(57)【要約】【課題】パラメータとして光周波数を制御することにより機械的な可動部分無しで当該光周波数に対応するように光を偏向させることができる光出力方法を提供する。【解決手段】光出力方法は、通信データを重畳したレーザ光を、その光周波数を選択的に変化させて、光信号形成部から出力する。レーザ光を分岐配置して相互に並行な複数のビームを形成すると共に、光信号形成部から出力されたレーザ光に対して光出力部４において第１の方向とこれと異なる第２の方向とで異なる遅延を与えることにより、光周波数の相違に応じて複数のビームの位相を逐次的に変化させ当該干渉したビームの伝搬方向を２次元に走査させる。【選択図】図１
2006323175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光周波数を選択的に変化させたレーザ光を光信号形成部から出力し、
当該レーザ光を分岐配置して相互に並行な複数のビームを形成すると共に、前記光信号形成部から出力されたレーザ光に対して光出力部において第１の方向とこれと異なる第２の方向とで異なる遅延を与えることにより、当該光周波数の相違に応じて前記複数のビームの位相を逐次的に変化させ当該干渉したビームの伝搬方向を２次元に走査させる
ことを特徴とする光出力方法。
【請求項２】
前記光出力部は、レーザ光源から出力されたレーザ光に第１の方向で直行する軸に前記レーザ光に第１の角度をなすように配置された第１及び第２の反射面と、前記レーザ光に第２の方向で直行する軸に第２の角度をなすように配置された第３及び第４の反射面とからなり、
前記第１及び第２の反射面は前記レーザ光源から近い位置に第１の間隔で平行に設けられ、前記第３及び第４の反射面は前記レーザ光源から遠い位置に第２の間隔で平行に設けられ、
前記第１及び第３の反射面はミラー面からなりかつ前記第２及び第４の反射面は段階的な反射率を有するビームスプリッタ面からなるか、又は、前記第１及び第３の反射面は段階的な反射率を有するビームスプリッタ面からなりかつ前記第２及び第４の反射面はミラー面からなる
ことを特徴とする請求項１記載の光出力方法。
【請求項３】
前記光信号形成部において、前記レーザ光に通信データを重畳すると共に、光受信器の逐次的に変化する位置に応じて定まる追尾方向検出情報に応じて前記光周波数を選択的に変化させるための光周波数変調信号を光周波数変調器から出力し、前記光周波数変調器から出力された光周波数変調信号に基づいて変化させられた光周波数を有するレーザ光をチューナブルレーザから当該光周波数の相違に応じて定まる方向へ出力する
ことを特徴とする請求項１記載の光出力方法。
【請求項４】
前記光信号形成部において、前記レーザ光に通信データを重畳すると共に、前記通信データに応じて予め定められた前記光周波数を選択させるための光周波数変調信号を光周波数変調器から出力し、前記光周波数変調器から出力された光周波数変調信号に基づいて選択させられた光周波数を有するレーザ光をチューナブルレーザから出力し、
前記光出力部から出力される複数のビームを、フーリエ変換用の集光用レンズにより集光して、当該光周波数の相違に応じて定まる方向に出力する
ことを特徴とする請求項１記載の光出力方法。
【請求項５】
前記光信号形成部において、複数の通信データチャンネルの各々に対応して設けられ異なる光周波数のレーザ光を出力する複数のレーザ光源により、前記通信データチャンネルから出力された通信データを重畳した複数のレーザ光を多重化して出力し、
前記光出力部から出力される複数のビームを、フーリエ変換用の集光用レンズにより集光して、当該光周波数の相違に応じて定まる方向に出力する
ことを特徴とする請求項１記載の光出力方法。
【請求項６】
光周波数を選択的に変化させたレーザ光を出力する光信号形成部と、
当該レーザ光を分岐配置して相互に並行な複数のビームを形成すると共に、前記光信号形成部から出力されたレーザ光に対して第１の方向とこれと異なる第２の方向とで異なる遅延を与えることにより、当該光周波数の相違に応じて前記複数のビームの位相を逐次的に変化させ当該干渉したビームの伝搬方向を２次元に走査させる光出力部とを備える
ことを特徴とする光出力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、光出力方法及び光出力装置に関し、特に、光通信における光送信機の機械的可動部分を除去して、高速な空間光スイッチングを高効率に実現する光出力方法及び光出力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光を走査させる技術としては、鏡や音響光学媒体を機械的に動かす方式（第１の方式）、実時間書き換えが可能なホログラムを用いる方式（第２の方式）、フェーズドアレイを用いたビーム走査方式（第３の方式）等が知られている。
【０００３】
例えば、図９（Ａ）に示すような多段ビームシフト型光スイッチや、図９（Ｂ）に示すようなホログラム型光スイッチ等の１×Ｎのフリースペース光スイッチが提案されている（非特許文献１参照）。また、図１０に示すような光ファイバを用いた光フェーズドアレイが提案されている（非特許文献２参照）。
【非特許文献１】山口ほか、NTT R&D, Vol.41, No.8, (1992)
