日本京都大学研究生院工学研究科与高等研究院的井上卓也副教授、野田进特别教授、森田辽平非常勤讲师、De Zoysa Menaka教授、石﨑贤司特定副教授等人的研究团队，与KDDI综合研究所、公立千岁科学技术大学合作，面向包括宇宙光通信在内的长距离自由空间通信应用，成功开发出一种能够以高效率、高速度调制振荡频率的新型光子晶体激光器。该成果使得光子晶体激光器能够替代由多种光学器件构成的光发射机，为实现超小型、轻量化、高效率的卫星搭载型光发射机迈出了重要一步。相关研究成果已发表在《Nature Photonics》的网络版上。
图：基于频率调制型光子晶体激光器的超小型、轻量化、高效率光发射器概念图。（供图：京都大学）
下一代移动通信系统的通信覆盖范围有望从地面网络进一步延伸至空间领域。目前，在地面通信基础设施相对薄弱的地区或在灾害发生时，低轨道卫星（高度不超过2000公里）之间的通信，以及通过高度约3.6万公里的地球同步轨道卫星进行的通信，对于实时传输来自地球观测卫星大容量数据，发挥着重要作用。然而，实现这种宇宙空间中的长距离光通信，通常需要由半导体激光器、外部调制器、大型光放大器以及发射透镜等多种光学器件组合而成的光发射机。由于所需光学器件数量众多，设备整体体积庞大。同时，为了确保在严苛空间环境下的可靠运行，系统成本居高不下，并且能量利用效率较低，成为亟待解决的技术课题。
此前，研究团队通过对光子晶体结构的精细设计，已在连续工作条件下实现了1～50瓦级的高输出功率。2022年9月，研究团队进一步利用瓦级输出的光子晶体激光器，在不使用光放大器和发射透镜的情况下，成功实现了光信号的高速传输。然而，若要将通信距离扩展至连接地球与月球之间约38万公里，采用调制光强的方式时，光信号在传播过程中会发生极大的能量衰减，到达接收端时不足发射时能量的亿分之一，从而导致信号难以判别。因此，该方式可传输的极限距离上限约为2000公里。
为此，研究团队认为：通过对周波进行调制来发送光信号，并将发生衰减的光信号与参考光进行干涉，从而即使在极其微弱的光强条件下，也能够读取其频率变化。
光子晶体激光器通常只能输出固定频率的激光。本次研究中，研究团队仅对光子晶体的一半区域进行了极其细微的结构调控（将晶体空孔间距调整约0.01%），成功开发出一种能够在光子晶体左右两侧分别输出不同频率激光的光子晶体激光器。此外，通过调节左右两侧注入电流的大小，即可实现对输出激光频率进行调控。
在模拟宇宙空间传播损耗的通信实验中，与传统光子晶体激光器相比，即使将光信号进一步衰减至原来的约1/2～1/3，通信仍然能够稳定成立。换算成传输距离，相当于可实现约6万公里级的卫星间光通信。
研究团队还在推进面向更远距离通信的器件设计改良。通过在扩大光子晶体器件尺寸的基础上进行进一步优化，未来有望实现连接地球与月球、距离约38万公里的空间光通信。
纳米级调控，造就数万公里的通信跨越
井上副教授表示：“本次研究让我觉得非常有趣的地方在于，只需将孔之间的间距做极其微小的调整，通信距离就能获得显著提升。通过纳米尺度的精密控制，能在数万公里级的通信效果上产生如此巨大的差异，非常令人着迷。我们认为，光子晶体激光器仍然蕴藏着巨大的潜力。今后，在推进空间光通信实际应用的同时，也希望进一步深入研究光子晶体激光器的物理机制以及纳米尺度下的物理规律，通过对纳米世界的精细调控，将基础研究成果更好地转化为具有实际应用价值的技术。”
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Photonics
论文：Frequency-modulated high-power photonic-crystal surface-emitting lasers for long-distance coherent free-space optical communications
DOI：10.1038/s41566-025-01782-2
