(57)【要約】【課題】  環境変動に強く、光回路の集積化が不要な光制御型フェーズドアレーアンテナを得る。【解決手段】  アレーアンテナを構成する複数の素子アンテナそれぞれで受信した電気信号により複数の光それぞれに光変調を施す複数の光変調器と、これら複数の光のそれぞれ一部を分割しその他を空間に放射する光線分割放射手段と、放射した複数の光を空間フーリエ変換する空間光フーリエ変換手段と、空間フーリエ変換された光をこの光の位置に応じてそれぞれ受光し電気信号に変換する複数の第一の受光手段と、光線分割放射手段で分割した複数の光の一部をそれぞれ受光し電気信号に変換する複数の第二の受光手段と、発振器で発振した電気信号と複数の第二の受光手段で受信した複数の電気信号との位相差をそれぞれ比較し、この位相差を相殺するように光変調器に入力する複数の光の位相をそれぞれ制御する複数の位相制御手段と、を備えた。【選択図】  図１
2015015694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発生する第一の光源と、
前記第一の光源で発生した光を複数の光に分配する光分配器と、
アレーアンテナを構成する複数の素子アンテナのそれぞれで受信した電気信号により前記複数の光のそれぞれに光変調を施す複数の光変調器と、
前記複数の光変調器のそれぞれから出射した複数の光のそれぞれ一部を分割しその他を空間に放射する光線分割放射手段と、
前記光線分割放射手段から放射した複数の光を空間フーリエ変換する空間光フーリエ変換手段と、
前記空間光フーリエ変換手段で空間フーリエ変換された光をこの光の位置に応じてそれぞれ受光し電気信号に変換する複数の第一の受光手段と、
前記光線分割放射手段で分割した複数の光の一部をそれぞれ受光し電気信号に変換する複数の第二の受光手段と、
周波数が一定の電気信号を発振する発振器と、
前記発振器で発振した電気信号と前記複数の第二の受光手段で受信した複数の電気信号との位相差をそれぞれ比較し、この位相差を相殺するように前記光分配器で分配された前記複数の光の位相をそれぞれ制御する複数の位相制御手段と、
を備えたことを特徴とする光制御型フェーズドアレーアンテナ。
【請求項２】
それぞれ光を発生し、アレーアンテナを構成する複数の素子アンテナのそれぞれで受信した電気信号により、発生したそれぞれの光に光変調を施す複数の発光素子と、
前記複数の発光素子のそれぞれから出射した光の一部を分割しその他を空間に放射する複数の光分割放射手段と、
前記複数の光分割放射手段から放射した複数の光を空間フーリエ変換する空間光フーリエ変換手段と、
前記空間光フーリエ変換手段で空間フーリエ変換された光をこの光の位置に応じてそれぞれ受光し電気信号に変換する複数の第一の受光手段と、
前記複数の光分割放射手段で分割した光の一部をそれぞれ受光し電気信号に変換する複数の第二の受光手段と、
前記複数の第二の受光手段のうちの２つでそれぞれ受信した電気信号の位相差を比較し、この位相差を相殺するように前記発光素子で発生する光の位相を制御する複数の位相制御手段と、
を備えたことを特徴とする光制御型フェーズドアレーアンテナ。
【請求項３】
前記複数の第二の受光手段で受信する参照光であって、前記第一の光源で発生した光との相対周波数が同期した参照光を発生する第二の光源を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ。
【請求項４】
アレーアンテナを構成する前記複数の素子アンテナのそれぞれで受信した電気信号の位相を変化する複数の移相器を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ。
【請求項５】
前記複数の第一の受光手段にそれぞれ接続された複数の送信機と、
前記複数の送信機にそれぞれ接続された複数のアンテナと、
を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ。
【請求項６】
前記第一の受光手段は、分割型光検出器の各素子であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ。
【請求項７】
前記分割型光検出器の各素子からの出力信号から重心演算を行う重心演算手段と、
前記重心演算手段での重心演算結果から前記光線分割放射手段から放射した複数の光のキャリブレーションずれを検出するキャリブレーションずれ検出手段と、
前記キャリブレーションずれ検出手段で検出したキャリブレーションずれ結果から前記光線分割放射手段から放射した複数の光のキャリブレーションずれを補正する信号を発生するキャリブレーションずれ補正信号発生手段と、
を備えたことを特徴とする請求項６に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ。
【請求項８】
前記分割型光検出器を複数備えたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ。
【請求項９】
前記第二の受光手段で受信した受信信号を周波数毎に分離する受信信号分離手段と、
前記受信信号分離手段で分離された信号毎に対して異なる周波数の識別信号を発生させる複数の識別信号発生手段と、
前記受信信号分離手段で分離された信号と前記識別信号とを混合して周波数変換し、この周波数変換した信号を複数の位相制御手段にそれぞれ出力する複数の周波数変換手段と、
を備えたことを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ。
【請求項１０】
光を発生する第一の光発生ステップと、
前記第一の光発生ステップで発生した光を複数の光に分配する光分配ステップと、
アレーアンテナを構成する複数の素子アンテナのそれぞれで受信した電気信号により前記複数の光のそれぞれに光変調を施す複数の光変調ステップと、
前記複数の光変調ステップそれぞれで出射した複数の光のそれぞれ一部を分割しその他を空間に放射する光線分割放射ステップと、
前記光線分割放射ステップで放射した複数の光を空間フーリエ変換する空間光フーリエ変換ステップと、
前記空間光フーリエ変換ステップで空間フーリエ変換された光をこの光の位置に応じてそれぞれ受光し電気信号に変換する複数の第一の受光ステップと、
前記光線分割放射ステップで分割した複数の光の一部をそれぞれ受光し電気信号に変換する複数の第二の受光ステップと、
周波数が一定の電気信号を発振する発振ステップと、
前記発振ステップで発振した電気信号と前記複数の第二の受光ステップで受信した複数の電気信号との位相差をそれぞれ比較し、この位相差を相殺するように前記光分配ステップで分配された前記複数の光の位相をそれぞれ制御する複数の位相制御ステップと、
を備えたことを特徴とする光制御型フェーズドアレーアンテナの受信波処理方法。
【請求項１１】
それぞれ光を発生し、アレーアンテナを構成する複数の素子アンテナのそれぞれで受信した電気信号により、発生したそれぞれの光に光変調を施す複数の発光ステップと、
前記複数の発光ステップでそれぞれ出射した光の一部を分割しその他を空間に放射する複数の光分割放射ステップと、
前記複数の光分割放射ステップで放射した複数の光を空間フーリエ変換する空間光フーリエ変換ステップと、
前記空間光フーリエ変換ステップで空間フーリエ変換された光をこの光の位置に応じてそれぞれ受光し電気信号に変換する複数の第一の受光ステップと、
前記複数の光分割放射ステップで分割した光の一部をそれぞれ受光し電気信号に変換する複数の第二の受光ステップと、
前記複数の第二の受光ステップのうちの２つでそれぞれ受信した電気信号の位相差を比較し、この位相差を相殺するように前記発光ステップで発生する光の位相を制御する複数の位相制御ステップと、