【非特許文献２】稲垣ほか、電子情報通信学会論文誌、Vol.J80-B2, No.5, pp.397-405 (1997)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、前記第１の方式において鏡を用いる方式や前記第２の方式の場合、応答速度が遅いと言う問題があり、前記第１の方式において音響光学媒体を用いる方式の場合、応答速度は速いが、０次回折光が生じるため変換効率が悪いと言う問題がある。また、前記第３の方式で複数の光源を用いる場合、光位相同期回路やビーム数分の位相変調器等が必要となるため、制御すべきパラメータが多くなり、また、システムの構成が複雑になると言う問題がある。
【０００５】
例えば、図９（Ａ）に示す多段ビームシフト型光スイッチの場合、偏光制御素子で光路を切り替えるために、応答速度が遅いと言う問題がある。また、図９（Ｂ）に示すホログラム型光スイッチの場合、液晶で光路を切り替えるために、応答速度が遅いと言う問題がある。従って、従来の１×Ｎのフリースペース光スイッチを用いて高速に１×Ｎのスイッチングを行うには限界がある。
【０００６】
また、図１０に示す光ファイバを用いたフェーズドアレイの場合、ビームの本数（ファイバの本数）だけ光周波数を位相同期させるための回路が必要になり、各々の位相を制御しなくてはならないため、システムが複雑になる問題がある。また、光ファイバのクラッド層により素子間隔を狭くすることができず、又は、素子間隔と比較して光ファイバ内のモードフィールド径を大きくすることができず、グレーティングローブが発生すると言う問題がある。
【０００７】
本発明は、パラメータとして光周波数を制御することにより機械的な可動部分無しで当該光周波数に対応するように光を偏向させることができる光出力方法を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、パラメータとして光周波数を制御することにより機械的な可動部分無しで当該光周波数に対応するように光を偏向させることができる光出力装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光出力方法は、光周波数を選択的に変化させたレーザ光を光信号形成部から出力し、当該レーザ光を分岐配置して相互に並行な複数のビームを形成すると共に、前記光信号形成部から出力されたレーザ光に対して光出力部において第１の方向とこれと異なる第２の方向とで異なる遅延を与えることにより、当該光周波数の相違に応じて前記複数のビームの位相を逐次的に変化させ当該干渉したビームの伝搬方向を２次元に走査させる。
【００１０】
また、好ましくは、本発明の光出力方法においては、前記光出力部は、レーザ光源から出力されたレーザ光に第１の方向で直行する軸に前記レーザ光に第１の角度をなすように配置された第１及び第２の反射面と、前記レーザ光に第２の方向で直行する軸に第２の角度をなすように配置された第３及び第４の反射面とからなる。前記第１及び第２の反射面は前記レーザ光源から近い位置に第１の間隔で平行に設けられ、前記第３及び第４の反射面は前記レーザ光源から遠い位置に第２の間隔で平行に設けられる。前記第１及び第３の反射面はミラー面からなりかつ前記第２及び第４の反射面は段階的な反射率を有するビームスプリッタ面からなるか、又は、前記第１及び第３の反射面は段階的な反射率を有するビームスプリッタ面からなりかつ前記第２及び第４の反射面はミラー面からなる。
【００１１】
また、好ましくは、本発明の光出力方法は、前記光信号形成部において、前記レーザ光に通信データを重畳すると共に、光受信器の逐次的に変化する位置に応じて定まる追尾方向検出情報に応じて前記光周波数を選択的に変化させるための光周波数変調信号を光周波数変調器から出力し、前記光周波数変調器から出力された光周波数変調信号に基づいて変化させられた光周波数を有するレーザ光をチューナブルレーザから当該光周波数の相違に応じて定まる方向へ出力する。
【００１２】
また、好ましくは、本発明の光出力方法は、前記光信号形成部において、前記レーザ光に通信データを重畳すると共に、前記通信データに応じて予め定められた前記光周波数を選択させるための光周波数変調信号を光周波数変調器から出力し、前記光周波数変調器から出力された光周波数変調信号に基づいて選択させられた光周波数を有するレーザ光をチューナブルレーザから出力する。前記光出力部から出力される複数のビームを、フーリエ変換用の集光用レンズにより集光して、当該光周波数の相違に応じて定まる方向に出力する。
【００１３】
また、好ましくは、本発明の光出力方法は、前記光信号形成部において、複数の通信データチャンネルの各々に対応して設けられ異なる光周波数のレーザ光を出力する複数のレーザ光源により、前記通信データチャンネルから出力された通信データを重畳した複数のレーザ光を多重化して出力する。前記光出力部から出力される複数のビームを、フーリエ変換用の集光用レンズにより集光して、当該光周波数の相違に応じて定まる方向に出力する。
【００１４】
