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激光雷达，尺寸和成本大降

来源：晰数塔互联网快讯时间：2023年10月11日 11:25

日本京都大学等开发出了将可用于自动驾驶汽车的高性能传感器缩小到三分之一并降低制造费用的技术。该技术使用了可对光进行精密控制的“光子晶体激光器”。目标是在2020年代后半期实现实用化。该激光器是日本开发的技术，有望对高速信息通信等新一代产业发挥重要作用。

成功实现小型化的“LiDAR（激光雷达）”是通过照射激光并捕捉反射过来的光来掌握人和物体位置的传感器，作为自动驾驶车的“眼睛”，发挥着重要作用。

自动驾驶汽车与传统汽车相比，需要安装很多传感器和运算性能高的计算机，因此制造成本往往较高。

LiDAR的单价为几万日元（1万日元约合人民币490元），1辆车上需要设置多个，因此必须降低制造成本。京都大学教授野田进与大阪市的一家光传感器生产企业“北阳电机”合作，共同将LiDAR的尺寸缩小到了名片大小，只有原来的三分之一。据称，制造成本也会大幅降低。

开发方已将其安装在仓库用来搬运货物的无人搬运车上确认了性能。使LiDAR实现小型化的是野田教授开发的光子晶体激光器。它被用作LiDAR的构成零部件中最为重要的激光发生器。

传统半导体激光器如果提高输出功率的话，光线就会扩散，无法向目标对象发出足够的光，存在传感器精度下降的问题。虽然也可以把多个透镜巧妙地组合在一起，这样就能避免光的扩散，但设备尺寸会增大，价格也会更高。

野田教授等人在半导体激光器中嵌入了光子晶体层，使其只发出特定波长的光。可以在垂直方向发出高功率的光。因为光的波长范围小，光线不会扩散，所以传感器的精度高。由于还省去了用来调整光线的透镜，所以可以缩小尺寸。

光子晶体可通过在晶体内有规律地形成几百纳米（1纳米是十亿分之一米）大小的孔洞，对光进行控制。通过根据特定的光波长制作孔洞，可以实现完全不透光的“光子绝缘体”，或者改变特定波长下的折射率。这一技术可以通过孔洞的大小、形状、间隔长度等实现多种控制，还能广泛应用于LiDAR以外的其他领域。

野田教授等人利用光子晶体激光器，成功使进行金属等精密加工的装置大大缩小了尺寸。通过调整微小孔洞的穿孔方法，减少了分散的光，提高了激光输出，并将其应用于加工机。

以前，必须使用几十厘米以上的大尺寸设备，才能发出可用于加工机的足够亮度的激光，但2023年使用直径为3毫米的激光发生器，实现了与大尺寸设备同等的亮度。据称，今后的目标是实现10倍的激光输出。

光子晶体还有望对作为新一代信息技术而备受期待的使用光的信息处理和通信发挥重要作用。NTT正在开发使用光子晶体的集成电路。

传统集成电路利用电进行运算和信息传输。通过电方面的On和Off转换（Switching）来表达信息，但电在通过线路时会产生热量，传输信息的速度也会变慢，因此在小型化和高速化方面存在局限性。

NTT利用光子晶体密闭光的性质，实现了可用于信息处理的转换。当有特定信号进入时，能通过的光的频率改变，从而切换开关。光子晶体会密闭光，因此即使微弱的光也可以切换，可以低耗电量进行高速处理。NTT还成功开发出了使用光的运算元件。

NTT物性科学基础研究所的研究员纳富雅也表示“如果能将芯片内的活动全部转化成光，则可以做得尺寸很小且大幅降低能耗。这利用以往的光技术存在难度，但采用光子晶体就能够实现”。目标是2030年代实现实用化。NTT提出了利用光技术实现新一代通信基础“IOWN”的目标，光子晶体有可能成为核心技术。

京都大学的野田教授表示：“激光源有多种用途，使用将进一步扩大”。今后应用于宇宙空间的卫星间通信备受期待。

由于可以长距离、高效地传输光，有可能可以用于卫星间的高速通信，因此日本KDDI综合研究所（埼玉县富士见野市）等也正开展研究。

京都大学2020年设立了基于光子晶体激光器的产学合作组织“PCSEL-COE”。三菱电机及罗姆等100多家日本国内外企业和研究机构参与其中，目标是推进技术转移，将光子晶体培育成新的产业基础。

研究人员的探究心带来创新

给产业带来创新的多种技术源于希望理解自然造福社会的研究人员的探究心。

光子晶体本来也是参考自然产物。其中之一是被誉为“活化石”的闪蝶。它羽毛发蓝光，但本身没有颜色。在照射到表面的微细凹凸的光中，只强烈反射特定波长，因此会看到发蓝光。另一种称为蛋白石的宝石是规则排列的晶体，折射光，可以发出独特的颜色。

如果人工制造微细结构，或许也可以操控光——源于这种想法的尝试之一就是光子晶体。

随着1990年代以后加工技术的提高，研究人员探讨出了多种用途。京都大学的野田进教授等1999年在全球首次实现了利用立体微细结构的光子晶体激光器。之后，英国《自然》及美国《科学》等著名学术杂志也持续发表新成果。

野田教授说：“我们一直在开展力争几十年后实现实用化的基础研究和有利于产业的研究”。光子晶体现在也发现了新现象，研究范围越来越广，还在接近产业应用。

发布于：安徽