High-speed imaging using semiconductor optical phased array

• Project/Area Number: 18H03769
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: The 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: ¥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

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

Research Products

• [Journal Article] Single-Pixel Imaging Using Multimode Fiber and Silicon Photonic Phased Array (2021)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Resolution limit of single-pixel speckle imaging using multimode fiber and optical phased array (2021)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ghost imaging using a large-scale silicon photonic phased array chip (2019)
  • Author(s): Yusuke Kohno
  • Journal Title: Optics Express Volume: 27 Pages: 3817-3817
  • DOI: 10.1364/oe.27.003817
  • 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
• [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
• [Presentation] Resolution enhancement of optical-phased-array-based single-pixel imaging by using a multimode fiber (2020)
  • Author(s): T. Fukui, Y. Nakano, and T. Tanemura
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single-pixel imaging through multimode fiber using silicon optical phased array chip (2020)
  • Author(s): T. Fukui, Y. Kohno, R. Tang, Y. Nakano, and T. Tanemura
  • Organizer: Optical Fiber Communication Conference (OFC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single-pixel imaging using optical phased array chip (2020)
  • Author(s): T. Tanemura, T. Fukui, K. Komatsu, Y. Kohno, and Y. Nakano
  • Organizer: Asia Communications and Photonics Conference (ACP)
  • 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
  • Invited
• [Presentation] Single-pixel speckle imaging using integrated optical phased array (2020)
  • Author(s): T. Tanemura, T. Fukui, and Y. Nakano
  • Organizer: IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series (SUM)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] On ghost imaging using multimode fiber and integrated optical phased array (2019)
  • 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)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single-pixel imaging using integrated optical phased arrays (2019)
  • Author(s): T. Tanemura, Y. Kohno, T. Fukui, and Y. Nakano
  • Organizer: Photonic Device Workshop (PDW)
  • 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
• [Presentation] Effect of limited phase shift on single-pixel imaging using optical phased array (2019)
  • 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
• [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
• [Presentation] Large-scale silicon photonic phased array chip for single-pixel ghost imaging (2019)
  • Author(s): Y. Kohno, K. Komatsu, Y. Ozeki, Y. Nakano, and T. Tanemura
  • Organizer: Optical Fiber Communication Conference
  • 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
• [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
• [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