TOKYO - 17 septembre 2025 -NTT, Inc. (Siège social : Chiyoda, Tokyo ; Président et PDG : Akira Shimada ; ci-après « NTT ») et Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (Siège social : Chiyoda, Tokyo ; Président et PDG : Eisaku Ito ; ci-après « MHI ») ont mené une expérience de transmission d'énergie optique sans fil en utilisant un faisceau laser pour transmettre de l'énergie sans fil à 1 kilomètre de distance. En irradiant un faisceau laser d'une puissance optique de 1 kW, nous avons réussi à recevoir 152 W de puissance électrique à 1 kilomètre de distance. Il s'agit de l'efficacité la plus élevée au monde en matière de transmission de puissance optique sans fil utilisant un élément de conversion photoélectrique en silicium (Note2) dans un environnement soumis à de fortes turbulences atmosphériques.
Ce résultat démontre la faisabilité de fournir de l’électricité à des sites distants. À l'avenir, il devrait être appliqué au-transmission d'électricité à la demande vers des îles éloignées et des zones sinistrées-où les câbles électriques ne peuvent pas être installés.
Cette réalisation a été publiée dans le magazine britannique Electronics Letters le 5 août 2025.
Arrière-plan
Ces dernières années, les technologies de transmission d’énergie sans fil pour des appareils tels que les smartphones, les appareils portables, les drones et les véhicules électriques, qui peuvent fournir de l’électricité sans utiliser de câbles, ont suscité une attention croissante. Il existe deux types de systèmes de transmission d’énergie sans fil : l’un utilise des micro-ondes et l’autre des faisceaux laser. La transmission d’énergie sans fil par micro-ondes est déjà utilisée dans la pratique et son utilisation est en pleine expansion. D'autre part, la transmission optique de puissance sans fil à l'aide d'un faisceau laser n'a pas été mise en pratique, mais elle devrait permettre une transmission de puissance sans fil compacte à longue distance -de l'ordre de plusieurs kilomètres en tirant parti de la haute directivité du faisceau laser (Figure 1).
Les perspectives d'avenir envisagent le développement d'infrastructures de nouvelle-génération capables de fournir de l'électricité et d'étendre la couverture de communication dans des situations et des régions où l'électricité ou les réseaux de communication ne sont pas disponibles, comme lors de catastrophes, dans des îles isolées, des zones montagneuses ou en mer. Cela inclut la fourniture d’énergie précisément à des zones spécifiques ou à des plates-formes mobiles telles que des drones. Pour obtenir une fourniture d'énergie aussi précise et sur de longues distances,-exige une transmission d'énergie sans fil basée sur le laser-qui tire parti de sa forte directivité.
Défis des technologies existantes et réalisations de cette expérimentation
L'efficacité de la technologie de transmission de puissance optique sans fil est généralement faible, et l'amélioration de l'efficacité constitue un problème pour une utilisation pratique. L'une des raisons en est que lorsque le faisceau laser à longue -distance se propage, en particulier dans l'atmosphère, la répartition de l'intensité devient inégale et l'efficacité de la conversion du faisceau laser en énergie électrique dans l'élément de conversion photoélectrique devient faible.
Dans cette expérience, nous avons combiné la technologie de mise en forme du faisceau de NTT avec la technologie de réception de lumière de MHI pour améliorer l'efficacité de la transmission de puissance laser sans fil. Nous avons mené une expérience de transmission d'énergie optique sans fil longue distance dans un environnement extérieur en utilisant une technologie de mise en forme de faisceau plat longue distance qui façonne le faisceau côté transmission pour obtenir une intensité de faisceau uniforme après 1 kilomètre de propagation, et une technologie de nivellement du courant de sortie qui supprime l'influence des fluctuations atmosphériques avec un homogénéisateur et des circuits de nivellement du côté réception.
De janvier à février 2025, nous avons mené une expérience de transmission d'énergie optique sans fil sur la piste de l'aéroport de Nanki-Shirahama dans la ville de Shirahama, district de Nishimuro, préfecture de Wakayama (Figure 2). Une cabine d'émission équipée d'un système optique d'émission d'un faisceau laser a été installée à une extrémité de la piste, et une cabine de réception contenant un panneau de réception de lumière-a été placée à 1 kilomètre.