を備えたことを特徴とする光制御型フェーズドアンテナの受信波処理方法。
【請求項１２】
前記複数の第一の受光ステップは、分割型光検出器の各素子によって行われることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の光制御型フェーズドアンテナの受信波処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレーアンテナによって受信された受信信号を処理するための光制御型アレーアンテナの特に受信信号処理装置等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のアンテナ素子からなるアレーアンテナで到来方向の異なるＭ個（Ｍは２以上の整数）のビームを受信し、マイクロ波信号を光電変換することで、電波の到来方向に対応する振幅、位相分布を持った複数の光信号を出力する光制御型フェーズドアレーアンテナが提案されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
また、サブアレイ間の信号光相対位相を小さく安定にするために、光回路の集積化を行う方法も提案されている（例えば非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２４６８４０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】”Ｓｐａｔｉａｌ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｂｅａｍ−Ｆｏｒｍｉｎｇ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  ｆｏｒ  Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ−Ｍｏｄｅ  Ｍｕｌｔｉｂｅａｍ  Ａｒｒａｙ  Ａｎｔｅｎｎａ−Ｐｒｏｐｏｓａｌ  ａｎｄ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ”，ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ  ＴＨＥＯＲＹ  ＡＮＤ  ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ，  ＶＯＬ．５０，ＮＯ．５，ＩＥＥＥ，２００２年，ＰＰ．１４２５−１４３０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
従来の光制御型フェーズドアレーアンテナでは、サブアレイ間の信号光位相が同期していないため、光回路の集積化が必要であり、また、環境変動に弱い、などという問題点があった。
【０００７】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、環境変動に強く、光回路の集積化が不要な光制御型フェーズドアレーアンテナを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る光制御型フェーズドアレーアンテナは、
光を発生する第一の光源と、
前記第一の光源で発生した光を複数の光に分配する光分配器と、
アレーアンテナを構成する複数の素子アンテナのそれぞれで受信した電気信号により前記複数の光のそれぞれに光変調を施す複数の光変調器と、
前記複数の光変調器のそれぞれから出射した複数の光のそれぞれ一部を分割しその他を空間に放射する光線分割放射手段と、
前記光線分割放射手段から放射した複数の光を空間フーリエ変換する空間光フーリエ変換手段と、
前記空間光フーリエ変換手段で空間フーリエ変換された光をこの光の位置に応じてそれぞれ受光し電気信号に変換する複数の第一の受光手段と、
前記光線分割放射手段で分割した複数の光の一部をそれぞれ受光し電気信号に変換する複数の第二の受光手段と、
周波数が一定の電気信号を発振する発振器と、
前記発振器で発振した電気信号と前記複数の第二の受光手段で受信した複数の電気信号との位相差をそれぞれ比較し、この位相差を相殺するように前記光分配器で分配された前記複数の光の位相をそれぞれ制御する複数の位相制御手段と、
を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、環境変動に強く、光回路の集積化が不要な光制御型フェーズドアレーアンテナを得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ内部での光のパワースペクトルを示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ内部の光検出器が測定するビート信号を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ内部での光のパワースペクトルを示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ内部の光検出器が測定するビート信号を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの校正手順例を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態５に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態６に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態６に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの動作を説明する図である。
【図１４】本発明の実施の形態６に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの動作を説明する図である。
【図１５】本発明の実施の形態６に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの動作を説明する図である。
【図１６】本発明の実施の形態６に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの動作を説明する図である。
【図１７】本発明の実施の形態７に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態７に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの動作を説明する図である。
【図１９】本発明の実施の形態８に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態８に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ内部の周波数弁別回路を示す図である。
【図２１】本発明の実施の形態８に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ内部での光のパワースペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレーアンテナは、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）のアレーアンテナ１１、Ｎ個の受信機１２、第一の光源２１、第一の光分配器２２、Ｎ個の第一の光周波数シフタ３１、複数の光変調器であるＮ個の光位相変調器２３、第一の光線放射部２４、第一の光線分割器３２、第二の光線放射部３５、第二の光線分割器３６、複数の第二の受光手段であるＮ個の第一の光検出器３７、発振器である第一の発振器４１、信号分配器４２、Ｎ個の第一の位相同期回路４３、第三の光線分割器５４、複数の第一の受光手段であるＭ個（Ｍは２以上の整数）の第二の光検出器５６、Ｍ個の低域ろ波器７１、復調装置７０から構成される。
