日本京都大學研究生院工學研究科與高等研究院的井上卓也副教授、野田進特別教授、森田遼平非常勤講師、De Zoysa Menaka教授、石﨑賢司特定副教授等人的研究團隊，與KDDI綜合研究所、公立千歲科學技術大學合作，面向包括宇宙光通信在內的長距離自由空間通信應用，成功開發出一種能夠以高效率、高速度調變振盪頻率的新型光子晶體雷射。該成果使得光子晶體雷射能夠替代由多種光學器件構成的光發射機，為實現超小型、輕量化、高效率的衛星搭載型光發射機邁出了重要一步。相關研究成果已發表在《Nature Photonics》的網路版上。
圖：基於頻率調變型光子晶體雷射的超小型、輕量化、高效率光發射器概念圖。（供圖：京都大學）
下一代行動通信系統的通信覆蓋範圍有望從地面網路進一步延伸至空間領域。目前，在地面通信基礎設施相對薄弱的地區或在災害發生時，低軌道衛星（高度不超過2000公里）之間的通信，以及通過高度約3.6萬公里的地球同步軌道衛星進行的通信，對於即時傳輸來自地球觀測衛星大容量數據，發揮著重要作用。然而，實現這種宇宙空間中的長距離光通信，通常需要由半導體雷射、外部調變器、大型光放大器以及發射透鏡等多種光學器件組合而成的光發射機。由於所需光學器件數量眾多，設備整體體積龐大。同時，為了確保在嚴苛空間環境下的可靠運行，系統成本居高不下，並且能量利用效率較低，成為亟待解決的技術課題。
此前，研究團隊通過對光子晶體結構的精細設計，已在連續工作條件下實現了1～50瓦級的高輸出功率。2022年9月，研究團隊進一步利用瓦級輸出的光子晶體雷射，在不使用光放大器和發射透鏡的情況下，成功實現了燈火信號的高速傳輸。然而，若要將通信距離擴展至連接地球與月球之間約38萬公里，採用調變光強的方式時，燈火信號在傳播過程中會發生極大的能量衰減，到達接收端時不足發射時能量的億分之一，從而導致信號難以判別。因此，該方式可傳輸的極限距離上限約為2000公里。
為此，研究團隊認為：通過對周波進行調變來發送燈火信號，並將發生衰減的燈火信號與參考光進行幹涉，從而即使在極其微弱的光強條件下，也能夠讀取其頻率變化。
光子晶體雷射通常只能輸出固定頻率的雷射。本次研究中，研究團隊僅對光子晶體的一半區域進行了極其細微的結構調控（將晶體空孔間距調整約0.01%），成功開發出一種能夠在光子晶體左右兩側分別輸出不同頻率雷射的光子晶體雷射。此外，通過調節左右兩側注入電流的大小，即可實現對輸出雷射頻率進行調控。
在模擬宇宙空間傳播損耗的通信實驗中，與傳統光子晶體雷射相比，即使將燈火信號進一步衰減至原來的約1/2～1/3，通信仍然能夠穩定成立。換算成傳輸距離，相當於可實現約6萬公里級的衛星間光通信。
研究團隊還在推進面向更遠距離通信的器件設計改良。通過在擴大光子晶體器件尺寸的基礎上進行進一步優化，未來有望實現連接地球與月球、距離約38萬公里的空間光通信。
奈米級調控，造就數萬公里的通信跨越
井上副教授表示：「本次研究讓我覺得非常有趣的地方在於，只需將孔之間的間距做極其微小的調整，通信距離就能獲得顯著提升。通過奈米尺度的精密控制，能在數萬公里級的通信效果上產生如此巨大的差異，非常令人著迷。我們認為，光子晶體雷射仍然蘊藏著巨大的潛力。今後，在推進空間光通信實際應用的同時，也希望進一步深入研究光子晶體雷射的物理機制以及奈米尺度下的物理規律，通過對奈米世界的精細調控，將基礎研究成果更好地轉化為具有實際應用價值的技術。」
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Photonics
論文：Frequency-modulated high-power photonic-crystal surface-emitting lasers for long-distance coherent free-space optical communications
DOI：10.1038/s41566-025-01782-2
