中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
日本京都大學(xué)等開(kāi)發(fā)出了將可用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的高性能傳感器縮小到三分之一并降低制造費(fèi)用的技術(shù)。該技術(shù)使用了可對(duì)光進(jìn)行精密控制的“光子晶體激光器”。目標(biāo)是在2020年代后半期實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。該激光器是日本開(kāi)發(fā)的技術(shù)，有望對(duì)高速信息通信等新一代產(chǎn)業(yè)發(fā)揮重要作用。
成功實(shí)現(xiàn)小型化的“LiDAR（激光雷達(dá)）”是通過(guò)照射激光并捕捉反射過(guò)來(lái)的光來(lái)掌握人和物體位置的傳感器，作為自動(dòng)駕駛車(chē)的“眼睛”，發(fā)揮著重要作用。
自動(dòng)駕駛汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，需要安裝很多傳感器和運(yùn)算性能高的計(jì)算機(jī)，因此制造成本往往較高。
LiDAR的單價(jià)為幾萬(wàn)日元（1萬(wàn)日元約合人民幣490元），1輛車(chē)上需要設(shè)置多個(gè)，因此必須降低制造成本。京都大學(xué)教授野田進(jìn)與大阪市的一家光傳感器生產(chǎn)企業(yè)“北陽(yáng)電機(jī)”合作，共同將LiDAR的尺寸縮小到了名片大小，只有原來(lái)的三分之一。據(jù)稱(chēng)，制造成本也會(huì)大幅降低。
開(kāi)發(fā)方已將其安裝在倉(cāng)庫(kù)用來(lái)搬運(yùn)貨物的無(wú)人搬運(yùn)車(chē)上確認(rèn)了性能。使LiDAR實(shí)現(xiàn)小型化的是野田教授開(kāi)發(fā)的光子晶體激光器。它被用作LiDAR的構(gòu)成零部件中最為重要的激光發(fā)生器。
傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器如果提高輸出功率的話，光線就會(huì)擴(kuò)散，無(wú)法向目標(biāo)對(duì)象發(fā)出足夠的光，存在傳感器精度下降的問(wèn)題。雖然也可以把多個(gè)透鏡巧妙地組合在一起，這樣就能避免光的擴(kuò)散，但設(shè)備尺寸會(huì)增大，價(jià)格也會(huì)更高。
野田教授等人在半導(dǎo)體激光器中嵌入了光子晶體層，使其只發(fā)出特定波長(zhǎng)的光。可以在垂直方向發(fā)出高功率的光。因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)范圍小，光線不會(huì)擴(kuò)散，所以傳感器的精度高。由于還省去了用來(lái)調(diào)整光線的透鏡，所以可以縮小尺寸。
光子晶體可通過(guò)在晶體內(nèi)有規(guī)律地形成幾百納米（1納米是十億分之一米）大小的孔洞，對(duì)光進(jìn)行控制。通過(guò)根據(jù)特定的光波長(zhǎng)制作孔洞，可以實(shí)現(xiàn)完全不透光的“光子絕緣體”，或者改變特定波長(zhǎng)下的折射率。這一技術(shù)可以通過(guò)孔洞的大小、形狀、間隔長(zhǎng)度等實(shí)現(xiàn)多種控制，還能廣泛應(yīng)用于LiDAR以外的其他領(lǐng)域。
野田教授等人利用光子晶體激光器，成功使進(jìn)行金屬等精密加工的裝置大大縮小了尺寸。通過(guò)調(diào)整微小孔洞的穿孔方法，減少了分散的光，提高了激光輸出，并將其應(yīng)用于加工機(jī)。
以前，必須使用幾十厘米以上的大尺寸設(shè)備，才能發(fā)出可用于加工機(jī)的足夠亮度的激光，但2023年使用直徑為3毫米的激光發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了與大尺寸設(shè)備同等的亮度。據(jù)稱(chēng)，今后的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)10倍的激光輸出。
