由 KDDI 研究公司、京都大學工學研究生院/先導研究所和千歲科學技術大學院大學組成的研究小組開發了一種用於空間光通訊的頻率調製光子晶體雷射。
與傳統光子晶體雷射相比，這項研究將振盪頻率變化提高了一倍，同時將強度波動引起的雜訊降低至1/16（相當於強度變化的1/4）。在模擬外太空長距離通訊的自由空間光通訊實驗中，結果顯示無需使用光纖放大器即可實現最遠約6萬公里的通訊。
利用這種光源，在1W輸出功率和88dB衰減下實現了0.5Gbps的通訊速率，在81dB衰減下實現了1Gbps的通訊速率。研究小組的目標是實現10W的光輸出功率和4Gbps或更高的傳輸速率，最終將其應用於月球與地球之間38萬公里距離的高容量空間光通訊。
從： 
成功研製出適用於空間光通訊的頻率調變光子晶體雷射
【社論】
這項成就代表著一項突破，它可能會改變光發射器的本質，為「太空互聯網」鋪平道路。它試圖將整個龐大的光學平台整合到單一光子晶體雷射晶片中，以超緊湊、高效的設計取代傳統的半導體雷射、光纖放大器、調製器和大孔徑透鏡的配置。
這種調頻光子晶體雷射具有兩個內部諧振頻率不同的區域，透過採用一種能夠快速振盪反向電流的結構，可以實現「僅頻率的大幅振盪，同時保持光強度基本恆定」。因此，在顯著抑制強度波動引起的雜訊的同時，可以降低達到相同調變寬度所需的功率，使其成為遠距離相干光通訊的理想訊號源。
這種方法之所以在空間光通訊中有效，是因為「相干頻率調變」即使在訊號光極其微弱的情況下也能讀取資訊。強度調製在功率下降時會迅速達到極限，但透過結合頻率調製和相干檢測，利用與另一束強本地雷射的干涉，即使光束衰減到原始長度的億分之一以下，也能偵測到頻率波動。基於此，已實現了「無需擴大機約6萬公里」的傳輸距離，比先前報告的約3.6萬公里有了顯著提升。
這項技術似乎象徵著網路前沿終於開始向地球之外擴展，而實現這一目標的關鍵裝置正源自日本開發的奈米光子學技術。超越6G時代，各國正在推動無縫通訊基礎設施建設，涵蓋低地球軌道衛星、地球靜止軌道衛星、月球基地和深空探測器，而緊湊、輕巧、低功耗的光發射機對於這項基礎設施至關重要。如果調頻PCSEL能夠實現10W級輸出功率和4Gbps級傳輸速率，那麼即使在立方體衛星規模上，建構符合SDA標準的太空光鏈路也將成為可能。
然而，由於其雙重用途的特性，窄光束、高靈敏度相干光通訊也帶來了治理方面的挑戰。一些僅靠科技本身無法解決的問題日益增多，例如被挪用於監視和軍事通訊的風險，以及隨著衛星星座的擴張，網路攻擊的脆弱性日益增加，以及中斷帶來的影響。此外，雖然雷射雷達和高靈敏度測距等地面應用支援自動駕駛和氣象觀測，但它們也引發了關於隱私和倫理的討論，例如“環境和人體感知應該在多大程度上持續進行？”
即便如此，毫無疑問，裝置層面的進步，例如光子晶體雷射器，將改變太空與地球之間的資料傳輸方式。如果月地光通訊成為通用基礎設施，我們將能夠遠端控制月球機器人，並以類似於當前雲端服務的方式處理來自軌道望遠鏡的大量觀測資料。在展望未來時，我希望我們能夠共同思考我們可以在哪個層面上參與其中。
[術語]
光子晶體雷射<br>一種半導體雷射，它利用稱為光子晶體的週期性奈米結構，發射垂直於表面的高功率、窄波長雷射光束。
調頻（FM）
這是一種透過改變光的頻率而不是強度來傳輸訊息的調製方法，當與相干檢測相結合時，它具有即使從微弱訊號中提取資訊的優勢。
