半導体光フェーズドアレイを用いた高速イメージング

• 研究課題/領域番号: 18H03769
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分21:電気電子工学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 種村 拓夫 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (90447425)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 43,550千円 (直接経費: 33,500千円、間接経費: 10,050千円); 2022年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円); 2021年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円); 2020年度: 9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円); 2019年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2018年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円)
• キーワード: 光集積デバイス / イメージング / 光フェーズドアレイ / 集積フォトニクス / 光イメージング

研究成果の概要

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イメージング手法を構築することを目的とした。まず、シリコンチップ上に128本の熱光学型位相制御器を集積した光フェーズドアレイ素子を設計・試作し、ゴーストイメージングの実証に成功した。また、多モードファイバに接続することで、高解像2次元イメージング機能を実証した。さらに、冗長性を排除したフェーズドアレイ素子を提案・作製し、19,000点以上の解像点数を達成した。一方、高速化に向けて、インジウムリン中のキャリア効果を利用した素子を設計・試作し、ナノ秒オーダーの応答速度を実証した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、まず、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初めて導入することで、従来課題であった精密な光位相制御を不要とし、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実証した。さらに、解像可能点数が光位相シフタ数の二乗でスケールする非冗長アレイ構成を新たに見出し、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となる空間分解点数を達成した点も、学術的意義が大きい。光集積フェーズドアレイを用いた小型かつ実用的なイメージング素子の実現可能性を実証したことにより、LIDAR（ライダー）や医療／生体イメージングなど、広範な産業分野への応用が期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Comparative analysis of speckle-based single-pixel imaging using uniform and non-redundant optical phased arrays (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Fukui, K. Komatsu, Y. Nakano, and T. Tanemura
  • 雑誌名: Journal of the Optical Society of America A 巻: 39 号: 12 ページ: 2325-2325
  • DOI: 10.1364/josaa.476683
  • 査読あり
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 種村拓夫, 福井太一郎, 小松憲人, 中野義昭
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 50 ページ: 463-467
• [雑誌論文] Non-redundant optical phased array (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Fukui, R. Tanomura, K. Komatsu, D. Yamashita, S. Takahashi, Y. Nakano, T. Tanemura
  • 雑誌名: Optica 巻: 8 号: 10 ページ: 1350-1358
  • DOI: 10.1364/optica.437453
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-Pixel Imaging Using Carrier-Depletion Optical Phased Array With Reduced Phase Shift Requirement (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Emara, T. Fukui, K. Komatsu, Y. Kohno, R. Tang, T. Tanemura, Y. Nakano
  • 雑誌名: IEEE Photonics Journal 巻: 13 号: 5 ページ: 6600105-6600105
  • DOI: 10.1109/jphot.2021.3113925
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Large-Scale Monolithic InP-Based Optical Phased Array (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Komatsu, Y. Kohno, Y. Nakano, T. Tanemura
  • 雑誌名: IEEE Photonics Technology Letters 巻: 33 号: 20 ページ: 1123-1126
  • DOI: 10.1109/lpt.2021.3107277
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optimization based on the condition number of the speckle patterns in single-pixel imaging using optical phased arrays (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Emara, T. Fukui, K. Komatsu, Y. Kohno, T. Tanemura, Y. Nakano
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 60 ページ: 072006-072006
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac0cb9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single-Pixel Imaging Using Multimode Fiber and Silicon Photonic Phased Array (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukui Taichiro、Kohno Yusuke、Tang Rui、Nakano Yoshiaki、Tanemura Takuo
  • 雑誌名: Journal of Lightwave Technology 巻: 39 号: 3 ページ: 839-844
  • DOI: 10.1109/jlt.2020.3008968
  • 査読あり
• [雑誌論文] Resolution limit of single-pixel speckle imaging using multimode fiber and optical phased array (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukui Taichiro、Nakano Yoshiaki、Tanemura Takuo
  • 雑誌名: Journal of the Optical Society of America B 巻: 38 号: 2 ページ: 379-379
  • DOI: 10.1364/josab.408985
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ghost imaging using a large-scale silicon photonic phased array chip (2019)
  • 著者名/発表者名: Kohno Yusuke、Komatsu Kento、Tang Rui、Ozeki Yasuyuki、Nakano Yoshiaki、Tanemura Takuo
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 27 号: 3 ページ: 3817-3817
  • DOI: 10.1364/oe.27.003817
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 非冗長光フェーズドアレイを用いた高分解能ビーム掃引 (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春期学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Scalability of non-redundant optical phased array for speckle-based single-pixel imaging (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Fukui, K. Komatsu, Y. Nakano, T. Tanemura
  • 学会等名: 27th OptoElectronics and Communications Conference / International Conference on Photonics in Switching and Computing 2022 (OECC/PSC’22)
  • 国際学会
• [学会発表] Characterization of silicon optical phased array with on-chip phase monitors (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Takahashi, T. Fukui, R. Tanomura, Y. Taguchi, Y. Ozeki, Y. Nakano, and T. Tanemura
