次世代高性能レーザーが深宇宙ナビゲーションを強化

NASA深宇宙ネットワーク（DSN）の原子時計技術から生まれた革新的レーザーと発振器

NASAの深宇宙ネットワーク（DSN）──宇宙版GPSのようなシステム──は、極度の精度のために原子時計に依存しています。最新のナビゲーションシステムは、位置を三角測量するために無線信号を正確に計時する必要があります。しかし、偉大な距離では微小な誤差も複合されるため、宇宙では精度の必要性がさらに高まります。

NASAジェット推進研究所（JPL）の元研究者Lute Maleki氏とそのJPL同僚たちによる宇宙向けの進歩が、現在、通信、自動運転車用測距装置、量子コンピューティングのような新興分野で世界で最も洗練されたレーザーと発振器のいくつかを生み出しました。

JPL量子科学技術グループの設立と成果

1980年代、DSN用の原子時計技術改善に取り組む中で、Maleki氏は光子や時計内の振動原子のような最も初歩的な粒子を支配する量子物理学を用いて新能力を開発する、JPLの量子科学技術グループを設立しました。チームはより優れた、より安価なタイプの原子時計を開発し、また初めて原子時計信号を光ファイバーケーブルで約20マイル離れたアンテナに送信しました。

1990年代初頭、Maleki氏と研究室のもう一人のメンバーは、新しいタイプの発振器を発明しました。「彼には解決できない安定性の問題があり、発振器に変えれば解決すると私が伝え、光電子発振器を発明しました」とMaleki氏は語ります。

発振器は計時だけでなく通信でも不可欠で、2つ以上のデバイスが情報を送受信する正確な周波数に合意できるようにします。それまでのすべての発振器が電流を使って振動を生成していたのに対し、この発振器はレーザー光を使用しました。光電子発振器は以来、レーダー、宇宙工学、無線通信などいくつかのアプリケーションで不可欠になっています。

しかし、一定の周波数を確保するには、発振子には共振器が必要です。当時、これは通常、出力信号を十分な距離（理想的には1マイルほど）伝送し、それを循環させることで、システムが自分の出力周波数を追跡しノイズをキャンセルできる光ファイバーでした。これはかさばるシステムでした。

これが彼の2つ目の基礎的発明につながりました：ささやきギャラリーモード光共振器の使用。当時NASAには用途がほとんどありませんでしたが、Maleki氏は市場があると確信していました。

1999年、カリフォルニア工科大学（JPLを管理）を通じてライセンスされたチームのNASA研究から約30の特許で、OEwaves（OEは光電子の意）を設立。

会社は変化する技術ランドスケープで足場を固めるのに時間がかかりましたが、その製品（利用可能な最低ノイズ半導体レーザーを含む）は近年新しい市場を見出しています。一つは「スマート構造」で、数十年前から存在する概念ですが、特にアジアで実践段階に入り始めています。ビル、橋、鉄道、その他の構造物に埋め込まれた光ファイバーセンサーが応力や変形を検知できますが、これには微小な波長変化を明らかにする低ノイズレーザーが必要です。

Maleki氏は、携帯電話と通信市場でも需要増加を予想しています。これらがより高い周波数（情報をより効率的に運ぶが、極めて高い忠実度を必要とする）に移行しているためです。

2014年、OEwavesは自動運転車用LiDAR技術を開発するStrobe Inc.をスピンオフ。LiDARシステムは反射レーザー信号を使用して周囲の三次元マップを構築し、多くの自律走行車企業がイネーブリング技術と見なしています。GM子会社のCruise Automationが2017年にStrobeを買収。

Maleki氏によると、JPLで始まった同じ技術により、Strobeは共振器のみを使用して周波数を急速に変化させる「チーピング」と呼ばれる技術で、小型で効率的なLiDARシステムを開発できました。チーピングは周囲オブジェクトの距離と速度の両方を測定するのに役立ちます。そしてシステム全体をフォトニック集積回路上に載せられ、さらなるコスト削減が可能です。

複数の大学と企業も、通信、コンピューティング、その他のアプリケーション向け将来の量子デバイス研究のためにレーザーコンポーネントを購入しています。

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