光学メタサーフェスを用いた空間・偏波ビーム多重器を実証 ―任意の直交ベクトルモード基底の変換を実現―

発表のポイント

多層メタサーフェスを用いた多入力多出力ベクトルビーム変換器の模式図

概要

東京大学大学院工学系研究科の相馬 豪 大学院生、種村 拓夫 教授らは、光学メタサーフェス（注1）を用いた多入力多出力ベクトルビーム変換器の実証に成功しました。光の波長よりも小さな微細構造からなる光学メタサーフェスと金反射膜を用いた小型デバイスで、入力された複数のビームを直交した偏波・空間モード（注2）に変換した上で、それらを重ね合わせた状態（すなわち、多重化した状態）で出力できることを初めて示しました。
多数の空間モードを多重化もしくは分離するには、これまでは複数の光学部品を複合的に組み合わせる必要があり、モジュール全体の小型化と低コスト化を妨げる要因になっていました。さらに偏波モード（注3）もあわせて分離するためには、追加で偏波ビーム分離器も必要でした。これに対して、本研究では光学メタサーフェス技術を用いることで、面積が約0.2 mm² 、厚さが約0.6 mmの小型素子により、多数の光ビームの空間・偏波モードを同時に変換して多重化した状態で出力するデバイスを実現しました。発光素子や受光素子との集積、及び、2次元並列化も可能であり、将来の自由空間光通信（注4）、大容量空間分割多重光通信（注5）、偏波依存ホログラフィックイメージング（注6）などさまざまな応用が期待されます。

発表内容

光の波長よりも小さな微細構造からなる光学メタサーフェスは、入射光の波面や偏波状態を自在に制御できるため、近年急速に注目を集めている技術です。これまでは、特にイメージングやセンシング分野を中心に実用化が進められており、平面型のレンズ（メタレンズ）や顔認証センサ用のドットプロジェクタ等に使用されています。
その一方で、これまでの光学メタサーフェスデバイスは、基本的に単一の空間分布を持つ光が入力されることを想定しており、多くの場合は単層や高々2層程度のメタサーフェスにより構成されていました。複数の異なる（直交した）空間・偏波分布を持つ光を同時に入力し、それぞれに対して異なる波面・偏波制御を施した上で出力するデバイスが実現すれば、光の持つ自由度を最大限に活用することが可能になり、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。そのような機能を実現するには、メタサーフェスを何層にも重ねる必要がありますが、そのようなデバイスの設計手法は確立しておらず、実験的な実証も報告されていませんでした。
これに対して本研究では、ジョーンズ行列随伴法という新しい最適化アルゴリズムを開発し、任意の多入力多出力空間・偏波モード変換デバイスを設計できることを示しました。さらにその一例として、6個の入力光をそれぞれ異なる空間・偏波モードの光に変換して出力する多重器を作製し、デバイス実証に成功しました。
本研究において実験的に実証した空間・偏波モード多重器の構成と顕微鏡像を図1に示します。厚みが約0.6 mmの石英基板の下面に、波長以下の大きさのシリコンナノポストを高密度に配置した反射型メタサーフェスを形成し、上面に金反射膜を堆積しています。

図1：光学メタサーフェスを用いた空間・偏波ビーム多重器の模式図と試作したデバイスの顕微鏡像

上面に形成した開口から入力された光は、メタサーフェスにおいて3回反射した後に、下面の開口から出力されます。これにより、3層に重ねたメタサーフェスを透過するのと同じ効果が得られます。メタサーフェスを適切に設計することで、6つの入力光に対して、それぞれ異なる空間・偏波モード変換を行い、多重化して出力することができます。このデバイスを逆向きに使用するとモード分離器にもなります。今回は、中心位置の異なる6通りのX偏波のガウシアンビームを入力した際に、それぞれが3つのLPモード（注7）のXもしくはY偏波モードに変換されて出力されるように、メタサーフェスを設計しました。実際に入力位置を変えながら出力光の空間強度分布と位相分布をX・Y各偏波成分について測定した結果を図2に示します。6個のビームのそれぞれがLP₀₁、LP_11a、LP_11b モードに変換されるだけでなく、偏波モードもX・Yの各方向に変換されている様子が分かります。