本発明の光出力装置は、光周波数を選択的に変化させたレーザ光を出力する光信号形成部と、当該レーザ光を分岐配置して相互に並行な複数のビームを形成すると共に、前記光信号形成部から出力されたレーザ光に対して第１の方向とこれと異なる第２の方向とで異なる遅延を与えることにより、当該光周波数の相違に応じて前記複数のビームの位相を逐次的に変化させ当該干渉したビームの伝搬方向を２次元に走査させる光出力部とを備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の光出力方法及び光出力装置によれば、レーザ光の光周波数（のみ）をパラメータとして選択的に変化させ、当該レーザ光を分岐して並行な複数のビームを形成すると共に、当該レーザ光に対して第１及び第２の方向に各々異なる遅延を与える。これにより、後述するように、当該光周波数の相違に応じて前記複数のビームの位相を逐次的に変化させ当該干渉したビームの伝搬方向を２次元に走査させる。即ち、これも後述するように、光の周波数を制御することにより形成した光フェーズドアレイを用いて２次元にビームを走査する。これにより、機械的な可動部分無しでビームを偏向させることができる。
【００１６】
従って、機械的な可動部分が無く、光学的にスイッチングを制御するので、応答速度を速くすることができる。例えば、従来のように偏光制御素子や液晶で光路を切り替える必要がないので、応答速度を速くすることができる。更に、制御すべきパラメータが光周波数のみであるので、制御を容易にすることができ、また、装置の構成を簡易なものとすることができる。
【００１７】
また、本発明の光出力方法によれば、前記光出力部は、レーザ光に第１及び第２の角度をなすように配置された２組のミラー面及びビームスプリッタ面からなる。これにより、効率良くレーザ光に対して第１及び第２の方向に各々異なる遅延を与えることができ、比較的容易な手段により、当該レーザ光を分岐した並行な複数のビームの伝搬方向を２次元に走査させることができる。また、後述するように、０次回折光が生じることを無くし効率を良くすることができる。
【００１８】
また、本発明の光出力方法によれば、光受信器の逐次的に変化する位置に応じて定まる追尾方向検出情報に応じて光周波数を選択的に変化させる。これにより、チューナブルレーザからのレーザ光を当該光周波数の相違に応じて定まる方向、即ち、追尾方向検出情報の示す方向へ出力することができる。これにより、追尾方向検出情報に応じて光周波数を変化させるだけで、他のパラメータを制御するまでも無く、当該レーザ光により光受信器を追尾することができる。また、複数の光源を用いないので、装置の構成を簡易なものとすることができる。例えば、従来のようにビームの本数（即ち、光ファイバの本数）だけ回路を設けて各々の位相を制御する必要がないので、装置の構成を簡易なものとすることができる。
【００１９】
また、本発明の光出力方法によれば、通信データに応じて予め定められた光周波数を選択させる。これにより、チューナブルレーザからのレーザ光を当該光周波数の相違に応じて定まる方向、即ち、通信データにより定まる方向へ出力することができる。これにより、通信データに応じて光周波数を変化させるだけで、他のパラメータを制御するまでも無く、通信データにより定まる方向へレーザ光を出力することができる。また、複数の光源を用いないので、装置の構成を簡易なものとすることができる。例えば、従来のようにビームの本数だけ回路を設けて各々の位相を制御する必要がないので、装置の構成を簡易なものとすることができる。
【００２０】
また、本発明の光出力方法によれば、複数の通信データチャンネルに応じて予め定められた光周波数のレーザ光を多重化して出力させる。これにより、複数のレーザ光源からのレーザ光を当該光周波数の相違に応じて定まる方向、即ち、通信データのチャンネルにより定まる方向へ出力することができる。これにより、通信データチャンネルに応じて、他のパラメータを制御するまでも無く、通信データチャンネルにより定まる方向へレーザ光を出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は光出力装置の構成図であり、本発明の光出力方法を実現する光出力装置の構成の一例を示す。この例は、本発明の光出力装置を光送信器（送信機）として用いその遠方に非静止の光受信器５がある場合の例であり、本発明の光出力方法を実現する光出力装置を光フェーズドアレイアンテナとして用いる場合の例である。
この光出力装置は、通信データ部１、光周波数変調器２、レーザ光源３、光出力部４を備える。この光出力装置は、通信データを光通信により光受信器（受信機）５に対して送信する光送信機である。この例において、光受信器５は、非静止光受信器からなり、例えば高速で移動する人工衛星等の移動体に搭載される。従って、光受信器５の移動方向及び移動速度の概略は、予め知ることができる。なお、図１において、光出力部４は、その特徴を示すために、その出力である平行なＭ×Ｍ個（本）のレーザ光を模式的に描くことにより示している（図６及び図７において同じ）。
【００２２】
通信データ部１、光周波数変調器２及びレーザ光源３は、光信号形成部を構成する。光信号形成部は、通信データを重畳したレーザ光をその光周波数を選択的に変化させて出力する。この出力は光出力部４に入力される。
【００２３】
光信号形成部において、通信データ部１は、送信すべきデータである通信データを出力し、例えばコンピュータ等からなる。通信データは、例えば「０」又は「１」のデジタル信号からなるシリアルデータからなる。この通信データは光周波数変調器２に順次入力される。
【００２４】
