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High-speed imaging using semiconductor optical phased array

Research Project

Project/Area Number 18H03769
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

種村 拓夫  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (90447425)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥43,550,000 (Direct Cost: ¥33,500,000、Indirect Cost: ¥10,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
Fiscal Year 2021: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000)
Fiscal Year 2020: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
Fiscal Year 2019: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
Fiscal Year 2018: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
Keywords集積フォトニクス / 光イメージング / 光集積デバイス / イメージング / 光フェーズドアレイ
Outline of Annual Research Achievements

本研究は、半導体チップに集積した大規模光フェーズドアレイを用いた高速かつ実用的なイメージング手法を構築することを目的としている。そのために、ゴーストイメージング手法を光集積フェーズドアレイ素子に導入することで、半導体チップ内での光位相の精密制御が必要なく、素子の作製誤差や環境変化に依存しない計測手法を新しく提案し、研究開発を進めている。より具体的に、シリコンもしくはインジウムリンに集積した光フェーズドアレイ素子を用いて、これらの手法の有効性を実証すると同時に、半導体のキャリア効果を利用した高速かつ小型なイメージング素子の実現し、LIDAR (ライダー) や医療/生体イメージング応用に展開することを目指している。
2021年度は、前年度に試作した非冗長フェーズドアレイ素子について、評価実験を行った。128個の熱光学式位相シフタを制御することで、19,000点以上の解像点数が得られることを実証した。これは、波長掃引を用いない光フェーズドアレイ素子の実証例としては過去最大の空間分解点数に相当する。また、解像可能点数が光位相シフタ数の二乗でスケールすることを理論的、および、実験的に明らかにした。また、キャリア効果型素子の評価も行い、ゴーストイメージング手法を適用することで必要な位相変化量が緩和されることを実証した。さらに、所望の光波を合成する上で全ての光位相シフタをチップ上で計測し、正確に制御するために、光位相モニタを集積したシリコンフォトニクスチップを実装し、制御回路系を構築した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初計画していた、シリコン光フェーズドアレイ素子を用いた1次元ゴーストイメージング実験、波長掃引手法を組み合わせた2次元イメージング実験、キャリア効果型素子の実証に加えて、光ファイバを組み合わせたゴーストイメージング手法や非冗長アレイ配置による高分解化手法など、当初想定していなかったコンセプトを考案し、理論的および実験的に有効性を実証している。特に、非冗長アレイ配置を用いることで過去最大の空間分解点数を実験的に得ることに成功しており、期待以上の成果が得られている。

Strategy for Future Research Activity

本研究で目標とする大規模光フェーズドアレイによる高速イメージング手法の構築に向けて、本年度は以下の研究開発項目を並行して進める。
・非冗長フェーズドアレイを用いたゴーストイメージング手法を理論的、及び、実験的に検証する。
・光位相モニタを搭載した素子の特性を実験的に検証し、光波面を制御できることを実証する。

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(30 results)

All 2022 2021 2020 2019 2018

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 3 results) Presentation (22 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 4 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Non-redundant optical phased array2021

    • Author(s)
      T. Fukui, R. Tanomura, K. Komatsu, D. Yamashita, S. Takahashi, Y. Nakano, T. Tanemura
    • Journal Title

      Optica

      Volume: 8 Issue: 10 Pages: 1350-1358

    • DOI

      10.1364/optica.437453

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Single-Pixel Imaging Using Carrier-Depletion Optical Phased Array With Reduced Phase Shift Requirement2021

    • Author(s)
      S. Emara, T. Fukui, K. Komatsu, Y. Kohno, R. Tang, T. Tanemura, Y. Nakano
    • Journal Title

      IEEE Photonics Journal

      Volume: 13 Issue: 5 Pages: 6600105-6600105

    • DOI

      10.1109/jphot.2021.3113925

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Large-Scale Monolithic InP-Based Optical Phased Array2021

    • Author(s)
      K. Komatsu, Y. Kohno, Y. Nakano, T. Tanemura
    • Journal Title

      IEEE Photonics Technology Letters

      Volume: 33 Issue: 20 Pages: 1123-1126

    • DOI

      10.1109/lpt.2021.3107277

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Optimization based on the condition number of the speckle patterns in single-pixel imaging using optical phased arrays2021

    • Author(s)
      S. Emara, T. Fukui, K. Komatsu, Y. Kohno, T. Tanemura, Y. Nakano
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 60 Pages: 072006-072006

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac0cb9

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Single-Pixel Imaging Using Multimode Fiber and Silicon Photonic Phased Array2021

    • Author(s)
      Fukui Taichiro、Kohno Yusuke、Tang Rui、Nakano Yoshiaki、Tanemura Takuo
    • Journal Title

      Journal of Lightwave Technology

      Volume: 39 Issue: 3 Pages: 839-844

    • DOI

      10.1109/jlt.2020.3008968

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Resolution limit of single-pixel speckle imaging using multimode fiber and optical phased array2021

    • Author(s)
      Fukui Taichiro、Nakano Yoshiaki、Tanemura Takuo
    • Journal Title

      Journal of the Optical Society of America B

      Volume: 38 Issue: 2 Pages: 379-379

    • DOI

      10.1364/josab.408985

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      2020 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Ghost imaging using a large-scale silicon photonic phased array chip2019

    • Author(s)
      Kohno Yusuke、Komatsu Kento、Tang Rui、Ozeki Yasuyuki、Nakano Yoshiaki、Tanemura Takuo
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 27 Issue: 3 Pages: 3817-3817

    • DOI

      10.1364/oe.27.003817

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      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 非冗長光フェーズドアレイによる高分解能光掃引2022

