KDDI総研と京大、千歳科技大　宇宙光通信に適した周波数変調型フォトニック結晶レーザーを開発

京都大学、KDDI総合研究所、公立千歳科学技術大学は、宇宙光通信など長距離自由空間光通信（FSO）への応用を想定し、発振周波数を高効率かつ高速に変調できる「周波数変調型フォトニック結晶レーザー（PCSEL）」を開発した（ニュースリリース）。

来たるべき6G時代には、移動体通信の適用範囲が地上から宇宙空間へ拡大すると見込まれ、衛星間・月地球間の超長距離リンクに対応する高感度の光送信機が求められる。従来の宇宙用光送信機は、半導体レーザーに加え光ファイバ増幅器や光変調器、大口径レンズなど多数の光学素子で構成されるため、小型衛星への搭載に向けた小型・軽量化と高効率化が課題であった。研究グループはこれまで、高出力と高ビーム品質を両立するPCSEL単体で宇宙用送信機を置き換える可能性を示し、静止軌道―低軌道間（約3.6万km）相当の通信実証を行なってきた。

今回開発した周波数変調型PCSELは、レーザー内部に共振周波数がわずかに異なる2つのフォトニック結晶領域（PC1、PC2）を設け、それぞれに独立して電流を注入できる二分割電極構造を採る点が特徴である。2領域へ逆位相で高速な交流電流を重畳すると、デバイス内部の光子密度分布が交互に移り変わり、発振周波数を効率よく変調できる。さらに、2領域に注入する電流の合計を一定に保つことで光出力変動を抑え、周波数変調通信で問題となる強度変調成分を低減できる。

試作デバイスは20℃連続駆動で3A注入時に1W超の出力を示し、拡がり角約0.2°の狭い単峰ビームを維持した。合計電流3Aのもとで1GHzの逆位相交流電流（振幅0.22App）を与えた評価では、発振周波数変化量が従来PCSELの約2倍に増大し、強度変化量は1/4以下に抑制された。これにより、同等の周波数変調に必要な交流電流振幅を1/2（交流電力で1/4）へ削減でき、強度変調由来の雑音パワーは1/16に低減できるとする。

また、宇宙光通信時の光損失を模擬する自由空間通信実験では、0.5Gb/s伝送で88dB（約6.3億分の1）まで減衰させても通信が成立し、1Gb/sでも81dB（約1.3億分の1）減衰で通信可能であった。過去の実験結果と比べ許容減衰量が2～3倍に増え、伝送距離換算で約6万km、従来の約2倍の到達距離を示した。

研究グループは今後、フォトニック結晶構造の大面積化と最適化により10W級出力や4Gb/s級高速化を目指し、月―地球間（約38万km）の大容量宇宙光通信への適用も視野に開発を進めるとしている。