光周波数変調器２は、周知の光変調器からなり、通信データを重畳すると共に、光信号（レーザ光）の光周波数を選択的に変化させるための光周波数変調信号を出力する。この光周波数変調信号はレーザ光源３に入力される。光周波数変調器２は、後述するように、追尾方向検出情報に従って光周波数を選択し、通信データの「０」又は「１」に応じて光変調する。即ち、通信データが「０」の場合には例えば光周波数ν0を選択し、通信データが「１」の場合には光周波数νtを選択する。光周波数νtは、追尾方向検出情報に従って、ν1、ν2及びνn（予め定められた選択の範囲）のいずれかの値とされる。実際には、レーザ光源３がそのような光周波数νtのレーザ光を出力するような光周波数変調信号を出力する。これにより、光周波数νtに対応する通信相手へ通信データ（情報）を送信することができる。
【００２５】
この例では、光周波数は、光受信器５の逐次的に変化する位置に応じて定まる追尾方向検出情報に応じて、変化させられる。このために、この例の光出力装置は、光受信器５の搭載された人工衛星を追尾してその位置を示す情報である追尾方向検出情報を生成する手段を備える（図示せず）。この手段としては、周知の衛星追尾手段を用いれば良い。
【００２６】
なお、前述の通信データの「０」に対応する光周波数ν0の光信号は、追尾方向とは別方向に出力されるが、光信号が受信されないことで、光受信器５はデータ「０」を検出することができる。また、通信データの「０」に対応する光周波数ν0の光信号も光出力部４から出力されるが、例えばこれをフィードバックすることにより、光出力部４の出力するビームの出力方向のキャリブレーション（校正）に使用するようにしても良い。
【００２７】
レーザ光源３は、光周波数変調器２から出力された光周波数変調信号に基づいて変化させられた光周波数を有するレーザ光（光信号）Ｌを出力する（１個のビームを出力する）。この例では、レーザ光源３は、その光周波数を予め定められた範囲で選択的に変化させることができる周知のチューナブルレーザからなる。例えば、レーザ光源３は、光周波数νtのレーザ光を出力させる光周波数変調信号に応じて、例えば光周波数νtのレーザ光（１個のビーム）Ｌを出力する。
【００２８】
光出力部４は、光信号形成部のレーザ光源３から出力されたレーザ光Ｌに対して、第１の方向とこれと異なる第２の方向とで異なる遅延を与える。第１の方向はｘ軸方向であり、第２の方向はｘ軸方向に直行するｙ軸方向である。これにより、光出力部４は、当該レーザ光（１個のビーム）Ｌを分岐配置して相互に並行な複数の（Ｍ×Ｍ本の）ビームを形成すると共に、当該光周波数の相違に応じて複数のビームの位相を逐次的に変化させることにより当該干渉したビームの伝搬方向を２次元に走査させる。
【００２９】
光出力部４は、基本的には、図２〜図５に示すように、特許第３０６９７０３号に記載の光分岐装置からなる。但し、特許第３０６９７０３号においては、光出力部４に入力される光信号の光周波数は固定であるが、本発明においては、前述のように、光周波数を選択的に変化させ、これにより、複数のビームの位相を変化させる。更に、特許第３０６９７０３号においては、第１及び第２の反射面の間の距離と第３及び第４の反射面の間の距離との関係は考慮されないが、本発明においては、後述するように、所定の遅延を与える関係とされ、これにより、複数のビームを２次元に走査すると共にその中で干渉により最大強度となる１個のビームを２次元に走査する。
【００３０】
即ち、移動する光受信器５がビーム偏向方向に存在することになるように光周波数νｔを選択し、これに基づいて移動方向にあわせて光周波数変調器２により光周波数νtを調整する。スイッチング速度は、光周波数の変調速度で決定される。光周波数νｔの選択に従って、複数のビームの中で干渉により最大強度（図３参照）となる１個のビームが変化する。このように、光出力部４は、機械的な可動部分無しでビームを走査（偏向）させることができるので、高速で移動する光受信器５を高速で追尾することができる。また、この例では、光ファイバを用いないので、従来のように素子間隔の制約を受けず、また、グレーティングローブの発生を考慮する必要もなくすことができる。
【００３１】
光出力部４を図２〜図５を参照して説明する。図２は、複数の平行なビームを簡易に作り出すための光学系の略図である。光出力部４は、図２に示すように、２組の光遅延デバイス４１及び４２からなる。即ち、第１の光遅延デバイス４１を構成する第１及び第２の反射面４１１及び４１２と、第２の光遅延デバイス４２を構成する第３及び第４の反射面４２１及び４２２とからなる。第１及び第２の光遅延デバイス４１及び４２はほぼ同一の構成を有する。図３は、光遅延デバイス４１又は４２の拡大した構成とそれにおけるビームの干渉を示す。図４は、図２の出力の詳細を示す。
【００３２】
図２に示すように、第１及び第２の反射面４１１及び４１２は、レーザ光源３から出力された１個のレーザ光（Incident beam ）Ｌに対して（ｚ軸方向に対して）、第１の方向（ｘ軸方向）で直行する軸Ｍ１に、前記レーザ光Ｌに第１の角度θ１をなすように配置される。第３及び第４の反射面４２１及び４２２は、前記レーザ光Ｌに対して、第２の方向（ｙ軸方向）で直行する軸Ｍ２に、第２の角度θ２をなすように配置される。第１及び第２の反射面４１１及び４１２は、レーザ光源３から近い位置（即ち、前段）に、第１の間隔ｄ１で、平行に設けられる。第３及び第４の反射面４２１及び４２２は、レーザ光源３から遠い位置（即ち、後段）に、第２の間隔ｄ２で、平行に設けられる。この例では、第１及び第３の反射面４１１及び４２１はミラー面からなり、かつ、第２及び第４の反射面４１２及び４２２は段階的な反射率を有するビームスプリッタ面からなる。ミラー面とは入射した光を全反射する面を言い、ビームスプリッタ面とは入射した光をその位置に応じて予め定められた反射率で一部反射する面を言う。
