(57)【要約】【課題】特に光ファイバの出力において光ビームの集束が可能になり、光マイクロ波インタフェース部においてエネルギーが集中するため、高いエネルギー効率が得られ、よって伝送されるエネルギーの損失が防止されるような光ファイバ用収束装置を提供する。【解決手段】半反射鏡３１と反射平面４２とからなり、該反射平面上に該光ファイバが開口し、該半反射鏡の平面が該反射平面にほぼ平行である光ファイバ用集束装置。光ビームの指向性は該半反射鏡の反射係数の関数である。開示された該装置は、特に光マイクロ波リンクの分野に適用可能であり、具体的には光コンポーネントからなるマイクロ波モジュールに適用可能である。同じく、該集束装置を備えた光ファイバ・アレー・アンテナが開示される。【選択図】図３
2006171045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半反射鏡と反射平面とからなり、前記反射平面上に光ファイバが開口し、前記半反射鏡の平面は前記反射平面にほぼ平行であり、光ビームの指向性が前記半反射鏡の反射係数の関数である、光ファイバ用集束装置。
【請求項２】
前記伝導平面が前記光ファイバの出力において前記光ファイバのシースを横断する平面である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記誘電体により前記２つの平面が隔てられており、前記誘電体は円形片で、前記光ファイバの前記シースを延長した形状を有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記半反射鏡が前記誘電体上に堆積させた層の形状を有する、請求項２に記載の光ファイバ用集束装置。
【請求項５】
前記半反射鏡が二酸化チタン（ＴｉＯ２）と二酸化シリコン（ＳｉＯ２）との混合物によって形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記半反射鏡が、ＴｉｘＳｉ１−ｘＯ２（０＜ｘ＜１）で表される種類の酸化物によって形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記出力ビームの指向性が、前記半反射鏡の反射係数によって制御される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記出力ビームの指向性が、前記反射係数の絶対値（ρ）によって制御される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記出力ビームの指向性が、前記反射係数の引数（Ψ）によって制御される、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
相互にほぼ平行な反射平面と半反射平面と、前記反射平面内に開口する光ファイバのアレーとからなるアンテナ。
【請求項１１】
前記アレーは線形である、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１２】
前記アレーは平面である、請求項１０に記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ用集束装置に関し、特に光マイクロ波リンクの分野に適用可能であり、詳しくは光コンポーネントからなるマイクロ波モジュールに適用可能である。
【０００２】
本発明は又、上記集束装置を備えた光ファイバ・アレー・アンテナに関する。
【０００３】
光コンポーネントは、レーダの用途に、より一般的にはマイクロ波技術を用いる用途に有利に用いられる。詳しくは、マイクロ波信号制御及び指令情報は光波によって搬送することができる。これは例えば、位相シフトダイオード制御回路に対する電子走査アンテナについて言えることである。詳しくは、光コンポーネントをマイクロ波スイッチに組み込んでもよい。光コンポーネントは特に、帯域幅が広いことと、マイクロ波寄生振動の影響を受けにくいという利点を有する。
【背景技術】
【０００４】
光波とマイクロ波とを結合する技術に関する繊細な問題の一つは、光マイクロ波接合の問題、すなわち光領域からマイクロ波領域への又はその逆の信号の通路の問題である。詳しくは、伝送される電力がこのような接合の経路において非常に劣化することである。光ファイバは、例えば制御信号を搬送するために、マイクロ波モジュールに用いられる。光信号は光ファイバの出力において光マイクロ波受信部に到達する。高いエネルギー効率を得るには、光マイクロ波インタフェース部においてエネルギーが集中するように、ファイバの出力において光ビームが比較的狭いこと、したがって高い指向性を有することが必要である。ファイバの出力において光ビームが広すぎると、伝送されるエネルギーのかなりの部分が失われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、特に光ファイバの出力において光ビームの集束を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的のために、本発明によれば、半反射鏡と反射平面とからなり、同反射平面上に光ファイバが開口し、同半反射鏡の平面は同反射平面にほぼ平行であり、光ビームの指向性が同半反射鏡の反射係数の関数であるような光ファイバ用集束装置が提供される。