図2：試作したデバイスを用いた6モード変換実験の結果

今回実証したデバイスの入出力面に光ファイバや発光・受光素子を直接実装することで、超小型の空間分割多重光通信用送受信器が実現します。また、メタサーフェスを2次元アレイ状に並べることで、並列化した大容量光送受信器にも展開できます。さらに今回の実験では、光通信用のモード多重器を実証しましたが、より複雑な多モード偏波多重コヒーレント受信器（特願2023-215158、PCT/JP2024/043340）や空間モード多重ベクトルホログラフィ用デバイスについても設計を行い、それらの有効性を数値的に実証しています。本研究で開発した設計手法とデバイスプラットフォームは、任意の多入力多出力ベクトルビーム変換器に適用可能であり、次世代の光通信をはじめ、イメージングや光コンピューティングなど、幅広い分野への応用が期待されます。

〇関連情報：
「プレスリリース①光学メタサーフェスを用いた小型高速光受信器を開発 ―波長以下の微細構造で光の偏波成分を分離して受信―」（2023/5/17）
https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2023-05-17-003

「プレスリリース②垂直入射型コヒーレント光受信器を開発 ―Beyond 5G用の超高速・超小型光トランシーバ実現に期待―」（2022/8/24）
https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2022-08-24-001

発表者・研究者等情報

東京大学大学院工学系研究科

　相馬　豪　博士課程
　小松　憲人　研究当時：博士課程
　中野　義昭　研究当時：教授
　　現：豊田工業大学　副学長・教授、東京大学名誉教授
　種村　拓夫　教授

論文情報

雑誌名：Nature Communications

題　名：Complete vectorial optical mode converter using multi-layer metasurface

著者名：Go Soma*, Kento Komatsu, Yoshiaki Nakano, and Takuo Tanemura*

DOI：10.1038/s41467-025-62401-w

URL：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62401-w

研究助成

本研究は、国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT（エヌアイシーティー））の委託研究「革新的情報通信技術（Beyond 5G（6G））基金事業　要素技術・シーズ創出型プログラム（JPJ012368C08801）」により実施されました。

用語解説

（注1）光学メタサーフェス
波長よりも細かい構造体を平面上に高密度に配置することで、垂直に入射された光の波面を変換する素子。例えば、石英基板上にシリコンの微細構造を形成することにより実現される。

（注2）空間モード
光の伝搬方向に対して垂直な面内において、強度と位相の空間分布が異なるもの。自由空間やコア径の大きな多モードファイバでは、このような空間モードを多数定義することができ、これらを有効に活用することで、大容量の情報を伝送することができる。

（注3）偏波モード
光の電界成分の向きを表したもの。偏光とも呼ばれる。一般に、光の伝搬方向をZとすると、X／Y直線偏波モードに分離することができる。

（注4）自由空間光通信
自由空間を光（通常はレーザー光）を用いて通信する技術。宇宙光通信も含まれる。

（注5）空間分割多重光通信
複数の空間モードが存在する多モード光ファイバや多芯光ファイバを用いて、複数の空間モードの光に異なる情報をのせて伝送することで大容量の通信を行う技術。

（注6）ホログラフィックイメージング
光の波動としての性質を利用して、物体の3次元情報を記録・再生する技術。特に、光の偏波状態も利用するものは、偏波依存ホログラフィックイメージングと呼ばれる。

（注7）LPモード
一般的な円形コアの光ファイバ内を伝搬する光の空間分布を近似的に表したもの。コア径が小さな単一モードファイバでは、1つのLPモードしか存在しないが、コア径が大きな多モードファイバでは、複数のLPモードが存在し、それぞれ、光電界の分布形状に応じてLP₀₁、LP₁₁、 などの番号が付けられている。

プレスリリース本文：PDFファイル

Nature Communications：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62401-w