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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 2021)
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。
2020年度は、前年度に実証した多モード光ファイバを用いたイメージング手法に関して、詳細な理論解析を行い、空間分解能を律速する条件を明らかにした。特に、光フェーズドアレイ上の位相変調器数ではなく、多モードファイバ中の伝搬モード数によって究極的な空間分解能が決められる点を初めて示した。また、前年度に考案した最小限の位相変調器数で高い空間分解能を達成するための最小冗長フェーズドアレイ素子について、シリコンフォトニクス回路の試作実装を終え、評価系を構築した。さらに、光フェーズドアレイ素子の制御回路系の簡略化に向けて、複数電極を統合する構成や駆動方式の簡略化手法を検討し、その有効性を数値計算により実証した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

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、および、波長掃引手法を組み合わせた2次元イメージング実験については、当初の予定通り、良好な実験結果を得ることができた。その上で、光ファイバ型イメージング手法の検討や、高空間分解能アレイ配置手法、複数電極の統合による制御駆動系の簡略化など、当初想定していなかった期待以上の結果も得られている。

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。
・イメージング分解能の向上に向けて、最適アレイ配置素子の特性を実験的に検証する
・パワーモニタを搭載した素子の特性を実験的に検証する
・制御系の簡略化に向けて、駆動方式の簡略化の影響を実験的に検証する

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(19 results)

All 2021 2020 2019 2018

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 4 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [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 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 Pages: 379-379

    • DOI

      10.1364/josab.408985

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

    • Author(s)
      Yusuke Kohno
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 27 Pages: 3817-3817

    • DOI

      10.1364/oe.27.003817

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [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
    • Related Report
      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
    • Related Report
      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)
    • Related Report
      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)
    • Related Report
      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)
    • Related Report
      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
    • Related Report
      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)
    • Related Report
      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)
    • Related Report
      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)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • 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
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Effect of limited phase shift on single-pixel imaging using optical phased array2019

    • Author(s)
      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
    • Related Report
      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

    • Author(s)
      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
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Large-scale silicon photonic phased array chip for single-pixel ghost imaging2019

    • Author(s)
      Y. Kohno, K. Komatsu, Y. Ozeki, Y. Nakano, and T. Tanemura
    • Organizer
      Optical Fiber Communication Conference
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [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

    • Author(s)
      福井太一郎, 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
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [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

    • Author(s)
      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
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [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: 2022-04-19  

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