必要に応じて、さらにリレー光学系３３、フーリエ変換光学系５１、第二の光周波数シフタ５２、第三の光線放射部５３、光線入射部５５が配置される。
【００１２】
図１において、第一の光線放射部２４と第一の光線分割器３２が光線分割放射手段を構成し、Ｎ個の第一の位相同期回路４３とＮ個の第一の光周波数シフタ３１が複数の位相制御手段を構成する。また、フーリエ変換光学系５１が空間光フーリエ変換手段を構成する。ただし、フーリエ変換光学系５１が無い場合であっても、光線分割放射手段と複数の第一の受光手段との距離が適切に設けられていれば、この間の空間等が空間光フーリエ変換手段を構成する。
【００１３】
第一の光源２１は単一周波数の第一のビーム光を出射する。第一の光分配器２２は第一のビーム光を（Ｎ＋２）個に分割し、Ｎ個の第二のビーム光と１個の第三のビーム光と１個の第四のビーム光を出力する。このうち、Ｎ個の第二のビーム光はそれぞれ該Ｎ個の第一の光周波数シフタ３１に入射する。第三のビーム光は第二の光線放射部３５に入射し、第四のビーム光は第二の光周波数シフタ５２に入射する。第一の光周波数シフタ３１は複数の第二のビーム光をそれぞれ周波数シフトして複数の第五のビーム光を得るために用いる。複数の第五のビーム光はそれぞれ対応する光位相変調器２３に送られる。
【００１４】
アレーアンテナ１１はアンテナ素子が所定の位置に配置された受信装置で、それぞれのアンテナ素子で受信したマイクロ波信号は、それぞれ光位相変調器２３で第五のビーム光の位相に変換される。すなわち、それぞれの光位相変調器２３において、対応するそれぞれのアレーアンテナ１１で受信したマイクロ波信号により、対応するそれぞれの第五のビーム光への位相変調を行う。なお、変調は位相変調に限らず振幅変調等であっても良いが、ここでは位相変調を行う場合について説明する。複数の第五のビーム光は第一の光線放射部２４へ入射する。第一の光線放射部２４はアレーアンテナ１１の配置に対応した配置で第五のビーム光を空間に放射する。アレーアンテナ１１及び第一の光線放射部２４の配置は一次元的であっても良いし二次元的な配置であっても良い。複数の第五のビーム光に空間的に光学的なフーリエ変換を施すことで、アレーアンテナ１１が受信したマイクロ波信号を到来方向別に空間的に分離する。
【００１５】
第五のビーム光が第一の光線放射部２４から放射される際、第五のビーム光の光の位相には、光分配器２２、第一の光周波数シフタ３１、光位相変調器２３、および第一の光線放射部２４の光学素子や、光学素子間の光路での温度揺らぎなどの外乱が加わる。このため、空間フーリエ変換による到来方向分離の分解能が低下し、同一到来方向からのマイクロ波に対しても集光方向が時間的に変化してしまう。この発明の実施の形態１では、第五のビーム光の位相同期を行うことにより、到来方向分離の分解能と安定性を向上させる。
【００１６】
次に動作について説明する。
複数Ｎ個のアレーアンテナ１１で遠方から到来した第一のマイクロ波を受信し、該Ｎ個の光位相変調器２３で該Ｎ個の第五のビーム光の位相にそれぞれ変換する。変調は振幅変調等であっても良いが、ここでは位相変調を用いる場合について説明する。第一の光線放射部２４は該Ｎ個の第五のビーム光を空間に放射し、第一の放射ビーム光を得る。第一の光線放射部２４にはレンズレットアレーなどを用いることができる。第一の放射ビーム光は空間的にフーリエ変換される。そして、アレーアンテナ１１における受信マイクロ波の到来方向に応じて空間的に分離され、この光の位置に応じて複数Ｍ個の第二の光検出器５６で光電変換される。そして第二の光検出器５６において、到来方向別に分けられた第二のマイクロ波信号に変換される。この第二のマイクロ波信号は該Ｍ個の低域ろ波器７１で不要波を取り除かれた後、復調装置７０で信号選択と復調を行い、第一のマイクロ波の変調信号として再生される。復調装置７０は一般的には、１個以上の信号選択器７２、ダウンコンバータ７３、復調器７４から構成される。以上の動作は従来例と共通している。
【００１７】
従来例の構成に加え、本発明の実施の形態１では、第五のビーム光の位相の外乱を抑えるための構成を持つ。
【００１８】
まず、第一の光線放射部２４から放射された第一の放射ビーム光の一部を第一の光線分割器３２で分割し、第二の放射ビーム光と第三の放射ビーム光に分ける。第一の光線分割器３２にはビームスプリッター等を用いることができる。このうち第二の放射ビーム光については従来例と同じく、光検出器５６に入射させることによって、空間的なフーリエ変換を行う。このことで、光検出器５６において、第一のマイクロ波の変調信号の再生を行う。
【００１９】
一方、第三の放射ビーム光は、必要に応じてリレー光学系３３を介し、第二の光線分割器３６に入射する。第二の光線分割器３６にはビームスプリッター等の光学部品を用いることができる。この第三の放射ビーム光と、第一の光分配器２２で分割した第三のビーム光を第二の光線放射部３５から放射したビーム光である第一の局発ビーム光とを、第二の光線分割器３６で結合させ、これらの光の周波数差によるビート信号を第一の光検出器３７で検出する。複数Ｎ個の第一の光検出器３７はＮ個の第三の放射ビーム光を一対一で測定するものである。なお、集光のためのリレー光学系３３は必要に応じて用いられる。
【００２０】
ここで、第一の局発ビーム光に対する複数Ｎ個の第三のビーム光の位相の外乱を、それぞれθ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)とする。簡単のため、まず、アレーアンテナ１１に到来したマイクロ波が無い場合を考える。このとき、第一の光源２１で発生した第一のビーム光の角周波数をω、第一の発振器４１で発生した周波数が一定である電気信号の角周波数であり、第一の光周波数シフタ３１で周波数シフトする角周波数である角周波数をΩとすると、第一の局発ビーム光の位相はωｔ、第三の放射ビーム光の位相は(ω+Ω)ｔ+θ１(ｔ)，…，(ω+Ω)ｔ+θＮ(ｔ)と表すことができる。それぞれの第一の光検出器３７で測定されるビート信号はcos[Ωｔ+θ１(ｔ)]，…，cos[Ωｔ+θＮ(ｔ)]となる。なお、ここでは第一の光周波数シフタ３１で光の角周波数ωにシフト分の角周波数Ωを足して、光の角周波数をω+Ωにシフトする場合を示しているが、光の角周波数ωからシフト分の角周波数Ωを差し引いて、光の角周波数をω−Ωにシフトしても、同様の動作を行うことができる。
【００２１】
次に、第一の発振器４１がcos(Ωｔ)で発振しているとすると、それぞれの第一の位相同期回路４３は、第一の発振器で発振した電気信号と複数の第一の光検出器３７で受信した電気信号との位相差をそれぞれ比較する。そして、第一の発振器４１の電気信号と第一の光検出器３７で測定されるビート信号との位相差θ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)に相当する分だけ、第一の光周波数シフタ３１の瞬時角周波数をΩから変化させる。すなわち位相差θ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)を相殺するように光周波数シフタ３１のシフト周波数を変化させる。このフィードバックループにより、複数Ｎ本の第三の放射ビーム光の位相が第一の局発ビーム光の位相と同期する。これにより、複数Ｎ個の第二の放射ビーム光が第三の放射ビーム光と同じ位相を持つことになり、複数Ｎ個の第二の放射ビーム光の位相が全て(ω+Ω)ｔに統一される。
