研究の背景

近年、海洋資源探査や海中インフラ監視、無人潜水機（AUV）による計測などを背景に、水中で高精度に距離計測が可能なLiDAR技術への期待が高まっています。水中では光の吸収が波長に強く依存するため、450–550 nmの青緑色領域（ブルーグリーンウィンドウ）が有利とされています。

従来主流であったパルス型（ToF）LiDARに対し、FMCW LiDARは

• 高い距離分解能

• 高感度

• 距離と速度の同時計測
  といった利点を持ちますが、広帯域かつ線形な周波数掃引（チャープ）が可能な可視レーザ光源が大きな技術課題でした。

本研究の新規性とアプローチ

本研究では、466 nm帯のGaN系分布帰還型レーザーダイオード（DFB-LD）に着目しました。
DFB-LDは

• 単一周波数発振

• 小型・低消費電力（SWaP特性）

• 電流直接変調による高速チャープが可能

といった利点を持ち、水中LiDAR用光源として有望です。

本研究では、

• 遅延自己ヘテロダイン干渉計（DSHI）を用いた周波数雑音評価

• チャープ幅・非線形性の定量測定

• 可視DFB-LD単体によるFMCW LiDAR動作実証

を系統的に行いました。

主な研究成果

① 広帯域チャープの実証

• 三角波電流変調（1 kHz）により
  最大 12.2 GHz のモードホップフリー周波数掃引を達成

• 水中換算での理論距離分解能は 約0.9 cm

② 周波数雑音とコヒーレンス評価

• 周波数雑音スペクトルを 1 Hz〜10 MHz の広帯域で測定

• 有効コヒーレンス長は 約14 m

• FMCW LiDARにおける測距可能距離の指標を明確化

③ FMCW LiDAR動作の世界初実証

• 可視DFB-LDのみを用いた自由空間FMCW LiDAR測定（約3 m）に成功

• 事前のチャープ補正（プリディストーション）なしで動作を確認

明らかになった課題と今後の展望

一方で、実験では

• レーザ周波数雑音

• チャープ非線形性

が距離分解能劣化の主因となることも明らかになりました。
理論的には、

• 周波数雑音をkHz級まで低減

• チャープ非線形性を0.01%以下に補正

することで、数十メートル距離でcm級分解能の水中FMCW LiDARが実現可能であることを示しています。

今後は、

• 高精度チャープ補正技術

• 低雑音駆動回路

• マイクロ共振器を用いた注入同期

• 高出力GaNレーザとの組み合わせ

などを通じて、実用的な水中コヒーレントLiDARシステムの実現を目指します。

論文情報

• タイトル: FMCW LiDAR with a GaN-based distributed feedback laser diode at 466 nm

• 著者: Wataru Kokuyama, Hidemi Tsuchida, Yoshiaki Nakajima

• 掲載誌: Optics Express, Vol.34, No.2 (2026)

  
  

  https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-34-2-2799