相干性
這個概念顯示了雷射的頻率和相位隨時間推移的穩定性程度，而具有高相干性的光適用於乾涉測量和相干通訊。
自由空間光通訊
這是一種不使用光纖等波導，而是利用大氣層或外太空等「自由空間」作為雷射光束傳輸路徑的通訊方法。
6G
這是第五代行動通訊系統 (5G) 之後下一代行動通訊標準的統稱，預計它將提供更高的速度、更大的容量和更低的延遲，並將通訊領域擴展到包括海洋、空中和太空。
微型衛星（立方體衛星等）
這指的是質量小於100公斤的衛星，尤其是質量小於50公斤的衛星。一個典型的例子是立方體衛星，其邊長為10厘米的正方形，通常用於組成星座，從而可以低成本地大量發射。
啁啾聲
這是半導體雷射驅動電流調製時，由於載子密度和折射率的變化，振盪頻率隨時間波動的一種現象。這是頻率調製的原因之一，但也會導致強度變化。
誤碼率（BER）
這是一個通訊品質指標，表示接收方錯誤辨識的已傳送比特串中位元的百分比；數值越小，可靠性越高。
SDA標準（航太發展局光鏈路規範）
這是美國太空發展局製定的太空光通訊鏈路規範之一，其中包括假設資料速率為 2.5Gbps 等級的光鏈路要求。
自然光子學
這是一份涵蓋光學科學和光子學領域的國際科學期刊，定位為具有高影響因子和高水準同行評審的期刊。
[參考連結]
Nature Photonics論文頁面（外部連結）
這是一篇原創論文，詳細介紹了頻率調製高功率光子晶體雷射的裝置結構和實驗結果，以及將其擴展到 10W 和 4Gbps 等級的可能性。
EE Times Japan評論文章（外部連結）
本文向工程師詳細介紹了使用光子晶體雷射的自由空間光通訊實驗，並解釋了在高衰減條件下實現通訊的機制。
[參考文章]
KDDI與京都大學共同開發出一種新的雷射技術，有望實現月球與地球之間的光通訊（外部連結）。
這則新聞介紹了一項成就，即利用調頻光子晶體雷射實現了相當於約 60,000 公里的通訊距離，而無需放大器，從而使月球與地球之間的光通訊以及 4Gbps 級傳輸成為可能。
KDDI 等公司成功實現了 60,000 公里的光通訊——是先前實現距離的兩倍（外部連結）。
這是一篇解釋性文章，從數值角度總結了該實驗的結果，包括允許的衰減增加了 2 到 3 倍，距離等效性提高了 1.5 到 1.7 倍。
用於遠距離自由空間光通訊的高功率PCSEL演示（外部）
這是一篇先前發表的論文，報告了使用高功率光子晶體雷射進行的自由空間光通訊實驗，證明了在相當於數萬公里鏈路的衰減條件下成功實現了通訊。
利用光子晶體雷射的自由空間光通訊（外部）
作為電子資訊通訊工程師學會的學習小組材料，本文總結了使用PCSEL的自由空間光通訊原理、過去的實驗結果以及工程師面臨的未來挑戰。
利用光子晶體雷射進行光通訊演示 = KDDI 和京都大學（外部）
本文重點介紹截至 2022 年的演示，並從技術背景和市場趨勢的角度，對 PCSEL 為什麼適用於空間光通訊和雷射雷達進行了通俗易懂的解釋。
[編者註]
雖然這次我們討論的是一個相當小眾的“組件層”，但我感覺這些突破中的每一項都將在未來幾年悄然改變我們體驗網絡的方式。
我希望這能讓您對未來網路延伸至地球之外、軌道乃至月球表面的世界中，您希望參與的服務和產品類型有所了解。我期待繼續與您合作，共同探索由技術進步拓展的「未來規範」。