【０００７】
同じく本発明によれば、相互にほぼ平行な反射平面と半反射平面と、同反射平面内に開口する光ファイバのアレーとからなるアンテナが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の他の特徴及び利点については添付図面を参照して以下に述べる説明から明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、シース２によって囲まれた光ファイバ１の略式断面図である。この光ファイバは例えばマイクロ波モジュールに組み込まれる。これは例えばマイクロ波信号によって変調された光信号を搬送する。この光ファイバはその出力で、例えば図示しない光電子コンポーネントに結合される。この光電子コンポーネントは光信号とマイクロ波信号との間の変換を行う。この変換で、例えばレーダにおいて、マイクロ波信号が復元され、この復元されたマイクロ波は次いで標準のマイクロ波回路によって処理される。光ファイバの出力での他のコンポーネント、特に光電子コンポーネントとの結合がその光ビーム３によって得られる。図１に見られるように、集束装置のないときには、光ファイバ１の出力での光ビームは広く、指向性が低い。この種の光ビームはエネルギー効率の見地から、最適ではない。実際、エネルギーの大部分が受信コンポーネントに伝達されない。
【００１０】
図２は、理想的な、集束された光ビーム３’ の場合を示し、集束光ビーム３’が伝送するエネルギーのすべてが受信コンポーネントに伝送可能である。この光ビームは指向性が高い。光ビームを集束する手法は存在する。この目的のためにレンズを用いることはもちろん可能である。しかしこの手法にはいくつかの欠点がある。詳しくはこの手法は、光ファイバの寸法に起因して位置決めと精密な設定を要するため、その実施と調整が複雑である。制約のある環境で用いる場合、例えば振動にさらされる場合には、これらの制約条件に耐えることが一層困難になる。これはさらに、余分なコストを発生させることになる。
【００１１】
図３は、光ファイバを備える本発明による集束装置の一実施例を例示する。照度を改善し指向性を増大させるために、この装置は、部分的に伝導性の平面３１とこれに平行な反射平面４２とを有し、この反射平面４２内に光ファイバ１が開口し、これによって放射開口が形成されている。反射平面は例えば、光ファイバ１からの出口においてシースを横断する平面であり、反射性を有する。
【００１２】
本発明による集束装置は、光ファイバ１の出口に設置される。したがって、平面状の半反射鏡３１が光ファイバ１出力から距離ｄだけ離れて位置する。この半反射鏡を光ファイバから距離ｄの位置に維持するために、誘電体３２が半反射鏡３１と光ファイバとの間に挿入される。誘電体３２は、例えばシリカの円形片で、例えばシースと同一の直径を有し、シースを延長した形状となる。半反射鏡３１は例えば誘電体であるシリカ円形片３２上に堆積させた二酸化チタン（ＴｉＯ２）と二酸化シリコン又はシリカ（ＳｉＯ２）との混合物によって形成される層である。誘電体３２は、特に光ファイバの出力における波の不整合を防止するために、光ファイバ１のコア部と同一の誘電率εを有するのが好ましい。比誘電率εｒは、例えば１．５の数値範囲にある。しかし、光ファイバ１の誘電率以外の誘電率値でも受け入れ可能である。誘電媒体は例えば大気である。半反射鏡３１の厚さは例えば０．２５λの数値範囲にある。ここでλは光ファイバ出力における光の波長である。したがって、もし光波が赤外線の範囲にある場合、半反射鏡の厚さは数十マイクロメータである。
【００１３】
図４は、本発明による装置の作用を説明図している。光ファイバ１はその軸線４１で表わされる。半反射鏡３１は反射平面４２から距離ｄだけ離れた位置に配置されている。上に示したように、反射平面は例えば光ファイバの出力におけるシース２の横断平面である。この平面は、金属製である。シースが金属製でない場合、この横断平面４２に金属層によるライニングを施してもよい。したがって、光ファイバ１と組み合わせた本発明によるこの装置は、反射平面４２の中心に、放射開口又は第１の放射光源Ｓ０（光ファイバの出力）を有する。前出の平面に平行な半反射鏡３１の平面は、第１放射光Ｒ０に加えて、振幅が順次減少する多重反射光Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、・・・を生じさせる。これらの多重反射光は第１放射光Ｒ０に平行である。図４は、光ファイバ１の軸線に対して角度αをなすこの第１放射光を示す。
