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High resolution imaging using semiconductor optical phased array and its application to LiDAR

Research Project

Project/Area Number 21J11982
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

福井 太一郎  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2021-04-28 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywords光フェーズドアレイ / 集積フォトニクス / 半導体フォトニクス
Outline of Research at the Start

本研究では半導体光フェーズドアレイを用いた高分解能画像取得技術を実現し、それを3次元光イメージングシステムであるLiDARへ展開することを目標とする。天文学用アンテナ配置に用いられる最小冗長アレイのコンセプトを初めて光フェーズドアレイに導入し、アレイの大規模化に依らず光フェーズドアレイの高分解能化を実証する。これにより、半導体光フェーズドアレイによる安価・小型・非機械式な高分解能LiDARの実現を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、まず、非冗長アレイ及び等間隔アレイのそれぞれに基づいた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手法に関し、詳細な理論解析及び数値解析を行った。その結果、等間隔アレイにおいてはアレイ要素数Nに対し得られる空間分解点数は2N-1点になること、それに比較して非冗長アレイを用いることでN2-N+1点まで空間分解点数が増大することを明らかにした。これにより、非冗長アレイの利点を理論・数値解析の両面から明確に示した。他方、非冗長アレイを用いることで信号対雑音比にペナルティが生じる点も示した。特に1/Nでビーム中の光パワーが減少してしまう点が明らかとなり、明確なデメリットといえる。また、位相モニタ集積光フェーズドアレイについても検証を進めた。素子設計、特に回折格子アンテナの設計の不備等により、多少不完全性はあるが、位相モニタで得られた信号と遠視野で確認された像との間に十分な相関が確認された。今後、得られた知見をもとに設計にフィードバックすることにより素子特性の改善が見込まれる。位相モニタ回路については理論的な検討も進め、理論的かつ定量的に位相誤差や光電流検出が遠視野像品質に与える影響について検討した。
加えて、昨年度発案した面入射型の光変調器構造については、昨年に引き続いて作製・解析・評価を進めた。まず、従来のSiを用いた高屈折率差格子に対し、InPによる高屈折率差格子を用いることで素子の大幅な高速化が可能となる点を定量的に示した。特に、Si型においては光損失を度外視しても3GHz程度、光損失を加味すれば300MHz程度の動作帯域しか得られないのに対し、InPを用いることで光損失の影響なく40GHz程度まで高速化が可能であることを示した。実験では、InP高屈折率差格子の作製技術等を開発し、素子を作製した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (20 results)

All 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 2 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 4 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Comparative analysis of speckle-based single-pixel imaging using uniform and non-redundant optical phased arrays2022

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

      Journal of the Optical Society of America A

      Volume: 39 Issue: 12 Pages: 2325-2325

    • DOI

      10.1364/josaa.476683

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 高分解能光掃引のための非冗長光フェーズドアレイ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
    • Journal Title

      光学

      Volume: 51 Pages: 268-268

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] 半導体光フェーズドアレイ素子を用いた高分解イメージング2022

    • Author(s)
      種村拓夫, 福井太一郎, 小松憲人, 中野義昭
    • Journal Title

      レーザー研究

      Volume: 50 Pages: 463-467

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [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] 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 Issue: 7 Pages: 072006-072006

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac0cb9

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 非冗長光フェーズドアレイを用いた高分解能ビーム偏向2023

    • 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
      応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Numerical investigation of high-speed surface-normal modulator using InP high-contrast grating2022

    • Author(s)
      T. Fukui, K. Sumita, M. Takenaka, S. Takagi, Y. Nakano, and T. Tanemura
    • Organizer
      International Semiconductor Laser Conference
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Scalability of non-redundant optical phased array for speckle-based single-pixel imaging2022

    • Author(s)
      T. Fukui, K. Komatsu, Y. Nakano, and T. Tanemura
    • Organizer
      OptoElectronics and Communication Conference
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ultra-high-resolution beam steering using non-redundant optical phased array2022

    • Author(s)
      T. Fukui, R. Tanomura, K. Komatsu, D. Yamashita, S. Takahashi, Y. Nakano, and T. Tanemura
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-Optics
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Characterization of Silicon Optical Phased Array with On-Chip Phase Monitors2022

    • Author(s)
      S. Takahashi, T. Fukui, R. Tanomura, Y. Taguchi, Y. Ozeki, Y. Nakano, and T. Tanemura
    • Organizer
      Photonics in Switching and Computing
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] InP高屈折率差格子と電気光学ポリマーを用いた垂直入射型光変調器の提案と数値解析2022

    • Author(s)
      福井太一郎, 隅田圭, 竹中充, 高木信一, 中野義昭, 種村拓夫
    • Organizer
      応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Single-pixel imaging using an integrated optical phased array and a multimode fiber2022

    • Author(s)
      T. Fukui, Y. Kohno, R. Tang, Y. Nakano, and T. Tanemura
    • Organizer
      IEEE Photonics Society Journal Club
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 高分解イメージングに向けた光集積フェーズドアレイ2022

    • Author(s)
      種村拓夫, 小松憲人, 福井太一郎, 中野義昭
    • Organizer
      応用物理学会微小光学研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [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
      応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Optical phased arrays for high-resolution imaging2021

    • Author(s)
      Taichiro Fukui, Yoshiaki Nakano, and Takuo Tanemura
    • Organizer
      Tsinghua University - The University of Tokyo Joint Symposium 2021
    • Related Report
      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
      応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      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
      応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Optical phased array with pulse-driven SOAs for Time-of-Flight LiDAR system2021

    • Author(s)
      Qinpei Liu, Kento Komatsu, Taichiro Fukui, Takuo Tanemura, and Yoshiaki Nakano
    • Organizer
      電子情報通信学会ソサイエティ大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] Taichiro Fukui's Website

    • URL

      https://sites.google.com/view/taichirofukui/main

    • Related Report
      2022 Annual Research Report 2021 Annual Research Report

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Published: 2021-05-27   Modified: 2024-03-26  

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