【００２２】
それぞれの第一の位相同期回路４３は、例えば位相比較器（図示せず）とループフィルタ（図示せず）と電圧制御発振器（図示せず）によって構成されるものであってもよい。位相比較器はcos(Ωｔ)とcos[Ωｔ+θ１(ｔ)]，…，cos[Ωｔ+θＮ(ｔ)]との位相差θ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)に対応する電圧を出力する装置である。次に、出力電圧をループフィルタで積算や平滑化などの処理を行った後に電圧制御発振器に入力する。電圧制御発振器は電圧に応じて周波数が変わる装置であり、位相差θ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)＝０のときは周波数Ωで発振し、位相差θ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)が正または負になる場合は、瞬時周波数をΩから増減させることにより、位相差θ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)を打ち消す。以上は、第一の位相同期回路４３をアナログ回路で構築した一例であるが、ディジタル化された位相同期回路であっても良いことは言うまでもない。
【００２３】
次に、複数Ｎ個のアレーアンテナ１１に到来したマイクロ波がある場合、その瞬時電圧をｓ１(ｔ)，…，ｓＮ(ｔ)とする。光位相変調器２３での変調深度をβとすると、第三の放射ビーム光の位相は(ω+Ω)ｔ+θ１(ｔ)+β×ｓ１(ｔ)，…，(ω+Ω)ｔ+θＮ(ｔ)+β×ｓＮ(ｔ)と表すことができる。このとき光検出器３７が測定する光の強度変化（ビート信号）は、cos[Ωｔ+θ１(ｔ)+β×ｓ１(ｔ)]，…，cos[Ωｔ+θＮ(ｔ)+β×ｓＮ(ｔ)]となる。位相外乱θ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)がマイクロ波信号ｓ１(ｔ)，…，ｓＮ(ｔ)と比べて低周波の場合は、前者だけを測定することは容易である。位相外乱の主要因は通常、光分配器２２、第一の光周波数シフタ３１、光位相変調器２３、および第一の光線放射部２４の光素子並びに光素子間の光路の温度不均一であり、この場合、１キロヘルツ以下の低周波であることが知られている。したがって、例えば３００メガヘルツ以上の周波数を持つマイクロ波との分離が可能である。
【００２４】
図２は光のパワースペクトルを示した図であり、図３は第一の光検出器３７が測定する光のパワースペクトルを示した図である。これらを用いて、位相外乱θ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)がマイクロ波信号ｓ１(ｔ)，…，ｓＮ(ｔ)と切り分けられて測定されることを説明する。図２（ａ）は第一の光周波数シフタ３１での周波数変換の周波数シフトを示した図であり、図２（ｂ）は光位相変調器２３で受信マイクロ波信号（角周波数ωＲＦ）による位相変調を加えた状態の図である。光位相変調器２３での位相変調により、受信に用いるω+Ω+ωＲＦの他、ωＲＦ刻みで幾つかの周波数成分が生じている。図２（ｃ）は位相外乱が加わった状態を示している。搬送波ω+Ωのパワースペクトルは広がっている。ω+Ω+ωＲＦの測波帯についてはパワースペクトルの変化は小さいものの、位相は搬送波と同様に乱される。図２（ｄ）は第二の光線分割器３６で第三の放射ビーム光と第一の局発ビーム光が結合された際のパワースペクトルを示した図である。
【００２５】
図３（ａ）は図２（ｄ）の結合光を第一の光検出器３７で受信したときのビート信号を示した図である。ビート信号測定後に低域ろ波フィルタ（図示せず）に掛けることで図３（ｂ）のようにマイクロ波信号成分等が取り除かれ搬送波のピークの周りに位相外乱のみが検出される。なお、一般的には、第一の位相同期回路４３が積分器に近い特性になること、あるいは第一の光検出器３７の帯域をキロヘルツからメガヘルツ程度に選ぶことが容易であることなどから、上記の低域ろ波器を用いる必要は無い場合が多い。
このように、ωＲＦ≫Ωとしており、さらにマイクロ波信号ｓ１(ｔ)，…，ｓＮ(ｔ)の周波数と位相外乱θ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)の周波数が違うため、第一の光周波数シフタ３１、第一の局発ビーム光、第一の光検出器３７、第一の位相同期回路４３の組み合わせにより、複数Ｎ個の第二の放射ビーム光から位相外乱θ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)だけを除くことが可能である。
【００２６】
位相外乱が除かれた結果、複数Ｎ個の第二の放射ビーム光の位相は、(ω+Ω)ｔ+β×ｓ１(ｔ)，…，(ω+Ω)ｔ+β×ｓＮ(ｔ)となる。これらを空間フーリエ変換することでマイクロ波の到来方向別に放射ビーム光を空間的に分離することができる。例としてアンテナ素子が一直線上に等間隔ａで配置されている場合についてこの原理を説明する。この場合、第一の光線放射部２４では、アンテナ素子の配置に対応して、Ｎ個のビームを一直線上の等間隔ｂで放射する。例として、アレーアンテナ１１が一方向から均一な振幅を持つマイクロ波を受信した場合を考える。角周波数ωＲＦのマイクロ波がアンテナ列に対して角度φで入射した場合を考える。このときｓ１(ｔ)，…，ｓＮ(ｔ)は、sin[ωＲＦ{ｔ+(ａ×sinφ)/ｃ}]，…，sin[ωＲＦ{ｔ+(ａ×Ｎ×sinφ)/ｃ}]に前記の均一な振幅を掛けた値となる。ただし、ここでｃは光速である。このとき、第二の放射ビーム光の角周波数ω+Ω+ωＲＦ成分の位相は、それぞれ(ωＲＦ×ａ×sinφ)/ｃ，…，(Ｎ×ωＲＦ×ａ×sinφ)/ｃとなる。等間隔ｂで放射された該周波数成分の波面の角度ψは、sinψ＝(ωＲＦ×ａ×sinφ)/{(ω+Ω+ωＲＦ)×ｂ}で与えられる。続いて、後述の光学的な空間フーリエ変換を行うと、波面傾斜ψを光軸からの距離ｙに変換することができる。
【００２７】
以上の光位相変調と空間フーリエ変換は線形性を持っているため、複数のマイクロ波が別の方向からアレーアンテナ１１に到来した場合でも互いに独立に波面傾斜ψや光軸からの距離ｙに変換される。異なるマイクロ波の波面傾斜φに対して第二の放射ビーム光の波面傾斜ψが異なるため、光学的な空間フーリエ変換により到来方向別に独立に分離することが可能になる。
【００２８】
空間フーリエ変換をする方法として、例えばフーリエ変換光学系５１を用いる方法、あるいは、第一の光線放射部２４の開口に対して十分遠方の放射ビーム光を測定する方法が知られている。いずれかの方法で第二の放射ビーム光を空間フーリエ変換して第四の放射ビーム光とする。第一の光線放射部２４から光線入射部５５等までの距離をｄとすると、第二の放射ビーム光の波面傾斜ψは第四の放射ビーム光の光軸からの距離ｙと、ｙ＝ｄ・tanψの関係で表されることになり、第四の放射ビーム光を空間上に配置された複数Ｍ個の第二の光検出器５６でそれぞれ検出することが可能である。第四の放射ビーム光を直接第二の光検出器５６で検出しても、レンズレットアレー等による光線入射部５５を用いて複数Ｍ個に分割した後に光ファイバ等を介して光検出器５６で検出しても、いずれでもよい。Ｍ個の光検出器５６は、それぞれ独立したものであっても良いし、１つの基板上などに一体化したものであっても良い。
【００２９】
