運車上確認了性能。使LiDAR實現小型化的是野田教授開發的光子晶體雷射器。它被用作LiDAR的構成零部件中最為重要的雷射發生器。

  

      傳統半導體雷射器如果提高輸出功率的話，光線就會擴散，無法向目標對象發出足夠的光，存在感測器精度下降的問題。雖然也可以把多個透鏡巧妙地組合在一起，這樣就能避免光的擴散，但設備尺寸會增大，價格也會更高。

  

      野田教授等人在半導體雷射器中嵌入了光子晶體層，使其只發出特定波長的光。可以在垂直方向發出高功率的光。因為光的波長範圍小，光線不會擴散，所以感測器的精度高。由於還省去了用來調整光線的透鏡，所以可以縮小尺寸。

  

      光子晶體可通過在晶體內有規律地形成幾百奈米（1奈米是十億分之一米）大小的孔洞，對光進行控制。通過根據特定的光波長製作孔洞，可以實現完全不透光的「光子絕緣體」，或者改變特定波長下的折射率。這一技術可以通過孔洞的大小、形狀、間隔長度等實現多種控制，還能廣泛應用於LiDAR以外的其他領域。

  

      野田教授等人利用光子晶體雷射器，成功使進行金屬等精密加工的裝置大大縮小了尺寸。通過調整微小孔洞的穿孔方法，減少了分散的光，提高了雷射輸出，並將其應用於加工機。

    

    

     以前，必須使用幾十釐米以上的大尺寸設備，才能發出可用於加工機的足夠亮度的雷射，但2023年使用直徑為3毫米的雷射發生器，實現了與大尺寸設備同等的亮度。據稱，今後的目標是實現10倍的雷射輸出。

  

     光子晶體還有望對作為新一代資訊技術而備受期待的使用光的資訊處理和通信發揮重要作用。NTT正在開發使用光子晶體的積體電路。

  

      傳統積體電路利用電進行運算和資訊傳輸。通過電方面的On和Off轉換（Switching）來表達資訊，但電在通過線路時會産生熱量，傳輸資訊的速度也會變慢，因此在小型化和高速化方面存在局限性。

  

     NTT利用光子晶體密閉光的性質，實現了可用於資訊處理的轉換。當有特定信號進入時，能通過的光的頻率改變，從而切換開關。光子晶體會密閉光，因此即使微弱的光也可以切換，可以低耗電量進行高速處理。NTT還成功開發出了使用光的運算元件。

   

     NTT物性科學基礎研究所的研究員納富雅也表示「如果能將晶片內的活動全部轉化成光，則可以做得尺寸很小且大幅降低能耗。這利用以往的光技術存在難度，但採用光子晶體就能夠實現」。目標是2030年代實現實用化。NTT提出了利用光技術實現新一代通信基礎「IOWN」的目標，光子晶體有可能成為核心技術。

   

      京都大學的野田教授表示：「雷射源有多種用途，使用將進一步擴大」。今後應用於宇宙空間的衛星間通信備受期待。

  

      由於可以長距離、高效地傳輸光，有可能可以用於衛星間的高速通信，因此日本KDDI綜合研究所（埼玉縣富士見野市）等也正開展研究。

   

      京都大學2020年設立了基於光子晶體雷射器的産學合作組織「PCSEL-COE」。三菱電機及羅姆等100多家日本國內外企業和研究機構參與其中，目標是推進技術轉移，將光子晶體培育成新的産業基礎。

  

      研究人員的探究心帶來創新

  

      給産業帶來創新的多種技術源於希望理解自然造福社會的研究人員的探究心。

  

      光子晶體本來也是參考自然産物。其中之一是被譽為「活化石」的閃蝶。它羽毛髮藍光，但本身沒有顏色。在照射到表面的微細凹凸的光中，只強烈反射特定波長，因此會看到發藍光。另一種稱為蛋白石的寶石是規則排列的晶體，折射光，可以發出獨特的顏色。

   

     如果人工製造微細結構，或許也可以操控光——源於這種想法的嘗試之一就是光子晶體。

   

      隨著1990年代以後加工技術的提高，研究人員探討出了多種用途。京都大學的野田進教授等1999年在全球首次實現了利用立體微細結構的光子晶體雷射器。之後，英國《自然》及美國《科學》等著名學術雜誌也持續發表新成果。

  

      野田教授説：「我們一直在開展力爭幾十年後實現實用化的基礎研究和有利於産業的研究」。光子晶體現在也發現了新現象，研究範圍越來越廣，還在接近産業應用。

    

      日本經濟新聞（中文版：日經中文網）福井健人

   

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