日本橫濱國立大學的馬場俊彥教授等正在研究可以控制光的特殊晶體——「光子晶體」，以便將其用於自動駕駛時探測障礙物的裝置中。透過充分發揮光子晶體的特性，可以實施低成本與小型化。預計到2050年，米粒大小的晶體將被用作汽車的「眼睛」而廣泛普及。
馬場教授等研發的激光達僅爲毫米尺寸（供圖：橫浜國立大學馬場教授）
光子晶體是一種透過在晶活體內有規律地形成幾百奈米（一奈米爲十億分之一米）大小的孔洞來控制光的技術。透過製作適合特定光波長的孔洞，可以實施完全不透光的「光絕緣體」。由於可以根據孔的大小和形狀，以及孔洞之間的長度隔膜等進行各種控制，所以光學領域的應用研究正在不斷推進。
馬場教授的目標是將硅基光子晶體應用於識別障礙物等的裝置「LiDAR（激光達）」。激光達透過發射光束，並捕捉反射回來的光線來識別與障礙物等之間的距離。作爲自動駕駛汽車的「眼睛」目前關注度很高，現狀在一輛汽車上還需要安裝多個高精度裝置。
目前裝置尺寸爲10～20釐米見方，性能優良的激光達售價約爲數百萬日元。馬場教授解釋說：「光子晶體的成本最多爲10萬日元左右，並且尺寸有望等比縮小到5毫米見方」。
硅通常被用作半導體材料。預計硅基光子晶體可以透過充分利用現有的微細加工技術。
馬場教授等開發的激光達實施了讓光穿過由硅製成的波導管，並利用光子晶體獨特的微結構在與進入光線垂直度的方向上發射出光線。透過改變入射光的波長和溫度，還可改變出射光的角度，從而像鏈段運動頭部一樣向大範圍發射光束。由於不需要普通激光達鏈段運動所需的電機等，因此可降低成本。
此外，這種LiDAR（激光達）還利用了光子晶體獨有的「慢光」特性。慢光是一種光速減慢的現象。
2021年製造的激光達是將32個波導管平行排列，讓光透過其中一個波導管，並利用慢光現象來測量向多個方向發射並返回的光。目前已成功實施了即時捕捉距離和運動。2022年，還成功投射了三維影像。目前的激光達尺寸爲約9毫米見方，未來還可進一步實施小型化。
儘管目前可探測的距離上限僅有幾米，但馬場教授滿懷信心地表示「我們估算的理論極限約爲200米」。
激光達不僅可應用於自動駕駛，還有望應用於自主型機器人和農業機械等領域。此外，由於可以檢測微小的震動，因此也正在考慮應用於基礎設施監督和救災等領域。未來，光子晶體很有可能成爲日常生活中不可或缺的材料。
本次研究開發的激光達可投射獲得三維影像（供圖：橫浜國立大學馬場教授）
爲雷射和通訊技術做出貢獻
光子晶體是一項透過在晶體中進行奈米級微細加工來控制光的研究。1987年，美國物理可用能學家埃利·雅布羅諾維奇（EliYablonovitch）等提出了阻止特定波長的光透過的「光量子帶隙」的概念，由此應用研究開始盛行。
20世紀90年代後半期之後，伴隨着微細加工技術不斷改進，開始探討各種多種用途。例如，京都大學的野田進教授等將光子晶體應用於雷射，製造出了小型高功率半導體雷射。這種雷射除了可以大幅等比縮小雷射加工裝置的尺寸外，還有望擴展到激光達及人造衛星間通訊等新領域。
NTT（日本電信電話術公司）正在研究將光子晶體作爲操縱光的高速通訊設備的材料，目標是在2030年左右實施商業化。
利用微細硅材操縱光的「硅光量子學」研究正在世界範圍内取得進展。2021年，英特爾公司旗下的Mobileye發佈了一款硅制激光達，但其利用的現象與馬場教授不同。
硅光量子學的研究中硅加工技術必不可少。由於與半導體產業相關，海外國家在實際應用方面處於領先地位。日本有望在未來實施超越。
日文：福井健人、《日經產業新聞》、2023/10/20
中文：JST客觀日本編輯部
