日本横滨国立大学的马场俊彦教授等正在研究可以控制光的特殊晶体——“光子晶体”，以便将其用于自动驾驶时探测障碍物的装置中。通过充分发挥光子晶体的特性，可以实现低成本与小型化。预计到2050年，米粒大小的晶体将被用作汽车的“眼睛”而广泛普及。
马场教授等研发的激光雷达仅为毫米尺寸（供图：横浜国立大学马场教授）
光子晶体是一种通过在晶体内有规律地形成几百纳米（一纳米为十亿分之一米）大小的孔洞来控制光的技术。通过制作适合特定光波长的孔洞，可以实现完全不透光的“光绝缘体”。由于可以根据孔的大小和形状，以及孔洞之间的长度间隔等进行各种控制，所以光学领域的应用研究正在不断推进。
马场教授的目标是将硅基光子晶体应用于识别障碍物等的装置“LiDAR（激光雷达）”。激光雷达通过发射光束，并捕捉反射回来的光线来识别与障碍物等之间的距离。作为自动驾驶汽车的“眼睛”目前关注度很高，现状在一辆汽车上还需要安装多个高精度装置。
目前装置尺寸为10～20厘米见方，性能优良的激光雷达售价约为数百万日元。马场教授解释说：“光子晶体的成本最多为10万日元左右，并且尺寸有望缩小到5毫米见方”。
硅通常被用作半导体材料。预计硅基光子晶体可以通过充分利用现有的微细加工技术。
马场教授等开发的激光雷达实现了让光穿过由硅制成的波导管，并利用光子晶体独特的微结构在与进入光线垂直的方向上发射出光线。通过改变入射光的波长和温度，还可改变出射光的角度，从而像摆动头部一样向大范围发射光束。由于不需要普通激光雷达摆动所需的电机等，因此可降低成本。
此外，这种LiDAR（激光雷达）还利用了光子晶体独有的“慢光”特性。慢光是一种光速减慢的现象。
2021年制造的激光雷达是将32个波导管平行排列，让光通过其中一个波导管，并利用慢光现象来测量向多个方向发射并返回的光。目前已成功实现了实时捕捉距离和运动。2022年，还成功投射了三维图像。目前的激光雷达尺寸为约9毫米见方，未来还可进一步实现小型化。
尽管目前可探测的距离上限仅有几米，但马场教授满怀信心地表示“我们估算的理论极限约为200米”。
激光雷达不仅可应用于自动驾驶，还有望应用于自主型机器人和农业机械等领域。此外，由于可以检测微小的震动，因此也正在考虑应用于基础设施监控和救灾等领域。未来，光子晶体很有可能成为日常生活中不可或缺的材料。
本次研究开发的激光雷达可投射获得三维图像（供图：横浜国立大学马场教授）
为激光和通信技术做出贡献
光子晶体是一项通过在晶体中进行纳米级微细加工来控制光的研究。1987年，美国物理学家埃利·雅布罗诺维奇（EliYablonovitch）等提出了阻止特定波长的光通过的“光子带隙”的概念，由此应用研究开始盛行。
20世纪90年代后半期之后，伴随着微细加工技术不断改进，开始探讨各种多种用途。例如，京都大学的野田进教授等将光子晶体应用于激光器，制造出了小型高功率半导体激光器。这种激光器除了可以大幅缩小激光加工装置的尺寸外，还有望扩展到激光雷达及卫星间通信等新领域。
NTT（日本电信电话公司）正在研究将光子晶体作为操纵光的高速通信设备的材料，目标是在2030年左右实现商业化。
利用微细硅材操纵光的“硅光子学”研究正在世界范围内取得进展。2021年，英特尔公司旗下的Mobileye发布了一款硅制激光雷达，但其利用的现象与马场教授不同。
硅光子学的研究中硅加工技术必不可少。由于与半导体产业相关，海外国家在实际应用方面处于领先地位。日本有望在未来实现超越。
日文：福井健人、《日经产业新闻》、2023/10/20
中文：JST客观日本编辑部