光検出器５６での光検出の際、第四の放射ビーム光の位相を検出するために、第三の光線分割器５４で第四の放射ビーム光と参照光である第二の局発ビーム光とを結合させ、そのビート信号を第二の光検出器５６で検出する。第三の光線分割器５４にはビームスプリッター等を用いることができる。第二の局発ビーム光は第一の光源２１から出射された第一のビーム光を第一の光分配器２２で分配した光の１つである第四のビーム光を第三の光線放射部５３から放射することにより得られる。
【００３０】
また、第三の光線放射部５３と第三の光線分割器５４を用いる代わりに、第一の光線放射部２４がＮ個の第一の放射ビーム光と第二の局発ビーム光の放射を兼ねていても良い。すなわち、Ｎ個の第一の放射ビーム光とは別に、第二の局発ビーム光を第一の光線放射部２４から同時に放射しても良い。第一の放射ビーム光それぞれと第二の局発ビーム光に必要な空間モードが合同であるため、すなわち放射形状を同じにすれば良いために、この統合は容易に可能である。また、ビート信号の周波数を変換するために、第一の光分配器２２から出射された第四のビーム光（角周波数ω）を第二の光周波数シフタ５２で周波数シフト（角周波数ω+Ω）した後に第三の光線放射部５３あるいは第一の光線放射部２４から放射しても良い。なお図１においては第二の光周波数シフタ５２を用いる場合のものを図示している。
【００３１】
もし複数Ｎ個の第二の放射ビーム光に位相外乱θ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)がある場合、ω+Ω+ωＲＦ成分の光の位相は、それぞれ(ωＲＦ×ａ×sinφ)/ｃ+θ１(ｔ)，…，(Ｎ×ωＲＦ×ａ×sinφ)/ｃ+θＮ(ｔ)になる。この位相外乱の影響で位相差が線形にならず、空間フーリエ変換後の第四の放射ビーム光の結像性が劣化して、分解能と信号強度が低下する。複数Ｎ個の第二の放射ビーム間に線形な位相差がある場合には、θ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)＝θ(ｔ)，…，Ｎ×θ(ｔ)とすると、波面傾斜ψ'はsinψ'＝(ωＲＦ×ａ×sinφ+ｃ×θ(ｔ))/{(ω+Ω+ωＲＦ)×ｂ}となる。つまり、θ(ｔ)が時間的に変動した場合、ψ'が時間的に変動し、第四の放射ビーム光の向きが時間的に変動する。この場合、複数Ｍ個の第二の光検出器５６において、照度の時間的な変動や該Ｍ個内での受光する光検出器の切り替わりが生じてしまうことにより、マイクロ波信号の受信の妨げになる。
【００３２】
本発明の実施の形態１による光制御型フェーズドアレーアンテナでは、以上のように光の位相外乱θ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)を抑制するようにしているため、空間フーリエ変換後の結像性と伝搬方向の安定性が向上する。したがって、フェーズドアレーアンテナにおけるマイクロ波の伝搬方向別の弁別性能が向上するとともに、マイクロ波受信における利得の安定性が向上する。
【００３３】
なお、以上の説明ではアレーアンテナ１１が一次元的に配置された場合を詳述したが、一般的には、アレーアンテナ１１や第一の光線放射部は二次元的に配置され、例えば、三角格子や正方格子、矩形格子の格子点状に配置される。一次元配置を二次元配置に拡張した場合にも光学的に空間フーリエ変換することにより伝搬方向別に分離できることと、位相安定度がその性能に寄与する点は同じである。
【００３４】
図４は以上の動作をフローチャートにまとめたものである。
図４（ａ）において、まず、搬送波光に位相同期を掛ける。次にアンテナ素子が受信したマイクロ波信号により搬送波光に周波数変調を掛ける。さらに変調光を空間フーリエ変換し、マイクロ波の到来方向別に分離する。そして分離した変調成分を光検出器で測定する。
また、図４（ａ）の、搬送波光に位相同期を掛ける部分のフローチャートを図４（ｂ）に示している。図４（ｂ）においては、まず、搬送波光を周波数シフトする。次に搬送波光と局発光を結合させ、ビート信号を測定する。さらにビート信号と発振器の信号を比較する。これにより周波数シフト量を調整する。これを、前述のビート信号の測定に反映させ、搬送波光の位相同期を維持する。
【００３５】
以上のように、アレーアンテナの受信マイクロ波を搬送波光の位相に変換して光学的に空間フーリエ変換する際に、搬送波光の位相外乱を位相同期系で打ち消すようにしているので、アレーアンテナにおけるマイクロ波の伝搬方向別の弁別性能が向上するとともに、マイクロ波受信における利得の安定性が向上する。
【００３６】
なお、以上の実施例では、第一の周波数シフタ３１と第一の光位相変調器２３を別々とした構成を示したが、第一の光位相変調器２３が両者を兼ねる構成であっても良い。例えば、光位相変調器２３に加える位相の直流成分により位相外乱θ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)を打ち消す構成が考えられる。この場合、周波数シフトは行われないため、第一の局発ビーム光の位相はωｔ、第三の放射ビーム光の位相はωｔ+θ１(ｔ)，…，ωｔ+θＮ(ｔ)となる。よって、第一の光検出器３７で測定されるビート信号はcos[θ１(ｔ)]，…，cos[θＮ(ｔ)]となる。この値を積算して直流成分として光位相変調器２３に加えると、フィードバックループによりcos[θ１(ｔ)]，…，cos[θＮ(ｔ)]＝０となるθ１(ｔ)，…，θＮ(ｔ)＝π/２に位相差が保たれる。ただし、πは円周率である。したがって、この場合も位相同期を保つことが可能である。
【００３７】
また、複数Ｎ個の第二の放射ビームの位相を別々に操作する装置として、複数Ｎ個の周波数シフタ３１の代わりに、例えば空間位相変調器、または該Ｎ個のファイバストレッチャ、または該Ｎ個の圧電アクチュエータを用いた光学反射素子のいずれかを用いることもできる。
【００３８】
実施の形態２．
実施の形態１は光学的な空間フーリエ変換を行う際に位相安定化を行った光制御型フェーズドアレーアンテナであったが、第二の光検出器５６に受信するマイクロ波の周波数程度の帯域を必要とした。本発明の実施の形態２では、受信帯域が低い光検出器５６を使うことが可能となる実施の形態を示す。
【００３９】
この発明の実施の形態２を、図５を用いて説明する。
この発明の実施の形態２は、実施の形態１の構成に加え、第二の光源６１、第二の光分配器６２、第三の光分配器６３、第三の光検出器６４、第二の発振器６５、第二の位相同期回路６６から構成される。
また、実施の形態１と差異のある構成要素は、第一の光分配器２２ａ、第三の光放出器５３ａ、第二の光検出器５６ａ、ダウンコンバータ７３ａである。
【００４０】
次に動作について説明する。
まず、アレーアンテナ１１が受信したマイクロ波信号を、位相同期した第五のビーム光の位相に変換し、さらに光学的に空間フーリエ変換した第四の放射ビーム光を得る。この動作までは実施の形態１と同様である。
第四の放射ビーム光を第二の光検出器５６ａで得る際に、第二の局発ビーム光の代わりに第一の光源２１と異なる周波数を持つ第二の光源６１から出射したビーム光を用いる点が実施の形態１と異なる。第二の光源６１の周波数は測定対象となるω+Ω+ωＲＦと近いω+Ω+ωＬＯに取り（ωＬＯ≒ωＲＦとする）、後述の動作により周波数と位相を安定化する。
【００４１】
第二の光源６１から出射した第六のビーム光は第二の光分配器６２により参照光となる第七のビーム光と第八のビーム光に分割される。第七のビーム光は第三の光線放射部５３ａに、第八のビーム光は第三の光分配器６３に、それぞれ入射する。第三の光線放射部５３ａは第七のビーム光を放射して第三の局発ビーム光を得る。第三の光線分割器５４で空間フーリエ変換された第四の放射ビーム光と第三の局発ビーム光を結合し、複数Ｍ個の第二の光検出器５６ａでビート信号を検出する。
【００４２】
図６は光のパワースペクトルを示した図であり、図７は第一の光検出器３７が測定する光のパワースペクトルを示した図である。