【００１４】
図４にさらに示すように、これらの反射光は、第１放射光源Ｓ０の後に一連の像及び仮想放射光源Ｓ１、Ｓ２、・・・を形成する。２つの放射光源間のこの距離は、上記平面４２，３１間の距離の２倍に等しい。
【００１５】
半反射鏡３１の反射係数は、ρ.eｊΨで表される。ここで、Ψはこの光波鏡に適用される位相ずれである。すると、第１放射光Ｒ０及び反射放射光Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、・・・の振幅は、ρの数列からなる等比級数を形成する。したがって、電力反射係数はρ２であり、エネルギー保存の法則により、（１−ρ２）が電力透過係数である。半反射鏡３１を通過後の第１放射光Ｒ０の絶対値Ｍ０は、次の関係式で表される。
【数１】
2006171045.tif 000003
ここで、Ｅ０は光ファイバの軸線４１内及び光ファイバの出力における光波の振幅であり、f(α) Ｅ０はこの軸線４１に対して角度αをなす方向における光波の振幅である。Ｅ０は光源の出力、すなわち光ファイバの出力における光信号の強度であり、f(α)は光源パターンである。f(α) Ｅ０は、図１の光ファイバの光ビーム３で表される。
【００１６】
反射放射光の振幅は、第１の反射放射光Ｒ１については次の関係式で、表され、
【数２】
2006171045.tif 000004
第２の反射放射光Ｒ２については次の関係式で、表され、
【数３】
2006171045.tif 000005
第ｎ番目の反射放射光Ｒｎについては次の関係式で、表される。
【数４】
2006171045.tif 000006
【００１７】
半反射鏡３２の出力での光信号強度Ｅは、これらの部分放射光値のベクトル和からなり、無限大の平面に対しては、次の関係式で表される。
【数５】
2006171045.tif 000007
【００１８】
位相角θｎは、２つの平面４２、３１の間での多重反射による位相遅延と、伝送線の伝播遅れとの合成値である。放射光が半反射鏡３１を横切るときに付加的位相が現れる。しかし、これが反射放射光Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、・・・のすべてについて当てはまるとすれば、これについて考慮する必要がない。反射放射光Ｒ１と第１放射光Ｒ０との間の位相ずれ角度θ１は、これら２つの放射光間の光路差であり、したがって次の関係式で表される。
【数６】
2006171045.tif 000008
【００１９】
これらのうち、位相変化項は、誘電体３２を横切る間に現れる。この項は個々の放射光ごとに元に戻るので、位相差を表す場合には消去される。項−πは、反射平面４２上での反射時の位相反転に起因する。それから項Ψは、半反射鏡３１上での反射時に生じる。光路が同一なので、反射放射光Ｒ２とＲ１との間の位相ずれは放射光Ｒ１とＲ０との間の位相ずれに等しい。したがって、θ２＝２θ１である。繰り返しにより、θｎ＝ｎθ１となる。
【００２０】
さらに、ρが１より小さいことから、次の関係式が得られる。
【数７】
2006171045.tif 000009
関係式（１）及び関係式（３）の関係から、次の関係式が導かれる。
【数８】
2006171045.tif 000010
【００２１】
図５を参照すると、集束装置の出力における放射パターン５１の利得Ｓは、Ｅの絶対値を二乗し、それをＥ０２に対して標準化することにより、次の関係式で得られる。
【数９】
2006171045.tif 000011
なお、θ１は関係式（２）に基づいて定義される。
【００２２】
位相角αに加えて、関係式（２）及び関係式（５）中の設定可能な変数について説明すると、
・ρは反射係数の絶対値、
・Ψは反射係数の引数、
・ｄは２つの平面３１、４２間の距離、
・λは使用する光の波長、
・f(α)は光源パターン、である。
【００２３】
集束装置を通過した後、光ファイバ出力で可能最大の指向性を得るには、α＝０において放射が最大になることが必要、すなわち光ファイバの軸線４１内で、α＝０においてＳが可能最大値を得る必要がある。
【００２４】
この目的を達成するために、０、±π／２、及びπのうちで、最大放射Ｓが得られるθ１の値を探索することができる。これらのθ１値に対するｃｏｓθ１の値は、それぞれ１、０、及び−１となり、Ｓは次の関係式で与えられる。すなわち、
