Construction of high-resolution three-dimensional imaging techhnology using semiconductor optical phased array

利用半导体光学相控阵构建高分辨率三维成像技术

• 批准号: 22KJ0885
• 负责人: 小松 憲人
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0885/
• 关键词: メタサーフェス; コヒーレント受信器; ナノフォトニクス

光フェーズドアレイに関する検討とともに、同様の光波面制御素子として、誘電体メタサーフェスの活用に関する研究を推し進めた。メタサーフェスは2次元平面内の偏波、位相を任意に制御できる垂直入射型素子で、レンズやホログラフィといったイメージング分野を中心に広く研究が行われている。私はメタサーフェスの光通信応用に着目し、コンパクトかつ空間多重化に対してスケーラブルな偏波多重コヒーレント受信器を提案した。従来は複雑な光学系や導波路型光集積回路で構築されていた光波変換をメタサーフェス1枚で実現し、必要なフォトディテクタ(PD)も従来の8個から5個に削減した。さらに、空間光学系の線形性を活用し、PDの数を増やすだけでマルチコアファイバによる空間多重通信に拡張できるという大きな利点を持っている。本年度は線形代数に基づいた受信感度の理論的な考察から始め、提案する受信器を実現するためのメタサーフェス設計方法を構築した。次に、SOQ(silicon on quartz)基板を用いて微小なシリコン楕円柱からなるメタサーフェスを作製する技術を開発した。電子線リソグラフィによるパターニング方法に加え、複数のエッチング手法の条件を調整し、垂直性、再現性の良い作製手法を確立した。さらに、作製したメタサーフェスを評価するための空間光学系を構築して作製した素子を評価し、設計とほぼ同一の強度、位相、偏波特性を得ることに成功した。本年度得られた成果は光学分野で代表的な国際学会であるCLEO (Conference on Lasers and Electro-Optics)に投稿し、口頭発表予定。また複数の国内研究会、シンポジウムにて発表した。

除了研究光学相控阵之外，我们还推动了使用介电超表面作为类似光学波前控制元件的研究。超表面是一种可以在二维平面内任意控制偏振和相位的垂直入射元件，在透镜、全息术等成像领域得到广泛研究。我专注于超表面的光通信应用，并提出了一种紧凑且可扩展的空间复用偏振复用相干接收器。传统上使用复杂的光学系统和波导型光学集成电路构建的光波转换现在可以通过单个超表面来实现，并且所需的光电探测器（PD）的数量已从八个减少到五个。此外，它还有一个巨大的优势，即可以利用空间光学系统的线性度，通过简单地增加PD数量来扩展到使用多芯光纤的空间复用通信。今年，我们从基于线性代数的接收器灵敏度理论研究开始，并开发了一种超表面设计方法来实现所提出的接收器。接下来，我们开发了一种技术，使用 SOQ（石英上硅）基板制造由微小硅椭圆柱组成的超表面。除了使用电子束光刻的图案化方法外，我们还调整了多种蚀刻方法的条件，建立了具有良好垂直性和再现性的制造方法。此外，他们构建了一个空间光学系统来评估制造的超表面并评估制造的元件，并成功获得了与设计几乎相同的强度、相位和偏振特性。今年获得的成果将提交给光学领域代表性国际学术会议CLEO（Conference on Lasers and Electro-Optics），并计划进行口头报告。他还曾在多个国内研究小组和研讨会上发表演讲。

项目成果

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

使用半导体光学相控阵元件进行高分辨率成像

• 发表时间: 2022
• 期刊: レーザー研究
• 作者: 種村拓夫;福井太一郎;小松憲人;中野義昭
• 通讯作者: 中野義昭

Scalability of non-redundant optical phased array for speckle-based single-pixel imaging

用于基于散斑的单像素成像的非冗余光学相控阵的可扩展性

• 发表时间: 2022
• 作者: T. Fukui;K. Komatsu;Y. Nakano;and T. Tanemura
• 通讯作者: and T. Tanemura

高分解イメージングに向けた光集積フェーズドアレイ

用于高分辨率成像的光学集成相控阵

• 发表时间: 2022
• 作者: 種村拓夫;小松憲人;福井太一郎;中野義昭
• 通讯作者: 中野義昭

Comparative analysis of speckle-based single-pixel imaging using uniform and non-redundant optical phased arrays

使用均匀和非冗余光学相控阵进行基于散斑的单像素成像的比较分析

• DOI: 10.1364/josaa.476683
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of the Optical Society of America A
• 作者: T. Fukui;K. Komatsu;Y. Nakano;and T. Tanemura
• 通讯作者: and T. Tanemura

Surface-Normal Dual-Polarization Coherent Receiver Using Dielectric Metasurface

使用介电超表面的表面法线双偏振相干接收器

• 发表时间: 2023
• 作者: Kento Komatsu;Go Soma;Keigo Mizukami;Shota Ishimura;Hidenori Takahashi;Masatoshi Suzuki;Yoshiaki Nakano;Takuo Tanemura
• 通讯作者: Takuo Tanemura