【００３３】
なお、図２から判るように、ｄ１＝ｄ２×Ｍ≒ｄ２×ｋ（Ｍ及びｋについては後述する）であるが、厳密には、γによってｋが変化するので、後述するような値となる。また、軸の回転角度θ１、θ２は第１〜第４の反射面の設置角度であるが、ｘ軸及びｙ軸において、回転角度θ１及びθ２は同一ではなく、ｄ１及びｄ２の厚みとビームの間隔ａ等によって変化する。軸の回転角度θ１及びθ２は、最初に第１〜第４の反射面を設置したときの値で固定される。
【００３４】
実際には、特許第３０６９７０３号に記載されるように、第１及び第２の光遅延デバイス４１及び４２（即ち、第１及び第２の反射面との間及び第３及び第４の反射面との間）は、稠密かつ均質な光学バルク材とすることが望ましい。光学バルク材としては、例えばガラスが用いられる。ガラスとしては、光学的に透明なものであれば良い。但し、分散が少ないガラスが好ましく、例えば溶解石英を用いれば良い。光学バルク材を用いることにより、第１及び第２の反射面４１１及び４１２との間、及び、第３及び第４の反射面４２１及び４２２との間を平行に加工し易く、また、その（内側）表面をミラー面やビームスプリッタ面に容易に加工することができる。
【００３５】
なお、特許第３０６９７０３号に記載されるように、レーザ光源３から出力されたレーザ光Ｌとの位置関係によっては、第１及び第３の反射面４１１及び４２１が段階的な反射率を有するビームスプリッタ面からなり、かつ、第２及び第４の反射面４１２及び４２２がミラー面からなるようにしても良い。
【００３６】
また、第１及び第２の反射面４１１及び４１２の間、及び、第３及び第４の反射面４２１及び４２２の間は、光学的に均質であれば良い。例えば、真空、空気、液体、ファイバ等であっても良く、光学バルク材に限られない。
【００３７】
第１の光遅延デバイス４１において、図３に示すように、入射角θで入射したレーザ光Ｌは、第１の反射面（ミラー面）４１１を通過し、第１地点に入射角θ（θ１）で入射し、更に、一部は第２の反射面（ビームスプリッタ面）４１２をそのまま透過して透過ビーム１−Ｒ１となり、残りは第１地点において入射角θに等しい角度の方向に反射する。この反射光は、その後、第１の反射面４１１で全反射して（Ｒ＝１００％）、第２の反射面４１２の第２地点に投射され、第２地点に入射角θで入射し、一部は第２の反射面４１２をそのまま透過して透過ビーム１−Ｒ２となり、残りは第２地点において、角度θの方向に反射する。第２の反射面４１２の第３地点及び第４地点（図２参照）においても、同様である。但し、第４地点においては、全ての反射光が第２の反射面４１２をそのまま透過して透過ビーム１−Ｒ４となる。
【００３８】
第１の反射面４１１と第２の反射面４１２との距離をｄ（ｄ１）とすると、これらの透過ビーム１−Ｒ１〜１−Ｒ４の相互間の距離は２ｄｓｉｎθとなる。また、互いのビームの干渉を生じさせるために、複数のビームの光路差遅延２ｄｃｏｓθ／ｃ（ｃは光速）は、レーザの時間コヒーレンス長より短く設定される。
【００３９】
第２の反射面４１２の第１地点〜第４地点における反射率Ｒｉは、一例として、Ｍ＝４の場合、
Ｒｉ＝１−１／（Ｍ−（ｉ−１））＝１−１／（４−（ｉ−１））
で表される（ｉ＝１、２、３、４）。従って、第２の反射面４１２の反射率は、第１地点で７５％、第２地点で約６６％、第３地点で５０％、第４地点で０％となる。
【００４０】
続いて、第２の光遅延デバイス４２において、図３に示すと同様に、この４本の透過ビーム１−Ｒ１〜１−Ｒ４が、第３の反射面（ミラー面）４２１と第４の反射面（ビームスプリッタ面）４２２との作用により、１本の透過ビームにつき４本の透過ビームを発生し、結果として、４×４＝１６本の透過ビームが二次元的に得られる。第４の反射面４２２における各地点での反射率は、前述の場合と同様とされる。なお、上記の説明では、レーザ光Ｌを４×４＝１６本に分岐する場合（Ｍ＝４の場合）について説明したが、Ｍの値はこれに限られない。
【００４１】
図３の強度分布図は、ファーフィールドでのレーザ光の強度パターンを示す。縦軸は変位であり、横軸は強度である。このような強度パターンが、光周波数の変化に従って、図３（１個の光遅延デバイス）においては上下方向（ｘ軸方向）に変化する。即ち、射出された複数のレーザビームが、光周波数に応じて各々の射出面で位相がずれ相互に干渉することにより、位相差の傾きがΔθｘの方向になるように変化し、伝搬した後、Δθｘの方向に強度分布を形成する。このような光遅延デバイスを２個組み合わせることにより、光周波数の変化に従って、強度パターンを２次元方向（上下及び左右方向又はｘ軸及びｙ軸方向）に変化させる。この時、以下のように、複数のビームの遅延を調整する。
【００４２】
