研究内容

メタサーフェス光波制御デバイス

チップ表面に形成した波長以下の微細構造（メタサーフェスと呼ばれています）を用いると，入射光の波面や偏波状態を自在に操作する素子が実現できます。例えば，石英基板上にシリコンからなる楕円柱のナノポストアレイを作製し，その形状を適切に設計することで，垂直に入射された光を偏波成分（ストークスベクトル）毎に分離し，6つの異なる位置に配置したフォトディテクタに集光することができます。得られた光電流信号を用いて適切なデジタル信号処理（DSP）を施すことで，次世代光通信に向けた高速なデータ伝送実験に成功しました。

G. Soma et al., Optica (2023).

K. Komatsu et al., J. Lightwave Technol. (2024).

アクティブメタサーフェスを用いた高速波面変調器

メタサーフェスの内部に電気光学（EO: electro-optic）材料を埋め込むことで，入射光の強度と波面を高速に変調することができます。一例として，サブ波長回折格子構造内の共振を上手く利用し，垂直に入射された光を1 µm 以下の薄いEOポリマー膜の内部に強く局在化させて，効率良く変調する新しい光変調デバイスを提案し，実証に成功しました。このようなデバイスは，超並列光信号の同時変調や光波面を高速に合成することを可能にし，将来の光通信，イメージング，コンピューティングへの応用が期待されます。

J. Zhang et al., APL Photonics (2023).

光フェーズドアレイとイメージング応用

無線通信で用いられているフェーズドアレイアンテナを光の波長帯に適用し，数ミリ角の半導体チップ内に集積することで，高速なビームスキャナやイメージング素子が実現できます。アレイ状に並べた大量の光位相シフタを制御することで，任意の光波面を合成することが可能になり，例えば出射方向を高速に切り替えることができます。これまで当研究室では，100チャンネルを超える大規模な光フェーズドアレイ素子や，独自に提案した「非冗長アレイ」のコンセプトを用いた超高分解ビーム走査の実証などに成功しています。このような光デバイスは，将来の自動運転車や自律型ロボットにおいて必須となるLiDAR（レーザー光を用いた3次元イメージセンサ）をはじめとする様々なイメージング素子への応用が期待されます。デバイス開発だけでなく，これらを用いた単画素イメージングや圧縮センシング手法など，新しいコンピュテーショナルイメージング技術やアルゴリズムの探求も重要な研究テーマです。

T. Fukui et al., Optica (2021).

Y. Kohno et al., Opt. Express (2019).