  • 学会等名: 27th OptoElectronics and Communications Conference / International Conference on Photonics in Switching and Computing 2022 (OECC/PSC’22)
  • 国際学会
• [学会発表] Ultra-high-resolution beam steering using non-redundant optical phased array (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Fukui, R. Tanomura, K. Komatsu, D. Yamashita, S. Takahashi, Y. Nakano, and T. Tanemura
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO’22)
  • 国際学会
• [学会発表] 高解像イメージングに向けた光集積フェーズドアレイ (2022)
  • 著者名/発表者名: 種村拓夫, 小松憲人, 福井太一郎, 中野義昭
  • 学会等名: フォトニクス技術フォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] 高分解能イメージングに向けたシリコン集積光フェーズドアレイ (2022)
  • 著者名/発表者名: 種村拓夫, 小松憲人, 福井太一郎, 中野義昭
  • 学会等名: 第163回微小光学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 集積フォトニクスに基づく光波合成・検出素子の新展開 (2022)
  • 著者名/発表者名: 種村拓夫
  • 学会等名: 2022年国際光デー記念シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 非冗長光フェーズドアレイによる高分解能光掃引 (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春期学術講演会
• [学会発表] Monolithic InP 100-port optical phased array (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Komatsu, Y. Kohno, Y. Nakano, T. Tanemura
  • 学会等名: Frontiers in Optics
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of limited phase shift on single-pixel imaging using carrier-depletion silicon photonic phased array (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Emara, T. Fukui, K. Komatsu, Y. Kohno, T. Tanemura, Y. Nakano
  • 学会等名: 2021 OSA Imaging and Applied Optics Congress (IAOC)
  • 国際学会
• [学会発表] InP大規模光フェーズドアレイの実証 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小松憲人, 河野佑亮,中野義昭, 種村拓夫
  • 学会等名: 2021年電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [学会発表] Optical Phased Array with Pulse-Driven SOAs for Time-of-Flight LiDAR System (2021)
  • 著者名/発表者名: L. Qinpei, K. Komatsu, T. Fukui, T. Tanemura, Y. Nakano
  • 学会等名: 2021年電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [学会発表] 位相モニタ集積光フェーズドアレイ素子の検証 (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋期学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋期学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 福井太一郎, 中野義昭, 種村拓夫
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春期術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 梅崎敏和, 小松憲人, 福井太一郎, 中野義昭, 種村拓夫
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春期術講演会
• [学会発表] Resolution enhancement of optical-phased-array-based single-pixel imaging by using a multimode fiber (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Fukui, Y. Nakano, and T. Tanemura
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)
  • 国際学会
• [学会発表] Single-pixel imaging through multimode fiber using silicon optical phased array chip (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Fukui, Y. Kohno, R. Tang, Y. Nakano, and T. Tanemura
  • 学会等名: Optical Fiber Communication Conference (OFC)
  • 国際学会
• [学会発表] Single-pixel imaging using optical phased array chip (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Tanemura, T. Fukui, K. Komatsu, Y. Kohno, and Y. Nakano
  • 学会等名: Asia Communications and Photonics Conference (ACP)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 種村拓夫, 福井太一郎, 河野佑亮, 小松憲人, 中野義昭
  • 学会等名: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • 招待講演
• [学会発表] Single-pixel speckle imaging using integrated optical phased array (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Tanemura, T. Fukui, and Y. Nakano
  • 学会等名: IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series (SUM)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] On ghost imaging using multimode fiber and integrated optical phased array (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Fukui, Y. Nakano, and T. Tanemura
  • 学会等名: 24th OptoElectronics and Communications Conference / International Conference on Photonics in Switching and Computing 2019 (OECC/PSC)
  • 国際学会
• [学会発表] Single-pixel imaging using integrated optical phased arrays (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Tanemura, Y. Kohno, T. Fukui, and Y. Nakano
  • 学会等名: Photonic Device Workshop (PDW)
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
• [学会発表] Effect of limited phase shift on single-pixel imaging using optical phased array (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Emara, T. Fukui, Y. Nakano, and T. Tanemura
  • 学会等名: 電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 福井太一郎, 河野佑亮, 唐睿, 中野義昭, 種村拓夫
  • 学会等名: 応用物理学会秋期術講演会
• [学会発表] Large-scale silicon photonic phased array chip for single-pixel ghost imaging (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Kohno, K. Komatsu, Y. Ozeki, Y. Nakano, and T. Tanemura
  • 学会等名: Optical Fiber Communication Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 福井太一郎, 中野義昭, 種村拓夫
  • 学会等名: 電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 河野佑亮, 小松憲人, 小関泰之, 中野義昭, 種村拓夫
  • 学会等名: 電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
• [産業財産権] 光照射装置、イメージング装置、及びレーザー加工装置 (2019)
  • 発明者名: 種村拓夫, 福井太一郎, 中野義昭, 山下大之, 田之村亮汰
  • 権利者名: 種村拓夫, 福井太一郎, 中野義昭, 山下大之, 田之村亮汰
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2019