ナノテク情報

デバイス・応用

フォトニック結晶レーザーを搭載したLiDARの開発に成功 ~来たるべき超スマート社会におけるスマートモビリティの発展に貢献~

 京都大学,国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構(QST)と同 科学技術振興機構(JST)は2020年6月30日,同大学工学研究科の野田 進教授等のグループが,北陽電機株式会社と共同で,フォトニック結晶レーザーを搭載した光測距システム(LiDAR, Light Detection and Ranging)の開発に成功したと発表した.本研究は内閣府戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)および,JST戦略的創造研究推進事業(CREST)のもとに実施され,成果は米国光学会(Optical Society of America)がオンラインで開催したAdvanced Photonics Congressにおいて発表された(注).

 フォトニック結晶とは,光の波長程度の周期的な屈折率分布をもつ光ナノ構造であり,光バンドギャップのためにある特定波長域では光が存在できない.この特性を利用して,光を微小域で直角に曲げたり,微小点に捕獲したり,自在な光制御が可能となる.フォトニック結晶レーザーは,面発光半導体レーザーのクラッド層にフォトニック結晶構造を導入したもので,発振波長幅が狭く,温度変化が小さい,さらには発振面積を広くして光出力を増大させても安定した単一モード発振をする,出射ビームの拡がり角度は狭いという特徴をもつ.こうした特徴は,自動運転車でのLiDARに用いる光源として極めて有望である.現在市販されているLiDARでは,端面出射ブロードエリア型の半導体レーザーが用いられており,出射ビームの広がり角度が大きく,かつ縦横比も違うのでビーム整形のためのレンズ系が必要で,小型化・低コスト化に課題を有している.

 本研究チームは,フォトニック結晶レーザーのLiDARへの搭載を可能とすべく,まず,その性能のブラッシュアップを行った.フォトニック結晶レーザーは,InP基板上にn-InPクラッド層,InGaAsPの多重量子井戸活性層,p-InPクラッド層を積層し,n-InPクラッド層の中に新規考案の「2重格子フォトニック結晶」を作製した.先に,本研究チームは2つのフォトニック結晶を縦横に4分の1波長だけずらして重ねた共振器構造を提案し,フォトニック結晶レーザーの大面積単一モード発振を可能にしていた.今回は,2つの結晶の格子構造を精密に制御し,発光面積倍増を可能にした.また,フォトニック結晶の上下に出射した光のうち,下方向へ出射された光を上方向へ反射させ,一層の高効率化と安定性が得られるように下部反射構造を導入した.試作したフォトニック結晶レーザーの性能は,出射面でのビーム直径~1mm,パルス発振でのピーク出力~70W(従来は10W),ビーム拡がり角~0.1°,レーザー波長~1.3μmを得た.

 さらに,試作したフォトニック結晶レーザーを搭載したLiDARシステムを開発した.フォトニック結晶レーザーからの出射ビームは,レンズ系無しで30m先でも円形かつ直径~5cmという狭いビームスポットであり(レンズ無しの端面出射半導体レーザーでは1m先まで),高い空間分解能が得られた.また,2人の人物に対する測距を行い,人が移動する様子や手を動かす様子を細かくとらえることができた.

 今後は,電気的に2次元ビーム走査可能なフォトニック結晶レーザーも開発する,としている.

(注)Susumu Noda, "Tailored Photonic Crystals for Advanced Semiconductor Lasers", OSA Advanced Photonics Congress, Novel Optical Materials and Applications (NOMA) (On-line), Session/Room:Lasers and Laser Materials, Virtual Room-E, July 16, 2020