Pendant la transmission, l’axe optique du laser a été réglé à une faible hauteur d’environ 1 mètre au-dessus du sol et aligné horizontalement. En conséquence, le faisceau a été fortement affecté par le réchauffement du sol et le vent, et l’expérience a été menée dans des conditions de fortes turbulences atmosphériques.
À l’intérieur de la cabine de transmission, un faisceau laser d’une puissance optique de 1 035 W a été généré. À l'aide d'un élément optique diffractif (DOE)(Note3), le faisceau a été façonné pour créer une distribution d'intensité uniforme à une distance de 1 kilomètre. De plus, un miroir d’orientation du faisceau a été utilisé pour diriger avec précision le faisceau façonné vers le panneau de réception. Le faisceau est sorti par l’ouverture de la cabine de transmission et s’est propagé sur 1 kilomètre d’espace ouvert, pour finalement atteindre la cabine de réception.
Lors de la propagation, les turbulences atmosphériques ont provoqué des fluctuations dans l'intensité du faisceau, créant des points chauds. Ceux-ci étaient diffusés par un homogénéisateur dans la cabine de réception, ce qui permettait d'irradier un faisceau uniforme sur le panneau de réception. Le faisceau laser a ensuite été efficacement converti en énergie électrique (Figure 3). Un élément de conversion photoélectrique à base de silicium-a été adopté pour le panneau de réception, en tenant compte à la fois du coût et de la disponibilité.
Dans cette expérience, la puissance électrique moyenne extraite du panneau de réception était de 152 W (Figure 4), correspondant à une efficacité de transmission de puissance sans fil de 15 %, définie comme le rapport entre la puissance électrique reçue et la puissance optique transmise. Ce résultat représente l'efficacité de transmission de puissance optique sans fil la plus élevée au monde jamais démontrée à l'aide d'un élément de conversion photoélectrique à base de silicium- dans des conditions de fortes turbulences atmosphériques. De plus, la fourniture continue d'énergie a été maintenue avec succès pendant 30 minutes, confirmant la faisabilité d'une transmission d'énergie de longue durée-à l'aide de cette technologie.
Remarque : Du point de vue de la sécurité, le système de transmission optique et le panneau de réception ont chacun été installés à l'intérieur des cabines pour éviter toute exposition accidentelle à des faisceaux laser de haute -puissance et la diffusion de la lumière réfléchie.
Points forts techniques
Technologie de mise en forme de faisceau plat longue-distance
Pour améliorer l'efficacité de la conversion photoélectrique, il est nécessaire de rendre uniforme la répartition de l'intensité du faisceau incident sur l'élément de conversion photoélectrique.
Dans cette étude, nous avons proposé une méthode de mise en forme du faisceau qui permet d'uniformiser l'intensité après une propagation sur de longues -distances. Dans cette approche, la partie externe du faisceau est transformée en un motif en forme d'anneau - en utilisant l'effet d'une lentille axicon (Note4). La partie centrale du faisceau est modulée en phase-pour se dilater grâce à l'effet d'une lentille concave. Au fur et à mesure que le faisceau se propage, le faisceau en forme d'anneau - et le faisceau central élargi se chevauchent progressivement, ce qui entraîne une distribution uniforme de l'intensité à l'emplacement cible, comme le montre la figure 5.
Pour l'expérience, nous avons optimisé la conception du faisceau pour obtenir le profil d'intensité souhaité à une distance de 1 kilomètre. La mise en forme du faisceau a été mise en œuvre à l'aide d'un élément optique diffractif, qui a amélioré l'uniformité de l'intensité du faisceau à la position cible située à 1 kilomètre.
Technologie de nivellement du courant de sortie
Lorsque le faisceau laser se propage dans l’atmosphère, il est affecté par les turbulences atmosphériques, qui perturbent la répartition de l’intensité. Bien que la technique de mise en forme du faisceau plat-décrite ci-dessus puisse uniformiser la distribution d'intensité, de fortes turbulences peuvent toujours provoquer la formation de points de haute-intensité, comme le montre la figure 6.