    • Author(s)
      福井太一郎, 田之村亮汰, 小松憲人, 山下大之, 高橋俊, 中野義昭, 種村拓夫
    • Organizer
      第69回応用物理学会春期学術講演会
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  • [Presentation] Monolithic InP 100-port optical phased array2021

    • Author(s)
      K. Komatsu, Y. Kohno, Y. Nakano, T. Tanemura
    • Organizer
      Frontiers in Optics
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of limited phase shift on single-pixel imaging using carrier-depletion silicon photonic phased array2021

    • Author(s)
      S. Emara, T. Fukui, K. Komatsu, Y. Kohno, T. Tanemura, Y. Nakano
    • Organizer
      2021 OSA Imaging and Applied Optics Congress (IAOC)
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      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] InP大規模光フェーズドアレイの実証2021

    • Author(s)
      小松憲人, 河野佑亮,中野義昭, 種村拓夫
    • Organizer
      2021年電子情報通信学会ソサイエティ大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Optical Phased Array with Pulse-Driven SOAs for Time-of-Flight LiDAR System2021

    • Author(s)
      L. Qinpei, K. Komatsu, T. Fukui, T. Tanemura, Y. Nakano
    • Organizer
      2021年電子情報通信学会ソサイエティ大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 位相モニタ集積光フェーズドアレイ素子の検証2021

    • Author(s)
      高橋俊, 福井太一郎, 田之村亮汰, 田口富隆, 小関泰之, 中野義昭, 種村拓夫
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋期学術講演会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 非冗長光フェーズドアレイによる超高分解能光偏向:提案と実証2021

    • Author(s)
      福井太一郎, 田之村亮汰, 小松憲人, 山下大之, 高橋俊, 中野義昭, 種村拓夫
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋期学術講演会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 多モードファイバと光フェーズドアレイを用いた単一ピクセルイメージングの分解能限界2021

    • Author(s)
      福井太一郎, 中野義昭, 種村拓夫
    • Organizer
      第68回応用物理学会春期術講演会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 単一ピクセルイメージングに適した高効率駆動型光集積フェーズドアレイ素子の解析2021

    • Author(s)
      梅崎敏和, 小松憲人, 福井太一郎, 中野義昭, 種村拓夫
    • Organizer
      第68回応用物理学会春期術講演会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Resolution enhancement of optical-phased-array-based single-pixel imaging by using a multimode fiber2020

    • Author(s)
      T. Fukui, Y. Nakano, and T. Tanemura
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Single-pixel imaging through multimode fiber using silicon optical phased array chip2020

    • Author(s)
      T. Fukui, Y. Kohno, R. Tang, Y. Nakano, and T. Tanemura
    • Organizer
      Optical Fiber Communication Conference (OFC)
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      2020 Annual Research Report 2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Single-pixel imaging using optical phased array chip2020

    • Author(s)
      T. Tanemura, T. Fukui, K. Komatsu, Y. Kohno, and Y. Nakano
    • Organizer
      Asia Communications and Photonics Conference (ACP)
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 光集積フェーズドアレイによる単一ピクセルイメージング2020

    • Author(s)
      種村拓夫, 福井太一郎, 河野佑亮, 小松憲人, 中野義昭
    • Organizer
      電子情報通信学会ソサイエティ大会
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      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Single-pixel speckle imaging using integrated optical phased array2020

    • Author(s)
      T. Tanemura, T. Fukui, and Y. Nakano
    • Organizer
      IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series (SUM)
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] On ghost imaging using multimode fiber and integrated optical phased array2019

    • Author(s)
      T. Fukui, Y. Nakano, and T. Tanemura
    • Organizer
      24th OptoElectronics and Communications Conference / International Conference on Photonics in Switching and Computing 2019 (OECC/PSC)
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Single-pixel imaging using integrated optical phased arrays2019

    • Author(s)
      T. Tanemura, Y. Kohno, T. Fukui, and Y. Nakano
    • Organizer
      Photonic Device Workshop (PDW)
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    • Invited
  • [Presentation] 深層学習による光集積フェーズドアレイ素子の駆動条件最適化手法の検討2019

    • Author(s)
      梅崎敏和, 福井太一郎, 田之村亮太, 山下大之, 河野佑亮, 中野義昭, 種村拓夫
    • Organizer
      電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Effect of limited phase shift on single-pixel imaging using optical phased array2019

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      S. Emara, T. Fukui, Y. Nakano, and T. Tanemura
    • Organizer
      電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 多モードファイバと光フェーズドアレイを用いた単一ピクセルイメージングの実証2019

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      福井太一郎, 河野佑亮, 唐睿, 中野義昭, 種村拓夫
    • Organizer
      応用物理学会秋期術講演会
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  • [Presentation] Large-scale silicon photonic phased array chip for single-pixel ghost imaging2019

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      Y. Kohno, K. Komatsu, Y. Ozeki, Y. Nakano, and T. Tanemura
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      Optical Fiber Communication Conference
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  • [Presentation] 光フェーズドアレイと多モードファイバによる高速イメージングの検討2019

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      福井太一郎, 中野義昭, 種村拓夫
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      電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
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  • [Presentation] 光フェーズドアレイによるランダム照明パターンを用いた2次元イメージング2018

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      河野佑亮, 小松憲人, 小関泰之, 中野義昭, 種村拓夫
    • Organizer
      電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 光照射装置、イメージング装置、及びレーザー加工装置2019

    • Inventor(s)
      種村拓夫, 福井太一郎, 中野義昭, 山下大之, 田之村亮汰
    • Industrial Property Rights Holder
      種村拓夫, 福井太一郎, 中野義昭, 山下大之, 田之村亮汰
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2019
    • Related Report
      2018 Annual Research Report

URL: 

Published: 2018-04-23   Modified: 2022-12-28  

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