即ち、図４（Ａ）に示すように、Ｍ×Ｍ本の平行に射出された光ビームＵ（ｔ）に、ｘ軸にはそれぞれ隣り合うビームの遅延時間がΔｔ秒となるようにＵ（ｔ＋Δｔ）を、ｙ軸においてはそれぞれ隣り合うビームの遅延時間をｋ×ΔｔとなるようにＵ（ｔ＋ｋΔｔ）を、平行に射出するようＭ本ずつ構成する。この遅延時間による遅延光路長ｌ＝Δｔ×ｃ（ｃは光速）と、ビームの間隔ａとの比をγ＝ｌ／ａとする。この時、ｘ軸及びｙ軸の波長に対する偏向角度Δθｘ及びΔθｙは次式で表される。
【００４３】
【数１】
2006323175.tif 000003
【００４４】
ここで、ν０及びν１はそれぞれ変化前後の光周波数、λ０及びλ１はそれぞれ変化前後の光の波長である。このとき、偏向角度への感度αｘ、αｙは次式で表される。
【００４５】
【数２】
2006323175.tif 000004
【００４６】
これらの感度が、ｘ軸に対してｙ軸の光周波数変化に対する偏向角度がＭ倍に速くなるように設定すると、ビーム走査可能な範囲に対して図２のように光周波数を選択的に変化させるだけでラスター状に２次元にビーム走査が可能となる。即ち、Ｍは次式により定まる。
αｙ／αｘ＝Ｍ
このとき、Ｍとｋとの間には次式の関係がある。
【００４７】
【数３】
2006323175.tif 000005
【００４８】
この式は、ｙ軸の遅延光路長より、ｘ軸の遅延光路長をｋ倍長く取る必要があることを示している。例えば、γ＝遅延光路長／ビームの間隔＝１の時には、Ｍとｋとの関係は図５に示すようになる。
【００４９】
即ち、図５から判るように、ほとんどｋ≒Ｍである。つまり、ｙ軸に対してｘ軸はビーム本数である約Ｍ倍の遅延時間を持つようにして構成すれば、２次元にラスタースキャンが可能となる。もし、ラスタースキャンの走査幅を狭くする場合には、遅延時間ｋをさらに長く取ることで可能である。
【００５０】
即ち、前述のように、ｋ及びＭを定めることにより（ｙ軸に対してｘ軸の走査の速度をｋ倍に遅くするので）、１段目の最後の出力光と２段目の最初の出力光とがこの順に出力される。実際には、１段目の最後の出力光の後に、更に、その右側に続くサイドビームが存在する。しかし、左側の２段目の最初の出力光がより強度の大きいビームであるので、出力先Ｎ×Ｎの範囲に限ってみると、最大強度のビームが２次元に走査されると考えて良い。
【００５１】
この結果、図４（Ｂ）に示すように、複数ビームが干渉した結果、受光面で最大強度のビームが走査され、かつ、前述のようなビーム強度のパターンが光周波数νtの変化により矢印θｘ及びθｙの方向へラスタースキャンするように変化する。なお、設置した回転角度（即ち、レーザ光Ｌの入射角θ）が光ビームの遅延時間に影響する。
【００５２】
なお、図４（Ａ）においては、同時にかつ並行に出力された複数ビームにおいて、光周波数を高くしていくと、隣り合うビーム間での遅延時間光路長に入るレーザの波数が多くなり、相対的に遅延のあるビームの位相が遅れる。即ち、ｘ軸方向又はｙ軸方向に対してプラスの方向にビームの伝搬方向が変化する。一方、図４（Ｂ）においては、θｘ及びθｙの方向をｘ軸及びｙ軸に対してプラスの方向に相当するようにとる。これにより、光周波数を高くしていくと、θｘ及びθｙが増す方向にビームの伝搬方向が変化する。
【００５３】
以上のように、光を分岐し遅延させた複数のビームを干渉させることにより、パラメータとして光周波数のみを制御して、光ビームの２次元偏向を実現する。即ち、光の周波数を制御して光フェーズドアレイを実現する。従って、光周波数νtによって、当該光周波数の光ビームは、複数の出力先Ｎ×Ｎのいずれか１個にルーティングされる。一方、光周波数νtを切り替えることにより、出力先をＮ×Ｎのチャンネルのいずれかに切り替えることができる。即ち、再構成可能な光スイッチである。
【００５４】
このように、本発明においては、光ビームの遅延を利用して複数の光ビームを形成する。即ち、ｘ軸とｙ軸について光周波数に対する偏向角度を異なる感度で調整することにより、制御するパラメータを光周波数のみとすると共に、１個のパラメータを制御することのみで、２次元にビームを走査することを可能としている。これにより、従来、１対１（１入力１出力）が基本であった空間光通信において、１入力Ｎ出力の光空間スイッチを実現している。
【００５５】
以上のように、この例では、光周波数νtを変化させることによって、当該光周波数の光信号が人工衛星等の移動体を追従するように、光信号をルーティングする。一般に、ビーム広がり角は１．２２λ／Ｄで表される。ここで、λは波長、Ｄはビーム口径である。例えば、１個のビーム口径が０．５ｍｍであり、波長１．５μｍである場合、ビーム広がり角は約０．２度となる。ビーム口径を更に小さく設計することでビーム広がり角を広くすることが可能である。また、光出力部４における複数のビームの出力端にビームを縮小するビームエキスパンダを設けることにより、ビーム口径を小さくすることができる。更に、光出力部４における複数のビームの各々の出力端に例えば光ファイバを設けることにより、ビーム口径を約１０μｍとすることができ、この場合、ビーム広がり角は約１度の範囲になる。射出方向の単位は、角度（又は変位）である。角度（ラジアン）に伝搬距離を乗じることにより変位が求まる。
【００５６】
一般に、光宇宙通信では、±０．２度程度の範囲で追尾ができると高速な精追尾系に置き換えることができ、その程度をカバーできれば衛星に追従することが可能とされている。従って、前述のように、レンズ又は光ファイバを設けてビーム口径を絞ることにより、十分に人工衛星（に搭載された光受信器５）を追尾することができる。
