交通・輸送

チップサイズLiDAR：LiNbO3ポックェルスレーザーで小型化・低コスト化

公開日 2025年6月10日

更新日 2026年5月29日

著者

Jonathan Schramm

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精密レーザーが現代のLiDARを駆動する方法

レーザーは、現代社会を支える基盤技術でありながら過小評価されがちです。半導体製造、光ファイバー通信、彫刻・印刷、光ディスク、外科手術、測定、軍事システム、航空宇宙などで使用されています。

最近のレーザーの急成長分野の一つがLiDAR（Light Detection and Ranging、光検出と測距）で、通称「レーザーレーダー」です。レーザーを用いて対象物までの距離を極めて正確に測定する手法です。

LiDARはほぼすべての自動運転企業が自律走行車に搭載しており、車両の上部に大型装置として設置されています。

出典: SFGate

LiDARの問題点は、サイズが大きく高価であるため大量導入が非経済的になることです。また非常に壊れやすく、長期的なコストもさらに増大します。

しかし、ロチェスター大学（米国）とカリフォルニア大学（米国）の研究者らによる新しいレーザー設計により状況が変わりつつあります。この設計は従来のシリコンフォトニクスではなく、リチウムニオブ酸化物（LiNbO3）を使用しています。

彼らはこの発見を Light Science & Applications¹ に掲載し、タイトルは「Pockelsレーザーが直接超高速光計測を駆動する」としました。

LiDARの理解：原理と技術

LiDAR距離測定の基本

LiDARの基本原理はレーダーと似ています: 信号を発射し、対象物で反射して送信元に戻ります。信号の発射から戻るまでの時間が距離を示します。

違いは、LiDARは赤外線、時には紫外線といった目に見えない光線を使用し、電波（RADARの「R」‑ RAdio Detection And Ranging）を使用しないことです。

出典: Synopsis

光は極めて高速であるため、LiDARは非常に精密なレーザー波制御が必要となり、システムの高い複雑性、コスト、脆弱性を招きます。

ポックェルス効果：超高速レーザー調整を可能にする

研究者たちはポックェルス効果を利用してLiDAR技術の向上を目指しました。この現象は、電場が加わると特定の材料の屈折率（光の屈折の仕方）を変化させます。

ポックェルス効果は、モノカリウムリン酸塩などの特殊結晶や、本研究で使用されたリチウムニオブ酸化物（リチウム、ニオブ、酸素からなる合成塩）で観測されます。

出典: Sumimoto

これにより、研究者は光の広いスペクトルで色を極めて正確に、しかも超高速（約10^19回/秒）で変化させるレーザーを作り出すことができました。

リチウムニオブ酸化物は、スマートフォンやその他の電子機器で表面音波（SAW）フィルタを作り、ノイズや干渉を防止する用途で一般的に使用されており、既存のサプライチェーンを活用できます。

チップサイズのポックェルスLiDARレーザーの構築

薄膜リチウムニオブ酸化物：ナノメートルスケールのエンジニアリング

研究者は、シリコン酸化物とシリコン基板上に薄膜リチウムニオブ酸化物層を堆積し、シリコン酸化層で保護しました。

出典: Light Science & Applications

その後、シリコン保護層のバリエーションをテストし、最も制御しやすい周波数範囲を生成できる最適な厚さを見つけました。

出典: Light Science & Applications

結果として、コンピュータチップサイズの小型レーザーが得られ、LiDAR用途向けに極めて制御可能なパラメータを備えていました。

“これは、極めて高精度な時間測定が可能な光時計に利用できる非常に重要なプロセスですが、実現には多くの装置が必要です。典型的なセットアップでは、デスクトップコンピュータサイズの装置が必要で、内部レーザー、アイソレータ、音響光変調器、位相変調器などが含まれます。

我々のレーザーは、これらすべてを電気的にチューニング可能な非常に小さなチップに統合できます。

Shixin Xue – Shixin Xue, a PhD student at Rochester University

性能指標：周波数チャープと速度測定

測定したところ、このチップは既存のすべてのレーザーをはるかに上回る性能を示しました。

特に、最大20 EHz/sの「周波数チャープレート」を達成し、変調帯域幅は10 GHzを超えました。参考までに、これらの数値は既存のレーザーより何桁も大きいです。

このレーザーチップは、0.4 mの短距離で40 m/sの速度測定が可能で、視覚的分解能は2 cm未満でした。速度測定は40 m/s以上になる可能性もありますが、実験装置ではそれ以上のテストはできませんでした。

このような短距離での性能は重要です。従来のLiDARシステムは、近距離や高速移動物体の検出に常に苦労しており、自動運転技術にとっては近距離かつ高速な対象を正確に捉えることが不可欠です。

出典: Light Science & Applications

小型化LiDARが重要な理由：利点と活用事例

これまで、レーザーの周波数制御技術の開発は比較的限定的であり、その結果、システムのサイズ、重量、消費電力が大きく、実用的な導入に深刻な制約がありました。

したがって、自動運転車やその他の自律走行車（ドローンなど）やロボティクス機器がこの技術の最も明白な活用先です。この分野は、AIが安全に車を運転できるほど賢くなることと、LiDARのコストとサイズがAIに正確な環境認識を提供するために必要という2つの課題で阻まれてきました。リチウムニオブ酸化物フォトニクスは、AIが十分に成熟したタイミングで、2つ目の課題を解決できる可能性があります。

超高精度レーザー測定はこれだけに限りません。先進的な製造業でもLiDARは継続的な測定や校正に使用されています。通信、量子通信、マイクロ波生成、各種センサーも、ポケットサイズで低コスト、低エネルギー消費のレーザー測定から恩恵を受けられます。科学者は重力波や暗黒物質観測、その他高度な物理計算にもレーザーを使用しています。超高精度の速度計は、慣性閉じ込め核融合の開発にも重要で、全体的な科学技術の進歩に寄与する可能性があります。

レーザー技術への投資

レーザーは光ディスクから外科用ツール、3Dプリンティング、半導体、製造、ゲノムシーケンサーに至るまで、現代技術のあらゆる分野に存在し、2025年までに市場規模は178億ドル、年平均成長率7.8％で拡大すると予測されています。

レーザー関連企業への投資は多くのブローカーを通じて可能で、securities.io では、米国、カナダ、オーストラリア、英国、および他多数の国々における最適なブローカーの推奨を掲載しています。

特定企業の選択に興味がない場合は、テクノロジーETFとしてiShares U.S. Technology ETF (IYW)やProShares Nanotechnology ETF (TINY)を検討できます。専用のレーザーETFは現在ありませんが、これらはナノテクノロジーやテクノロジー株への分散投資として機能します。