京大など、2020年開発のフォトニック結晶レーザー搭載LiDARを1/3に小型化

京都大学(京大)と北陽電機は、2020年7月に発表したLiDARに搭載した「フォトニック結晶レーザー」のレンズを必要としない特性を活かすことで、今回、そのサイズを従来比で1/3に小型化することに成功したと発表した。

(左上)2020年に発表されたLiDAR(2020年版)の構造(左)と今回発表された小型LiDAR(2021年版)の構造。(左下)2020年版LiDAR(左)と2021年版LiDARの外観。2021年版は、2020年版のおよそ1/3のサイズまで小型化に成功した。(右)デモンストレーションの様子。右腕の2本の指と、胴体が検出されている。ビーム品質の高いフォトニック結晶レーザー(PCSEL)により、小型かつレンズによる調整がなくても高い分解能が実現されている (出所:共同プレスリリースPDF)

同成果は、京大工学研究科の野田進教授、同・石崎賢司特定准教授、同・メーナカ・デ・ゾイサ講師、同・吉田昌宏助教、同・國師渡研究員(ロームから京大に常駐)、そして北陽電機の技術陣を加えた共同研究チームによるもの。

現在、日本では国を挙げて自動運転の技術開発が進められており、2022年度をめどにエリア(高速道路をはじめとする自動車専用道路など)および車両を限定したレベル4の自動運転の実現を目指している。そうした自動運転車両を筆頭に、農機や建機、工場や倉庫における自動搬送車両やロボットなど、自動運転・自動操縦が求められている車両やロボットに搭載可能な高性能かつ小型軽量、安価なセンサが求められている。

LiDAR(Light Detection and Ranging)は、自動運転車両やロボットに有用なセンサの1つとして考えられているが、搭載される半導体レーザーには、改善点が複数残されているという。1つ目は、光出力増大のために面積を拡大したブロードエリアタイプが用いられるが、高出力時にビーム品質が劣化してしまうという問題があった。

通常のブロードエリアタイプ半導体レーザーとフォトニック結晶レーザーの違い。(左)ブロードエリアタイプ半導体レーザーの発振領域の構造模式図。出射ビームは品質が悪く広がりが大きい。つまり、低輝度である。(右)フォトニック結晶レーザーの発振領域の構造模式図。出射ビームは高品質で広がりが狭い。つまり、高輝度 (出所:京大プレスリリースPDF、2020年7月8日発表)

また、非点収差のために対称でない形でビームが広がり、またその広がり方も大きいことから、複雑なレンズ系を用いてビームを調整する必要がある。そのため部品数の増加し、また精密な調整作業が必要とされることから、結果として高コストで、かつ複雑なレンズ系のため、小型軽量化ができず、空間分解能が低いという課題もあった。

通常のブロードエリアタイプ半導体レーザーと、フォトニック結晶レーザー(2020年版)のそれぞれのLiDARの光源部の構造(上段)と、0.25度間隔でビームを走査し、1m先のスクリーン上でビームスポットを実際に観察した様子の比較。(左)ブロードエリアタイプ半導体レーザー。ビームの広がりが大きく、分解能が低い。(右)フォトニック結晶レーザー。ビームの広がりが小さく、分解能が高い (出所:京大プレスリリースPDF、2020年7月8日発表)

さらに、センシング時には、通常の半導体レーザーは発振波長幅が広く、動作波長の環境温度依存性が大きいため、広い帯域の光学フィルタしか用いることができず、信号対雑音比が低いといった課題などもあったという。

フォトニック結晶レーザーを搭載したLiDAR(2020年版)のデモンストレーション。(上段)2人の人物が並んで立っているが、LiDARによる距離マップでも両者が並んでいるのがわかる。(中段)Bの人物が手前にいるが、距離マップでもBの人物が手前にいるのがわかる。また、Aの人物は右腕を前に、左手を後ろに振っているが、それもLiDARが捉えているのがわかる。(下段)Bの人物が両腕を広げたところも捉えられている。Aの人物は腕を動かしていないので、上段と同じ反応となっている (出所:京大プレスリリースPDF、2020年7月8日発表)

それに対してフォトニック結晶レーザーは高出力動作でも高いビーム品質が保持され、広がり角も狭く、レンズ系も必要としないといった特徴を有しており、これを光源としてLiDARに用いることで、小型軽量かつ安価な高性能LiDARの実現が期待されるようになっている。

(a)LiDAR(2020年版)に搭載された発振領域の面積が500μmΦのフォトニック結晶レーザーの二重格子フォトニック結晶構造の上面図。(b)二重格子フォトニック結晶構造の断面図。効率化を図るため、下部反射構造が導入された。(c)遠視野像。極めて狭い広がり角(～0.1度)の動作が実現した。(d)電流-光出力特性。～0.8W/Aの高いスロープ効率で10W以上の光出力が得られている (出所:京大プレスリリースPDF、2020年7月8日発表)

研究チームは2020年7月にフォトニック結晶レーザーを搭載したLiDARを発表しているが、この時は、独自開発した「二重格子フォトニック結晶」構造を採用した点が特徴であったという。同構造は、2つのフォトニック結晶格子を、xおよびy方向にそれぞれおよそ4分の1波長ずつずらして重ねたもので、これにより、原理的には大面積でも単一モードで動作が可能となったとする。

通常の半導体レーザーとフォトニック結晶レーザーの出射光を、レンズなしで遠方まで伝播させたときのビームスポット。(上段)半導体レーザー。数mで確認できなくなるため、10～30mは画像なし。(下段)フォトニック結晶レーザー(発振領域面積500μmΦ)。30mでも10cm以下であることが見て取れる(～5cm) (出所:京大プレスリリースPDF、2020年7月8日発表)