2018 Fiscal Year Annual Research Report
Study on digital frontier photonic sensing based on omnipotent fiber lasers
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18H05238
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
山下 真司 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (40239968)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
セット ジ・イヨン 東京大学, 先端科学技術研究センター, 准教授 (20530827)
石榑 崇明 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (00291162)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 光ファイバレーザ / 光計測 / デジタル信号処理 / 短パルスレーザ / 波長可変レーザ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
導波路型カーボンナノチューブ（CNT）可飽和吸収素子の研究については、研究分担者の石榑らが考案した新規ポリマー光導波路の作製手法であるモスキート法を応用した検討を進めている。コア部へのCNTの添加量の最適化を検討することで、低ポンプ光強度条件下であっても安定した受動モード同期動作を実現し、可飽和吸収素子の作製条件によって、パルス幅、しきい値ポンプ光強度を制御できることを明らかにした。グラフェンについても可飽和吸収特性を確認した。また、グラフェン-SiN導波路についても受動モード同期動作を実現した。
オムニポテントファイバレーザについては、窒化ホウ素ナノチューブ(BNNT)で包んだCNTを用いることにより、可飽和特性を損なわずに高光パワー耐性を大きく向上させることができることを見出し、高繰り返しモード同期ファイバレーザを実現した。また光変調器を用いる方法でFigure-9ファイバレーザにハイブリッドモード同期をかけることができることを初めて示した。励起光変調能動モード同期ファイバレーザ、分散チューニングレーザについては波長1μm帯での動作を確認し、性能の向上を図っている。
これらのオムニポテントファイバレーザをコアとして、デジタルフロンティア光計測の研究を進めた。OCTについては、デジタルコヒーレント方式を用いたSS-OCTシステムで分散チューニングレーザの非線形掃引特性が補償できることを示した。さらに、圧縮センシングをSS-OCTに世界で初めて適用することで、SNと分解能を向上させることができること示した。LiDAR／３次元計測については、AMCW法LiDARについて偏波依存性を解消できる偏波スクランブル方式を考案し、その効果を実証している。また、波長掃引光源を用いたFMCW法LiDARについてもデジタルコヒーレント方式により非線形掃引特性の補償に成功している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
導波路型可飽和吸収素子の研究については、モスキート法CNT添加ポリマー光導波路のコア部へのCNT添加量の最適化を行い、作製条件によって、パルス幅、しきい値ポンプ光強度を制御できることを明らかにした。特許も出願している。それに加えて、グラフェンの添加も実現することができており、当初予定よりも順調に進んでいる。
オムニポテントファイバレーザについては、高光パワー耐性を大きく向上せることができることを見出して高繰り返しモード同期ファイバレーザを実現した他、光変調器を用いる方法でFigure-9ファイバレーザにハイブリッドモード同期をかけることができることを初めて示すなど、当初の計画を上回る数の新しいオムニポテントファイバレーザを実現して発表している。
デジタルフロンティア光計測についても、デジタルコヒーレント方式により非線形掃引特性の補償が可能であることを示すのみならず、圧縮センシングなどのデジタル信号処理や偏波スクランブル方式などの光信号処理を組み合わせることでOCT／LiDAR／３次元計測システムの性能向上を実証できており、当初の計画以上に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
導波路型可飽和吸収素子の研究については、昨年度に成功したCNTのコア部への添加・可飽和吸収素子作製手法を応用し、グラフェンを添加した導波路素子による安定した受動モード同期動作の実現を目指す。その上で、グラフェン添加素子に期待される「広波長帯でのモード同期レーザ発振の可能性を探求する。導波路型グラフェン光変調器については、昨年度に実現したパッシブな導波路のアクティブ化、および新規のスロット構造の設計・実現を目指す。
これらのモード同期デバイスをベースとして、オムニポテントファイバレーザの研究を推進する。BNNT-CNTを高繰り返しモード同期チップレーザに応用するとともに、波長2μm帯および波長3.5μm帯ファイバレーザのモード同期レーザの実現を目指す。さらに、昨年度に引き続き、励起光変調能動モード同期ファイバレーザ、Figure-9ハイブリッドモード同期ファイバレーザ、および新規に考案した偏波維持光ファイバの非線形偏波回転による受動モード同期ファイバレーザの検討とさらなる高性能化に努める。分散チューニングレーザについては昨年度に引き続き新しい波長域での実現を目指す。また、これらのレーザからの短パルスをシードとして、光計測に向けた広帯域かつ低雑音の光周波数コム発生の研究を進める。
これらのオムニポテントファイバレーザをコアとして、デジタルフロンティア光計測の研究を進める。OCTについては、昨年度に引き続きデジタルコヒーレント方式を用いたSS-OCTシステムに加えて圧縮センシングなどのデジタル信号処理手法によるさらなる性能向上を進める。また、光周波数コム／波長掃引光による微量ガス等の分光計測の研究を進めるとともに、短パルス光を用いた多光子顕微鏡を進める。LIDAR／３次元計測についても引き続き、デジタルコヒーレント方式とデジタル信号処理を活用することにおり高性能化を図る。
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