複数Ｍ個の第二の光検出器５６ａでビート信号を検出する際、図６（ｂ）に図示するように、第四の放射ビーム光の角周波数ω+Ω+ωＲＦと第三の局発ビーム光の角周波数ω+Ω+ωＬＯを、近い値とすることができる。このため、図７（ａ）に図示するように、ビート信号の角周波数が｜ωＬＯ−ωＲＦ｜となり、マイクロ波の角周波数ωＲＦと比較して低くすることができる。すなわち、図７（ｂ）に図示するように、第二の光検出器５６ａの帯域を受信マイクロ波の帯域≒ωＲＦに比べて低くすることが可能である。また、光学的にマイクロ波の角周波数Ω+ωＲＦから角周波数｜ωＬＯ−ωＲＦ｜にダウンコンバートするため、ダウンコンバータ７３ａの動作周波数を下げたり、省略したりすることが可能となる。さらに、低域ろ波器７１、信号選択器７２をマイクロ波帯の部品から、より低周波の部品に変えることが可能となる。
【００４３】
本実施の形態２では、同時に第二の光源６１の、第一の光源２１に対する周波数安定化を行っている。第一の光源２１の出射ビーム光（角周波数ω）を第一の光分配器２２ａで分割したビーム光の１つである第四のビーム光と、第二の光源６１の出射ビーム光（角周波数ω+Ω+ωＬＯ）を第二の光分配器６２で分割したビーム光の１つである第八のビーム光とを、第三の光分配器６３で結合し、第三の光検出器６４でビート信号（周波数Ω+ωＬＯ）を検出する。第三の光検出器６４はマイクロ波を検出する帯域を持つ。第二の発振器６５は周波数ω+Ω+ωＬＯ≒ω+Ω+ωＲＦで発振し、第二の位相同期回路６６は第三の光検出器６４と第二の発振器６５の信号を比較して第二の光源６１の周波数を制御する。以上のフィードバックループにより、第二の光源６１を第一の光源２１に対して一定の周波数差Ω+ωＬＯで安定に保つことができる（図６（ａ））。すなわち、第二の光源６１で発生した光を、第一の光源２１で発生した光と相対周波数が同期した光とすることができ、これを参照光として用いることができる。
【００４４】
以上のように、本実施の形態によれば、第一の光源２１に対して受信マイクロ波の周波数ωＲＦ程度の相対周波数Ω+ωＬＯに位相同期された第二の光源６１を用いるようにしているため、複数Ｍ個の第二の光検出器５６がωＲＦ程度に帯域を持つ必要がなくなり、また、受信端でのマイクロ波信号の処理が不要となるため、ダウンコンバータ７３などのマイクロ波部品点数の削減、小型化を実現できる。
【００４５】
実施の形態３．
以上の実施の形態１および実施の形態２は第一の光周波数シフタ３１により光位相の外乱を抑制したが、発光素子に直接変調を加えるようにすることで小型化させた実施の形態を示す。
【００４６】
この発明の実施の形態３を図８に示す。
この発明の実施の形態３は実施の形態１または実施の形態２の構成のうち、光源および光位相変調器２３および位相同期フィードバックループを除き、代わりに複数（Ｎ＋１）個の発光素子１０１、複数の光分割放射手段である該（Ｎ＋１）個の第四の光分配器１０２、複数の第二の受光手段である複数Ｎ個の第四の光検出器１０３、複数の位相制御手段である該Ｎ個の第三の位相同期回路１０４、第三の発振器１０７から構成される。また、図８には不要光を除去するための第一および第二の光終端器１０８、１０９についても記載してある。
【００４７】
図８では、第三の光線分割器５４の後段は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の第二の光検出器５６が配置され、それ以降の構成は図１や図５と同様である。したがって、第二の光検出器５６以降の構成を省略して図示している。
【００４８】
発光素子１０１は入射マイクロ波を光源変換する素子で、一般的には小型なレーザダイオードが用いられる。また、外部回路から周波数を制御できるものとする。第四の光分配器１０２は発光素子１０１の出射ビーム光の一部を取り出すもので、外部に出射する部分（図示せず）と、外部からの入射ビーム光と結合する部分（図示せず）を持つ。
【００４９】
次に動作について説明する。
まず、複数Ｎ個のアレーアンテナ１１が受信したマイクロ波信号を該Ｎ個の受信機１２を通して、複数（Ｎ＋１）個の発光素子１０１のうちＮ個に送り光に変換する。発光素子１０１としてレーザダイオードを用いた場合は印加する直流電流に受信マイクロ波信号の電流を足すことにより、マイクロ波信号が搬送波光の強度変調に変換される。
【００５０】
次に、発光素子１０１の出射光の一部を第四の光分配器１０２で取り出し、他の発光素子１０１の出射光とのビート信号（干渉縞）を第四の受光素子１０３で検出する。図８では近接の光分配器１０２で取り出した光と結合させてビート信号を検出している。検出結果を第三の位相同期回路１０４に送り、発光素子１０１の搬送波光の周波数を制御して、ビート信号の交流成分が無くなる（直流成分のみになる）よう（干渉縞を一定に保つよう）に制御する。以上のフィードバックループにより、複数Ｎ個の発光素子１０１の位相を同期させる。
【００５１】
また、残る１個の発光素子１０１−Ｌは局発光に用いるため他の発光素子１０１−１〜Ｎの周波数ωと受信するマイクロ波の周波数ωＲＦとの和周波程度の周波数ω+ω'ＬＯ≒ω+ωＲＦとする。発光素子１０１−Ｌの出射光の一部を第四の光分配器１０２−Ｌで取り出し、他の発光素子、例えば１０１−Ｎの光と結合し、ビート信号を第四の光検出器１０３−Ｌで検出する。第三の発振器１０７は周波数ω'ＬＯ≒ωＲＦ程度で発振させ、１０７と１０３−Ｌが同期するように、第三の位相同期回路１０４−Ｌにより発光素子１０１−Ｌの周波数を制御する。
【００５２】
最後に発光素子１０１−１〜Ｎの出射光を実施の形態２と同様に空間的にフーリエ変換し、１０１−Ｌとのビート信号を複数Ｍ個の第二の光検出器５６で検出することでマイクロ波信号の受信が達成される。
【００５３】
以上のように、アレーアンテナの受信マイクロ波を搬送波光の振幅に変換して光学的に空間フーリエ変換する際に、搬送波光の位相外乱を位相同期系で打ち消すようにしているので、アレーアンテナにおけるマイクロ波の伝搬方向別の弁別性能が向上するとともに、マイクロ波受信における利得の安定性が向上する。また、周波数シフト可能な発光素子を用いることにより実施の形態１よりも部品点数を削減することができる。
【００５４】
実施の形態４．
以上の実施の形態１および実施の形態２および実施の形態３は光学的な空間フーリエ変換を行う際に光の位相安定化を行った光制御型フェーズドアレーアンテナであるが、フェーズドアレーアンテナ１１から第二の光検出器５６までのマイクロ波の位相遅延が同じであることを前提としていた。マイクロ波の位相遅延の差も光の位相の差と同様の悪影響を及ぼす。マイクロ波の位相遅延の差を校正するようにした実施の形態を示す。
【００５５】
この発明の実施の形態４を図９と図１０を用いて説明する。
この発明の実施の形態４は、実施の形態１または実施の形態２または実施の形態３の構成に加え、複数Ｎ個の移相器１１１から構成される。
【００５６】
次に動作について説明する。
複数Ｎ個のアレーアンテナ１１それぞれにつき移相器１１１を設置し、マイクロ波の位相遅延を調整する。フェーズドアレーアンテナ１１から第二の光検出器５６までのマイクロ波の位相遅延を同一になるように校正を行う。
【００５７】
校正方法としては少なくとも以下の方法で校正が可能である。フローチャートを図１０に示す。準備として、参照となる平面波のマイクロ波（周波数ωＲＦ）をアレーアンテナ１１に所定の角度から入射する。計算により、参照マイクロ波の周波数と角度から干渉の強め合いが起こるべき位置を算出し、複数Ｍ個の第二の光検出器５６から当該位置の検出器を選択する。図示していないが、この干渉が強めあう位置の第二の光検出器５６を、第二の光検出器５６−ｍとする。