【００５７】
以上のように、本発明によれば、光送信機の機械的可動部分を除去し、高速な空間光スイッチングを高効率に実現する２次元ビーム偏向方法を得ることができる。即ち、光周波数という１個のパラメータのみを制御することにより、物理的スイッチングが実現できるので、装置の構成を簡単にすることができ、１入力×Ｎ出力のフリースペース光スイッチを実現することができる。
【００５８】
この１入力Ｎ出力の光空間スイッチを用いることにより、比較的長距離でも利用可能な１入力Ｎ出力のフリースペース光スイッチを実現することができる。また、この１入力Ｎ出力の光空間スイッチを用いることにより、高速な光ビーム偏向を実現することができるので、空間的に多地点の受光装置と高速な時分割マルチアクセスが可能となる。更に、従来、波長多重信号のデマルチプレクサにおいてはグレーティングなどを用いた空間的に１次元で波長分岐するスイッチングが主だったが、本発明により、多値のＮ×Ｎチャンネルの波長分岐スイッチングが可能となり、光スイッチの２次元拡張により、チャンネル数の増加、集積化及び小型化を実現することができる。
【００５９】
図６は光出力装置の構成図であり、本発明の光出力方法を実現する光出力装置の構成の他の一例を示す。この例は、本発明の光出力方法を実現する光出力装置を近距離通信における時分割光スイッチとして用いる場合の例である。
【００６０】
図６の例において、光周波数変調器２は、通信データを重畳すると共に、通信データに応じて予め定められた光周波数を選択させるための光周波数変調信号を出力する。また、フーリエ変換用の集光用レンズ６が設けられる。光出力部４から出力される複数のビームは、集光用レンズ６により集光されて、当該光周波数の相違に応じて定まる方向に出力される。これら以外の点は図１の例と同様である。
【００６１】
図１に示す例のように出力されたビーム（レーザ光）を遠方へそのまま伝送する場合には、ビームの射出端へは何も設ける必要がない。しかし、近距離でビーム偏向を実現して、それぞれの次の入力端へビーム位置を変化させスイッチングするには、射出端にフーリエ変換用の集光用レンズ６を焦点距離ｆに設置して集光する。レーザビームを複数の光周波数（例えば３つの光周波数ν１、ν２及びνｎ）で高速に切り替えて変調することにより、複数の空間配置された伝送路へ高速に時分割で情報を送信することができる。
【００６２】
これにより、例えば３個の周波数数ν１、ν２及びνｎを用いた場合、３個の信号を重畳した光信号を、予め対応付けられた３個のチャンネルのルートに分岐して出力し、これを集光用レンズ６で絞って他の装置への入力とすることができる。即ち、例えば予めＡチャンネルには光周波数数ν１、Ｂチャンネルには光周波数ν２、・・・と予め対応付けられている送信先へ、光周波数をパラメータとして使用してルーティングすることができる。
【００６３】
例えば、光信号形成部においてレーザ光Ｌを送信したいチャンネルの光周波数（例えば３個の光周波数ν1、ν2及びνn）で時分割多重変調し、光出力部４へ入力する。これにより、入力した光周波数に応じて、空間的な光の伝搬方向が時間的に切り替わるように出力される。光出力部４の出力端には、図６に示すように、Ｎ×Ｎチャンネル光スイッチ７（又はアレイ状の導波路や光ファイバなど）を設け、予め光周波数ν1、ν2及びνnに対応した３つのチャンネルへ同時に情報を伝送することが可能である。通信データによって「０」は光周波数ν0、「１」は光周波数νnに対応させ高速変調すれば、光周波数νnの割り当てられた通信相手へ情報を送信することができる。
【００６４】
図７は光出力装置の構成図であり、本発明の光出力方法を実現する光出力装置の構成の他の一例を示す。この例は、本発明の光出力方法を実現する光出力装置を光周波数（波長）多重信号のデマルチプレクサとして用いる場合の例である。
【００６５】
図７の例において、光信号形成部は、複数の通信データチャンネル１’と、その各々に対応して設けられ異なる光周波数のレーザ光を出力する複数のレーザ光源３’とからなる。複数のレーザ光源３’は、通信データチャンネル１’から出力された通信データを重畳した複数のレーザ光を、加算器８により多重化して（加算して）出力（レーザ光）Ｌを出力する。これら以外の点は図６の例と同様である。これにより、例えば異なる光源を持つ波長多重信号（例えば３つの光周波数ν１、ν２及びνｎ）を用いるデマルチプレクサを得ることができる。そして、この上で、図６の例と同様に、光周波数をパラメータとして使用してルーティングすることができる。
【００６６】
例えば、異なる光周波数（例えば３個の光周波数ν１、ν２及びνｎ）を持つ波長多重信号（ＷＤＭ）を、光信号形成部から光出力部４へ入力する。ＷＤＭ信号としては、例えば光ファイバ通信等で用いられている信号が考えられる。入力した光周波数に応じて、空間的に光の伝搬方向が異なるため、本光出力部４を空間分波器として用いることができる。光出力部４の出力端に、図７に示すように、アレイ状の導波路７（又は光ファイバなど）を設け、波長多重信号のデマルチプレクサとして利用することができる。
【００６７】
以上、本発明をその実施の形態に従って説明したが、本発明は、その主旨の範囲において種々の変形が可能である。
【００６８】
