Research on optical phased array for high resolution imaging.

Optical phased array (OPA) is a promising beam steering technology for next generation optical sensing due to its unique advantages such as high reliability and high operation speed. On the other hand, in OPA, the phase of light emitted from numerous antennas must be precisely controlled, and the number of resolvable points in conventional design was limited to the number of optical antennas. Thus, there was an inherent tradeoff between the number of resolvable points and the system complexity. To address this issue, we have been working as below:

  • We are working on speckle-based single-pixel imaging (SSPI) using OPA (OPA-SSPI) [1,2]. In OPA-SSPI, the optical phase shifters are not required to be precisely controlled but instead they can be just randomly driven. As a result, the requirement for controlling the OPA can be drastically simplified. As an example, we have demonstrated that arbitrary phase shift is not required to acquire a fine image [2].

  • We have proposed and demonstrated that extremely high-resolution OPA can be realized by locating the antennas based on non-redundant array (NRA) instead of conventional uniformly-spaced array (UA). While the number of resolvable scales linearly with the number of antennas for the case of conventional UA-based OPA, it can scale quadratically for the case of NRA-based OPA (NROPA). As a result, we have demonstrated state-of-the-art number of resolvable points for an OPA without employing the wavelength sweeping scheme [3].

  • We have numerically demonstrated the feasibility of ultimately simplified and high-resolution imaging system by combining the NROPA and the SSPI [4].

  • In reality, there are phase errors in OPAs that originate from fabrication errors and so on, and thus optical phase monitoring circuits are required. We have designed and fabricated a NROPA with integrated phase monitors and have demonstrated accurate phase monitoring [5].

高分解能イメージングに向けた光フェーズドアレイに関する研究

高信頼性や高速性の観点から光フェーズドアレイ（OPA: optical phased array）は次世代光センシングに期待されている光偏向素子ですが、多数の光アンテナから出射される光の位相を同時に精密制御する必要があるとともに、空間分解点数が従来設計ではアンテナ数と同程度になってしまうため、空間分解能とシステムの複雑性の間にトレードオフの関係がありました。その結果として、これまでのOPAは空間分解点数が実用的に必要な分解点数を得ることが困難でした。我々は、OPAを用いた高分解能イメージングに向けて、以下の通り成果を上げてきました：

  • OPAの光移相器を精密制御ではなく疑似ランダム駆動することで得られるスペックル光を用いた単一ピクセルイメージング手法（SSPI: speckle-based single-pixel imaging）の研究を進めています[1,2]。ランダム駆動方式においては、信号処理によって画像を再構築するためスペックル光を用いても画像取得可能であるという特性があり、スペックル光同士が十分に独立になっていれば画像取得が可能です。精密な位相制御が不要となることにより、素子の駆動が大幅に簡略化されます。例えば、移相器が任意の移相を実現できなくても十分に画像取得可能であることを見出し実証しています[2]。

  • OPAの光アンテナを通常の等間隔配置ではなく非冗長アレイといわれる特殊な配置に基づき配置を行うことで極めて鋭いビームが得られることを見出し、実証しています[3]。通常の配置ではアンテナ数程度の空間分解点数しか得られないのに対し、非冗長アレイに従いアンテナを配置することでアンテナ数の二乗程度の空間分解能を実現することができます。これにより波長掃引を用いないOPAとしては最大規模の空間分解点数を持つOPAを実証しました。

  • 非冗長アレイに従いアンテナを配置したOPA（NROPA: non-redundant OPA）をSSPIに適用することで、極めて高分解能かつ駆動手法も簡略化されたイメージング系を実現可能であることを数値計算により示しています[4]。

  • 実際のOPAにおいては作製誤差等により位相誤差が存在し、これをモニタリングすることが必要であることが知られています。我々はNROPAに光位相モニタを集積したOPAを設計・作製し、これを実証しています[5]。

[1] S. Emara, T. Fukui, K. Komatsu, Y. Kohno, T. Tanemura, and Y. Nakano, “Optimization based on the condition number of the speckle patterns in single-pixel imaging using optical phased arrays,” Japanese Journal of Applied Physics, vol. 60, no. 7, 072006, 2021.

[2] S. Emara, T. Fukui, K. Komatsu, Y. Kohno, R. Tang, T. Tanemura, and Y. Nakano, “Single-pixel imaging using carrier-depletion optical phased array with reduced phase shift requirement,” IEEE Photonics Journal, vol. 13, no. 5, 6600105, 2021.

[3] T. Fukui, R. Tanomura, K. Komatsu, D. Yamashita, S. Takahashi, Y. Nakano, and T. Tanemura, “Non-redundant optical phased array,” Optica, vol. 8, no. 10, pp. 1350-1358, 2021.

[4] T. Fukui, K. Komatsu, Y. Nakano, and T. Tanemura, “Scalability of non-redundant optical phased array for speckle-based single-pixel imaging,” OptoElectronics and Communication Conference (OECC'22), TuE3-2, Toyama, Jul. 2022. (Refereed / Oral)

[5] S. Takahashi, T. Fukui, R. Tanomura, Y. Taguchi, Y. Ozeki, Y. Nakano, and T. Tanemura, “Characterization of Silicon Optical Phased Array with On-Chip Phase Monitors,” Photonics in Switching and Computing (PSC'22), MD2-2, Toyama, Jul. 2022.