【００５８】
まず、複数Ｎ個のアレーアンテナ１１から１個の基準を定める。次に、残りのＮ−１個のうち１個を順番に選び、選んだ１個と基準の１個を除いたＮ−２個を無効化する。無効化する方法としては、アレーアンテナ１１を静電遮蔽する、第一の光線放射部２４を遮光する、その間のマイクロ波か光回路を一時的に遮断する方法が考えられ、これらのいずれでもよい。
【００５９】
参照マイクロ波をアレーアンテナ１１に入射し、光の位相同期を掛け、選んだアンテナ素子と基準のアンテナ素子との周波数ω+ωＲＦ(+Ω)成分の干渉縞を第二の光検出器５６−ｍで検出する。ここでωは第一の光源２１または発光素子１０１−１〜Ｎの周波数を表し、Ωは第一の発振器４１の周波数を表す。他の周波数成分の干渉縞からω+ωＲＦ(+Ω)成分の干渉縞を取り出すために第二の局発光とのビート信号を検出し、光検出器５６−ｍでビート信号が最大振幅となるように選んだアレーアンテナ１１の移相器１１１を調整する。
他のＮ−２個のアレーアンテナ１１についても同様の手順を繰り返す。
【００６０】
以上のように、アレーアンテナ間のマイクロ波信号の位相遅延差を校正できるようにしているので、アレーアンテナにおけるマイクロ波の伝搬方向別の弁別性能が向上し、受信特性が向上する。
【００６１】
実施の形態５．
実施の形態１〜実施の形態４では、マイクロ波受信用の光制御型フェーズドアレーアンテナを示したものであるが、中継用に用いられるようにした実施の形態を示す。
【００６２】
この発明の実施の形態５を図１１を用いて説明する。
この発明の実施の形態５は実施の形態１〜実施の形態４のいずれかの構成の復調装置７０を除き、代わりに複数Ｍ個の送信機１２１と該Ｍ個の送信アンテナ１２２を持つ。
【００６３】
次に動作について説明する。
第二の光検出器５６でマイクロ波信号を伝搬方向別にビート信号として検出するまでは実施の形態１〜４と同じである。第二の光検出器５６で送信機１２１でフィルタリングや増幅等の処理した後に送信アンテナ１２２で放射する。
送信の際、複数Ｎ個の送信機１２１の増幅率やフィルタリングを行うことで、特定の到来方向、特定の周波数のマイクロ波を波長多重で複数同時に送信することができる。
【００６４】
以上のように、到来方向別にマイクロ波を分離後に処理して送信することで、到来方向と周波数に対する柔軟なフィルタリング機能を持ったマイクロ波信号の中継器となる光制御型フェーズドアレーアンテナが得られる。
【００６５】
実施の形態６．
上記の実施の形態では、受信側に複数の光検出器を用いる構成とした光制御型フェーズドアレーアンテナを示したが、本実施形態では、光ミキシング後に集光レンズを用いて分割型の光検出器に集光する構成について述べる。
【００６６】
図１２はこのような場合の構成図を示したもので、図１２においてこれまでの実施形態と同一符号は同一又は相当部分を示し説明を省略する。また、図１３、図１４は本実施の形態による光制御型フェーズドアレーアンテナの動作を説明する図である。
これらの図において、２０１は空間光フーリエ変換手段である集光レンズ、２０２は複数の第一の受光手段である分割型光検出器、２０２ａ〜ｄは分割型光検出器の各素子、２０３はＲＦ（Radio Frequency）結合器、２０４、２０５はＲＦ位相を調整した場合の受信光のメインローブ、２０６はビーム幅を変更場合の受信光のメインローブ、２０７は重心演算手段である重心演算回路、２０８はキャリブレーションずれ検出手段であるオフセット位相誤差検出回路、２０９はキャリブレーションずれ補正信号発生手段であるオフセット位相信号発生器、である。
【００６７】
図１２において、これまでの実施形態と相違する点は、光線分割器５４の出力光を集光レンズ２０１にて集光し、複数の第一の受光手段としての単一の分割型光検出器２０２にて検出している点にある。通常の光検出器を用いた場合、図１３に示すように到来光の角度が変化すると、集光位置が変化するので、同一の検出器では受信が困難であった。また、光検出器を複数配置した場合でも、受信が隣接する光検出器との間に集光し、光の一部のパワーが光検出器に検出されず、失われてしまう場合があった。図１４は本実施の形態の分割型光検出器２０２を示したものであり、複数の光検出器が隣接して配置されている。このため、従来では対応が困難であったマルチビーム、ビーム幅可変に対応することが可能となる。また、本構成を用いることで、環境温度変化等により光制御型フェーズドアレーアンテナにキャリブレーションずれが生じた場合においても、光位相を調整することで、キャリブレーションずれを補償することが可能である。
【００６８】
以下、動作について説明する。
第一の光線分割器３２を出力した信号光と、第三の光線放射部５３を出力した局発光は、第三の光線分割器５４に入力する。そして、第三の光線分割器５４から出力した信号光と局発光を、集光レンズ２０１に入力する。これらの信号光と局発光を集光レンズ２０１にて分割型光検出器２０２に集光する。ここで、分割型光検出器２０２では集光ビームのメインローブ２０４のみを受光する。例として到来光によるオフセット位相が変化した場合のビームスポット位置変化を図１４に示す。各信号光のオフセット位相を到来光毎に調整することで、図１４（ａ）では集光ビームのメインローブ２０４を、図１４（ｂ）では集光ビームのメインローブ２０５を受光する様子を示している。このように、対応する集光スポットを分割型光検出器２０２の各素子２０２ａ〜２０２ｄで受光することが可能となる。
【００６９】
分割型光検出器２０２で受光した信号はそれぞれＲＦ結合器２０３と重心演算回路２０７に入力する。ＲＦ結合器２０３では、分割型光検出器２０２の各素子２０２ａ〜２０２ｄの出力信号を加算し、受信信号（受信データ）として出力する。ＲＦ結合器２０３にて各素子出力信号を加算するため、例えば図１４（ｃ）に集光ビームのメインローブ２０６で示すように、ビーム幅が可変となった場合においても、対応が可能である。このように、分割型光検出器２０２を用いることで、光検出器間の間隔を小さくすることができ、光検出器間のギャップを小さくすることができるので、集光ビームのパワーを有効に活用することができ、損失を少なくすることができる。
【００７０】
４分割型の分割型光検出器２０２を用いた本構成では、空間的に４分割しているため、４本の同一ビーム幅のマルチビームに対応可能であるが、周波数的に分離する（実施の形態１〜４）を併用することで、マルチビームの本数が増加した場合においても、対応可能である。
【００７１】
図１２の重心演算回路２０７では以下の式（１）を用いて重心演算を行い、集光スポット位置を検出する。ここで、ｄＸ、ｄＹは、集光スポット位置の中心からのずれに対応する量であり、ｄＸは図１４中左右方向（右側がプラス）、ｄＹは図１４中上下方向（上側がプラス）のずれ量を表している。また、Ｉａ〜Ｉｄは、分割型光検出器２０２の各素子２０２ａ〜２０２ｄで検出した出力信号の電流値であり、分割型光検出器２０２の各素子２０２ａ〜２０２ｄに入力する光信号の強度に対応した値である。
【００７２】
【数１】
2015015694.tif 000003
【００７３】
受信機１２から光位相変調器２３の伝送路において、熱や温度の変動などにより重畳する位相変調信号のオフセット位相が変化した場合、本来は図１５（ａ）が、位置が既知である所望の集光スポット位置であるところ、例えば図１５（ｂ）のように集光スポット位置が変化してしまうことがある。このとき、重心演算回路２０７の出力信号に式（１）のｄＸ、ｄＹに相当する量にもずれが生じる。例えばｄＸ、ｄＹの値が、本来であれば図１６の点（ａ）で示す量であるところ、図１６の点（ｂ）で示す量に変化してしまう。
【００７４】