光子晶體還有望對(duì)作為新一代信息技術(shù)而備受期待的使用光的信息處理和通信發(fā)揮重要作用。NTT正在開(kāi)發(fā)使用光子晶體的集成電路。
傳統(tǒng)集成電路利用電進(jìn)行運(yùn)算和信息傳輸。通過(guò)電方面的On和Off轉(zhuǎn)換（Switching）來(lái)表達(dá)信息，但電在通過(guò)線路時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，傳輸信息的速度也會(huì)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(zhì)，實(shí)現(xiàn)了可用于信息處理的轉(zhuǎn)換。當(dāng)有特定信號(hào)進(jìn)入時(shí)，能通過(guò)的光的頻率改變，從而切換開(kāi)關(guān)。光子晶體會(huì)密閉光，因此即使微弱的光也可以切換，可以低耗電量進(jìn)行高速處理。NTT還成功開(kāi)發(fā)出了使用光的運(yùn)算元件。
NTT物性科學(xué)基礎(chǔ)研究所的研究員納富雅也表示“如果能將芯片內(nèi)的活動(dòng)全部轉(zhuǎn)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(shù)存在難度，但采用光子晶體就能夠?qū)崿F(xiàn)”。目標(biāo)是2030年代實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。NTT提出了利用光技術(shù)實(shí)現(xiàn)新一代通信基礎(chǔ)“IOWN”的目標(biāo)，光子晶體有可能成為核心技術(shù)。
京都大學(xué)的野田教授表示：“激光源有多種用途，使用將進(jìn)一步擴(kuò)大”。今后應(yīng)用于宇宙空間的衛(wèi)星間通信備受期待。
由于可以長(zhǎng)距離、高效地傳輸光，有可能可以用于衛(wèi)星間的高速通信，因此日本KDDI綜合研究所（埼玉縣富士見(jiàn)野市）等也正開(kāi)展研究。
京都大學(xué)2020年設(shè)立了基于光子晶體激光器的產(chǎn)學(xué)合作組織“PCSEL-COE”。三菱電機(jī)及羅姆等100多家日本國(guó)內(nèi)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)參與其中，目標(biāo)是推進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)移，將光子晶體培育成新的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。
研究人員的探究心帶來(lái)創(chuàng)新
給產(chǎn)業(yè)帶來(lái)創(chuàng)新的多種技術(shù)源于希望理解自然造福社會(huì)的研究人員的探究心。
光子晶體本來(lái)也是參考自然產(chǎn)物。其中之一是被譽(yù)為“活化石”的閃蝶。它羽毛發(fā)藍(lán)光，但本身沒(méi)有顏色。在照射到表面的微細(xì)凹凸的光中，只強(qiáng)烈反射特定波長(zhǎng)，因此會(huì)看到發(fā)藍(lán)光。另一種稱(chēng)為蛋白石的寶石是規(guī)則排列的晶體，折射光，可以發(fā)出獨(dú)特的顏色。
如果人工制造微細(xì)結(jié)構(gòu)，或許也可以操控光——源于這種想法的嘗試之一就是光子晶體。
隨著1990年代以后加工技術(shù)的提高，研究人員探討出了多種用途。京都大學(xué)的野田進(jìn)教授等1999年在全球首次實(shí)現(xiàn)了利用立體微細(xì)結(jié)構(gòu)的光子晶體激光器。之后，英國(guó)《自然》及美國(guó)《科學(xué)》等著名學(xué)術(shù)雜志也持續(xù)發(fā)表新成果。
野田教授說(shuō)：“我們一直在開(kāi)展力爭(zhēng)幾十年后實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的基礎(chǔ)研究和有利于產(chǎn)業(yè)的研究”。光子晶體現(xiàn)在也發(fā)現(xiàn)了新現(xiàn)象，研究范圍越來(lái)越廣，還在接近產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