例えば、以上の例においては光出力部４を光学バルク材を用いて構成したが、光出力部４の構成はこれに限られない。即ち、光学バルク材に変えて、図８に示すように、光出力部４を光ファイバを用いて構成するようにしても良い。即ち、図８に示すように、レーザ光源３からの出力（レーザ光）Ｌをファイバ（光ファイバ、以下同じ）入力とし、３ｄＢカップラ及び光遅延線を介して、順次分岐する。光遅延線は、順次異なる遅延を与えるように、その長さが異なるようにされる。これにより、出力として、異なる遅延を有する複数のレーザ光をファイバ群出力として得ることができる。図８は、１次元方向にのみ遅延を与える例を示しており、図３に相当する。従って、図８の構成を用いて図２に相当するように構成することにより、２次元方向に遅延を与えて、図１に示すと同様の光出力装置を実現することができる。但し、この例の場合、ファイバ毎に各ビームの位相を合わせる必要がある。従って、光遅延線に位相シフタ（図示せず）を設けて、光遅延線の長さを厳密に調整する必要がある。
【００６９】
また、例えば、光出力部４からの出力は、Ｍ×Ｍ本のビームに限られない。即ち、ビームの本数は、ｘ軸及びｙ軸について同数（Ｍ本）でなくても良く、また、非対称であっても良い。
【００７０】
また、光出力部４における遅延時間を持つビームの形成手段は、ミラーやビームスプリッタ等の光学系に限られない。例えば、これらに代えて、光ファイバの遅延線を用いるようにしても良い。
【００７１】
また、レーザ光に重畳されるデータは、通信データに限られない。即ち、通信データ以外のデータであっても良く、例えば画像データであっても良い。例えば、入力する光周波数を画像信号に応じて高速に変化させて出力先にレーザ光源による画像を投影するようにしても良い。これは、本発明の光出力装置（レーザ光源）をいわゆるブラウン管の代わりに使用する例である。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上説明したように、本発明によれば、光出力方法及び光出力装置において、光周波数のみをパラメータとして制御することにより、レーザ光を分岐して形成した複数のビームの伝搬方向を２次元に走査させることにより、機械的な可動部分無しでビームを偏向させることができ、応答速度を速くすることができ、制御を容易にすることができ、装置の構成を簡易なものとすることができる。また、本発明によれば、０次回折光が生じることを無くし効率を良くすることができ、追尾方向検出情報、通信データ又は通信データチャンネルに応じて光周波数を変化させるだけで、追尾方向検出情報、通信データ又は通信データチャンネルにより定まる方向へレーザ光を出力することができる。
【００７３】
このように、本発明によれば、光送信における機械的な可動部分を除去し、高速で高効率な空間光スイッチングを実現することができ、これにより、１入力×Ｎ出力のフリースペース光スイッチを実現して、高速に１×Ｎのスイッチングを行うことができる。また、光周波数という１個のパラメータのみにより物理的にスイッチングすることができるので、１入力×Ｎ出力のフリースペース光スイッチの構成を簡易なものとすることができる。
【００７４】
これにより、本発明によれば、波長多重信号のデマルチプレクサ、時分割多重多チャンネル光スイッチ、波長選択型多チャンネル光スイッチ及び光ルーティング等に適用することが可能な、また、機械的な追尾機構を不要にした空間光通信等に適用することが可能な、高速で制御の容易なフリースペース光スイッチを提供することができ、これにより、光ファイバ通信、空間光通信、移動通信、無線通信、衛星通信等に広汎に適用できる高性能の光スイッチを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の光出力方法を実現する光出力装置の一例を示す図である。
【図２】本発明の原理説明図である。
【図３】本発明の原理説明図である。
【図４】本発明の原理説明図である。
【図５】Ｍとｋとの間の関係を示す図である。
【図６】本発明の光出力方法を実現する光出力装置の他の一例を示す図である。
【図７】本発明の光出力方法を実現する光出力装置の他の一例を示す図である。
【図８】本発明の光出力方法を実現する光出力装置の他の一例を示す図である。
【図９】従来技術説明図である。
【図１０】従来技術説明図である。
【符号の説明】
【００７６】
１    通信データ部
２    光周波数変調器
３    レーザ光源
４    光出力部
５    光受信器
６    集光用レンズ
【図１】
2006323175.tif 000006
【図２】
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【図３】
2006323175.tif 000008
【図４】
2006323175.tif 000009
【図５】
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【図６】
2006323175.tif 000011
【図７】
2006323175.tif 000012
【図８】
2006323175.tif 000013
【図９】
2006323175.tif 000014
【図１０】
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