θ１＝０の場合、Ｓ＝(１＋ρ)/(１−ρ)、
θ１＝±π/２の場合、Ｓ＝(１−ρ２)/(１＋ρ２)、
θ１＝πの場合、Ｓ＝(１−ρ２)/(１＋２ρ＋ρ２)。
【００２５】
最も有利な事例はθ１＝０で得られる。光波長λが決められているので、パラメータΨ及びｄを変えてみることが可能である。指向性が反射係数の絶対値ρと共に増大することから、この絶対値ρが可能最大になるように半反射鏡３１を選ぶとさらに有利である。そうすれば、本発明による装置の出力において図５に示すような放射パターン５１を得ることが可能であり、図２の理想的な事例に近づく。ここで半反射鏡は、例えばＴｉＯ２−ＳｉＯ２の混合体からなる層で形成され、この混合体の反射係数の絶対値ρは制御することが可能である。詳しくは、反射係数はＴｉＯ２−ＳｉＯ２の混合体における二酸化チタン（ＴｉＯ２）の比率によって定められる。従って、出力ビームの指向性５１は、この比率を変更することによって制御可能である。
【００２６】
この複合材料は、ＴｉｘＳｉ１−ｘＯ２の構成の化合物でもよい。ここで、０＜ｘ＜１。
この場合、反射係数ρを制御するために、例えばモル分率ｘを変えることが可能である。
【００２７】
図６は、本発明によるアンテナの実施例を例示する。このアンテナは例えば赤外線領域で作動する。このアンテナは、Ｎ個の光ファイバ６１からなるアレーを有する。図６は、一次元のアレーを示すが、もちろん二次元アレーとしてもよい。個々の光ファイバ６１が反射平面４２０、例えば金属平面、の上に開口している。半反射平面３１０が、光ファイバの出力に対向する反射平面４２０に対して距離ｄだけ離れた位置に平行に設置される。これら２つの平面３１０，４２０は距離ｄだけ隔てられる。この距離と半反射鏡の反射係数のパラメータは、単一光ファイバの場合と同様に、出力ビーム６２について望ましい指向性が得られるように決定される。
【００２８】
光波は、制御装置６３によって制御される。
【００２９】
アンテナの放射パターンＧ(θ)は、次の関係式で与えられる。
【数１０】
2006171045.tif 000012
【００３０】
θはアンテナの軸線６４に対する観測角、ｇ(θ)は角θによって定められる方向における光源利得、そしてＦ(θ)は次の関係式で与えられるアレー・ファクタである。
【数１１】
2006171045.tif 000013
これにより、
【数１２】
2006171045.tif 000014
・ａｎはｎ番目の放射要素による発光振幅、
・ｄは放射要素間の距離、
・θ０はオフ・アライメント角
・λは発光波長
をそれぞれ表す。
【００３１】
図７ａ及び７ｂは、図６のアンテナのパターンを示す。
図７ａは、光源利得ｇ(θ)と、個々に採取したアレー・ファクタＦ(θ) ７１とを表す。
図７ｂは、ｇ(θ)とＦ(θ)との積を示す。このグラフは、得られたアンテナビームが高い指向性を有することを示す。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】光ファイバ及びその光ビームの断面図である。
【図２】別の光ファイバ及びその集束ビームの断面図である。
【図３】光ファイバの出力における本発明による装置の実施例を例示する。
【図４】本発明による装置の動作原理を例示する。
【図５】光ファイバと、本発明による装置によって指向性が増大されたその光ビームとを示す。
【図６】光ファイバ・アレーからなる本発明のアンテナ実施例を例示する。
【図７】上記アンテナのパターンを示す。
【符号の説明】
【００３３】
１    光ファイバ
２    シース
３    光ビーム
３’    集束光ビーム
３１，３１０    部分的伝導平面（半反射鏡）
３２    誘電体
４１    軸線
４２，４２０    反射平面
５１    放射パターン（ビーム指向性）
６１    光ファイバ
６２    出力ビーム
６３    制御装置
６４    軸線
７１  アレー・ファクター
【図１】
2006171045.tif 000015
【図２】
2006171045.tif 000016
【図３】
2006171045.tif 000017
【図４】
2006171045.tif 000018
【図５】
2006171045.tif 000019
【図６】
2006171045.tif 000020
【図７】
2006171045.tif 000021
【外国語明細書】
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2006171045000002.pdf
2006171045000003.pdf
2006171045000004.pdf