光検出と測距（LiDAR）は、高精度で高速な光検出とセンシングを提供するための主なソリューションです。 LiDARシステムでは、空間を効果的にスキャンするレーザー光源が、レーダー検出とセンシング機能を実現するための中核です。 ビームスキャンを実現するための技術的ソリューションは、パッシブビームスキャンとアクティブビームスキャンに分けられます。 パッシブビームスキャンには、機械的な回転によって空間ビームスキャンを実現する半固体マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）LIDARと、導波管を変更することで空間ビームスキャンを実現する全固体光フェーズドアレイ（OPA）が含まれます。 (OPA)は、導波管の形状または屈折率分布を変更することでビームを偏向させ、機械を必要としないスキャンを実現します。 MEMSやOPAなどの既存のパッシブスキャン方式とは異なり、アクティブビームスキャン（ABS）は、スキャンにアクティブに放出される光源を使用します。これにより、システムのエネルギー変換効率が効果的に向上し、出力が増加し、宇宙システムの複雑さが軽減されます。
最近、中国科学院半導体研究所の鄭万華院士のチームが北京大学の彭超潔氏のチームと共同で、フォトニック結晶面発光レーザー（PCSEL）に基づく電気注入型アクティブレーザー空間ビームスキャンを実現しました。この構造は、AlGaInAs量子井戸をゲイン媒体とし、有限サイズのフォトニック結晶を使用して連続エネルギーバンドを離散モードに量子化し、遠距離場における異なる分散角の励起に対応する多次モードを取得します。キャリア変調と組み合わせることで、異なる注入電流下で異なる次数モードが励起され、アクティブビームスキャンを実現します。電気注入型PCSELは、2Dアクティブレーザー空間スキャンレーダーのコンポーネントサポートを提供します。
電流源を使用してレーザーを高速駆動し、最大 1 MHz の速度でビームスキャンを実現します。これは、従来の MEMS 方式と比較してスキャン速度が 1 ～ 2 桁向上したことを意味します。レーザーは、センシングの同時スケールと柔軟性を高め、消費電力を削減できます。一方で、レーザーは LIDAR、レーザーイメージング、レーザーセンシングの最も有望な技術ルートの 1 つであり、アクティブフェーズドアレイレーダーに新しい制御メカニズムを提供します。他方、その表面放射特性は、センシング検出、フォトニック統合、大規模アレイの分野で独自の利点を持っています。
「フォトニック結晶面発光レーザーによるアクティブビームステアリング」と題された研究結果は、7月11日にアメリカ化学会ナノ（ACS Nano）誌に掲載された（DOI：10.1021/acsnano.3c09793）。半導体研究所（ISS）の若手研究者であるミンジン・ワン氏と北京大学（北京大学）のポスドク研究員であるフェイファン・ワン氏が論文の共同筆頭著者であり、ISSの院士であるワンフア・ジェン氏と北京大学教授のチャオ・ペン氏が共同責任著者である。
この研究は、中国国家重点研究開発計画および中国国家自然科学基金によって支援されて行われました。
図1 PCSELによる連続エネルギーバンドの離散モードへの量子化
図2 高速ビーム走査