Pour résoudre ce problème, nous avons placé un homogénéisateur de faisceau devant le panneau de réception de lumière-. L'homogénéisateur diffuse des spots de haute-intensité afin que le faisceau soit uniformément irradié sur le panneau. De plus, des circuits de nivellement ont été connectés à chaque élément de conversion photoélectrique sur le panneau de réception. Ces circuits aident à supprimer les fluctuations du courant de sortie causées par les turbulences atmosphériques et contribuent à stabiliser la puissance globale de sortie.
Ces deux technologies permettent d'obtenir une uniformité du faisceau dans une transmission kilométrique-, ce qui était difficile avec les méthodes de mise en forme de faisceau conventionnelles, et de stabiliser la sortie dans les environnements extérieurs. En conséquence, une alimentation électrique stable dans des endroits éloignés tels que des îles isolées et des zones touchées par des catastrophes-devrait devenir réalisable.
Rôle de chaque entreprise
NTT : Conception et mise en œuvre d'optiques de transmission telles que les techniques de mise en forme du faisceau
MHI : Conception et mise en œuvre d'optiques photodétecteurs telles que des panneaux photodétecteurs, des homogénéisateurs et des circuits de nivellement
Développements futurs
Cette technologie permet une transmission efficace et stable de l’énergie sur de longues distances, même sous des turbulences atmosphériques. Dans cette expérience, le silicium a été utilisé comme élément de conversion photovoltaïque. Cependant, en employant des dispositifs photovoltaïques spécialement conçus pour s'adapter à la longueur d'onde de la lumière laser, on peut s'attendre à une efficacité de transfert de puissance encore plus élevée. De plus, l’utilisation de sources de lumière laser ayant une puissance de sortie plus élevée permettrait de fournir de plus grandes quantités d’électricité.
Ainsi, une fourniture d'énergie flexible et rapide peut être obtenue dans des zones reculées telles que les régions sinistrées-et les îles isolées, où l'installation de câbles électriques est traditionnellement difficile. Au-delà des applications terrestres, un large éventail de nouveaux cas d'utilisation peuvent également être envisagés sur la base de cette technologie (Figure 7). Notamment, la directivité élevée et la faible divergence des faisceaux laser permettent la conception de dispositifs de réception compacts et légers. Il s’agit d’un avantage majeur pour les plates-formes mobiles confrontées à des limitations strictes en termes de poids et de capacité de charge utile.
Par exemple, en combinant cette technologie avec des techniques de direction de faisceau, il devient possible de fournir de l’énergie sans fil aux drones en vol. Cela évite les contraintes opérationnelles telles que l'atterrissage pour le remplacement de la batterie ou l'utilisation de câbles d'alimentation connectés, permettant un fonctionnement continu de longue durée-et sur de longues-distances. De telles capacités peuvent améliorer la surveillance des-zones sinistrées ainsi que le relais de communication-à grande échelle dans les régions montagneuses ou maritimes, des applications qui étaient auparavant difficiles à réaliser.
En outre, des applications potentielles dans l'espace sont attendues, notamment la fourniture d'énergie à des plates-formes mobiles telles que HAPS (High Altitude Platform Station)(Note5), qui relève de la marque spatiale de NTT, NTT C89(Note6). À plus long terme, la technologie pourrait être appliquée à l’alimentation des centres de données spatiaux et des rovers lunaires, ainsi qu’aux systèmes d’énergie solaire spatiaux dans lesquels l’électricité est transmise des satellites géostationnaires au sol via un laser. Ces applications représentent des domaines à fort potentiel d’expansion du marché.
Grâce à la collaboration entre NTT et MHI, nous avons réalisé la technologie de transfert de puissance laser sans fil la plus efficace au monde dans des conditions fortement affectées par les fluctuations atmosphériques. Cette réalisation représente une étape importante vers la construction d’une base technologique innovante capable de répondre à un large éventail de besoins sociétaux, de la réponse aux catastrophes au développement spatial.
