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 2022)
• 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。
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

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。

Research Products

• [Journal Article] Non-redundant optical phased array (2021)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Single-Pixel Imaging Using Carrier-Depletion Optical Phased Array With Reduced Phase Shift Requirement (2021)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Large-Scale Monolithic InP-Based Optical Phased Array (2021)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optimization based on the condition number of the speckle patterns in single-pixel imaging using optical phased arrays (2021)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [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 Issue: 3 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 Issue: 2 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): 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
  • 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
• [Presentation] Monolithic InP 100-port optical phased array (2021)
  • Author(s): K. Komatsu, Y. Kohno, Y. Nakano, T. Tanemura
  • Organizer: Frontiers in Optics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of limited phase shift on single-pixel imaging using carrier-depletion silicon photonic phased array (2021)
  • Author(s): S. Emara, T. Fukui, K. Komatsu, Y. Kohno, T. Tanemura, Y. Nakano
  • Organizer: 2021 OSA Imaging and Applied Optics Congress (IAOC)
  • 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
• [Presentation] Optical Phased Array with Pulse-Driven SOAs for Time-of-Flight LiDAR System (2021)
  • 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
• [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
• [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
• [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