ＲＦ結合器２０３出力の受信データ信号の一信号は式（２）であらわされる。式（２）において、Ｉｍは受信データ信号（電流値）、Ａは受信効率等を考慮した受信データ信号の振幅成分、ｆｍは受信信号の周波数、Δφoptは光位相同期時のオフセット位相、φmiは位相変調器に重畳する信号の位相である。
【００７５】
【数２】
2015015694.tif 000004
【００７６】
ｆｍおよびφmiは受信機１２から出力される信号と熱や温度の変動などで予め決まる値であるが、式（２）より、位相同期回路のオフセット位相Δφoptを制御することで、受信データ信号の位相を制御することができる。検出した集光スポット位置ずれ量をオフセット位相誤差検出回路２０８にて検出し、オフセット位相信号発生器２０９を介して光位相同期回路のオフセット位相に重畳することで、位相変調信号のオフセット位相変化を補償することが可能となる。
【００７７】
上記した実施の形態は光分割型検出器２０２に４分割型の検出器を仮定したものであるが、上記の分割方式に限定するものではなく、例えば２分割素子を使用した場合においても実現可能であるし、他の分割数の分割型光検出器を用いても良い。また、受信部を実施形態１〜４に適用することで、その他実施形態にも対応可能である。
【００７８】
以上のように本実施の形態によれば、実施の形態１に示したものと同様な効果が得られるとともに、分割型光検出器を用いることで、光検出器間の間隔を小さくすることができ、集光ビームのパワーを有効に活用して損失を少なくすることができるという効果が得られる。
【００７９】
実施の形態７．
以下図面を参照して本発明の実施の形態７を説明する。実施の形態６では、光線分割器５４の出力の１光路のみを用いた構成としたが、本実施形態では、光線分割器５４出力の２光路を用いて分割型光検出器を２種類用いる構成とした。図１５はこのような場合の構成図を示したもので、図１５においてこれまでの実施形態と同一あるいは類似の要素は同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
【００８０】
図１５において、２１０は集光レンズ、２１１は分割型光検出器、２１１ａ〜ｄは分割型光検出器の各素子、２１２はＲＦ結合器、２１３は重心演算回路、２１４は集光ビームスポットイメージ、である。
【００８１】
以下、動作について説明する。
第一の光線分割器３２を出力した信号光と、第三の光線放射部５３を出力した局発光は、第三の光線分割器５４に入力する。そして、第三の光線分割器５４から出力した信号光と局発光を、集光レンズ２０１とは異なる方向に設けられた集光レンズ２１０に入力する。これらの信号光と局発光を集光レンズ２１０にて、分割型光検出器２０２とは別に設けられた分割型光検出器２１１に集光する。図１６に示すように分割型光検出器２１１は、他方の分割型光検出器２０２と同様に４分割の分割型光検出器であり、分割型光検出器２０２とは配置パターンを４５度傾けた配置とする。これにより、図１６（ａ）に示すように分割型光検出器２０２では集光ビームスポットが複数の受光素子（２０２ａ、２０２ｂ）にまたがってしまうが、分割型光検出器２１１では受光素子２１１ａのみで受信することが可能となる。
【００８２】
分割型光検出器２１１の各受光素子２１１ａ〜２１１ｄで受信した信号はＲＦ結合器２１２で加算されるとともに、重心演算回路２１３でビームスポット位置の検出を行うことに用いられる。ＲＦ結合器２１２で加算された信号は受信信号として出力される。一方、重心演算回路２１３から出力されたビーム位置信号はオフセット位相誤差検出回路２０８によりビーム位置ずれを検出し、ずれ量を補正する信号をオフセット位相信号発生器２０９を介して位相制御信号に重畳する。
【００８３】
以上の構成を用いることで、アンテナ到来ビーム数が増加した場合においても、周波数領域でなく、空間的に信号を分離することが可能となる。
【００８４】
上記した実施の形態は光分割型検出器２１１に４分割型の検出器を仮定したものであるが、上記の分割方式に限定するものではなく、例えば２分割素子を使用した場合においても実現可能である。光分割型検出器２０２と光分割型検出器２１１に、ともに２分割素子を使用して、これらの配置パターンを９０度傾けた配置としても良い。また、光線分割器５４と分割型光検出器２１１を複数用いる構成とすることで、到来ビーム数増加に対応可能である。
【００８５】
実施の形態８．
以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。上記実施形態では、１つの信号光を１つの光検出器で受信し、光位相同期を実現する構成としたが、本実施形態では、各信号光に異なる位相変調を重畳することで、単一の光検出器にて複数信号光を受信し、受信信号を周波数領域で分離する構成とした。
【００８６】
本実施の形態の全体構成図を図１７に、周波数弁別回路の構成図を図１８に示す。図１７、１８において、これまでの実施形態と同一あるいは類似の要素は同一の参照番号を付し、その説明を省略する。これらの図において、２１５は集光レンズ、２２０は光検出器、２２１は周波数弁別回路、２２２−ｉ（ｉは１からＮまでの整数、以下同様）は信号加算手段であるＲＦ加算回路、２２３−ｉは識別信号発生手段であり、それぞれ角周波数ωｉ（周波数ｆｉ）を出力する弁別用ＲＦ発振器、２２４−ｉはＲＦ分配器、２２５−ｉは周波数変換手段である周波数変換器、２２６はＲＦ分配器、２２７−ｉはそれぞれ角周波数ωｉ（周波数ｆｉ）を透過するバンドパスフィルタ、２２８はバンドパスフィルタ、である。
【００８７】
ＲＦ分配器２２６と複数のバンドパスフィルタ２２７−ｉによって受信信号分離手段を構成している。
【００８８】
以下、動作について説明する。
図１８の周波数弁別回路２２１内の各弁別用ＲＦ発振器２２３−ｉ（ｉは１からＮまでの整数、以下同様）から各信号光毎用としてそれぞれ異なる角周波数ωｉ（周波数ｆｉ）を出力する。図１７で、この弁別用ＲＦ発振器２２３−ｉからの出力を、アンテナからの受信信号とＲＦ加算回路２２２−ｉにおいて加算し、その後、光位相変調器２３−ｉにおいてこの信号を光信号に重畳する。位相変調が重畳された光信号は光線分割器３２で一部が分離され、光線分割器３６を通過後、集光レンズ２１５を通過させて光検出器２２０に集光する。
【００８９】
光検出器２２０で電気信号に変換された受信信号を周波数弁別回路２２１に入力する。周波数弁別回路２２１では、図１８に示すように、光検出器２２０からの受信信号をＲＦ分配器２２６およびバンドパスフィルタ２２７−ｉによって周波数毎（ｆ１〜ｆＮ）に分離する。これらを周波数変換器２２５−ｉにおいて周波数変換し、図１７の位相同期回路４３−ｉにそれぞれ入力する。
【００９０】
周波数弁別回路２２１では、ＲＦ分配器２２６とバンドパスフィルタ２２７−ｉによって受信信号を周波数に応じてＮ分岐し、それぞれ対応する弁別用ＲＦ発振器２２３−ｉの出力信号と周波数変換器２２５−ｉでミキシングすることで、周波数変換を行う。図１９に受信信号から周波数変換後の信号までのスペクトルイメージ図を示す。受信信号は光周波数シフタのシフト量分の角周波数Ωにキャリア信号成分を持ち、Ω（光周波数シフタ周波数）±ω１〜ωＮ（周波数弁別周波数）＋ωＲＦ（アンテナ到来ビーム周波数）のサイドキャリア信号を持つ。
【００９１】
ここで、信号光路に対応する周波数のバンドパスフィルタ２２７−ｉにより所望の角周波数の信号のみを分離する（例えば、Ω＋ω２）。分離後、弁別用ＲＦ発振器２２３−ｉの発振角周波数（例えば、ω２）を用いて受信信号をダウンコンバートすることで、周波数Ωの信号として出力することができる。この周波数Ωの信号をそれぞれ周波数弁別回路２２１から図１７の位相同期回路４３−ｉに出力する。
【００９２】
それぞれの周波数Ωの信号を位相同期回路４３−ｉを介して、光周波数シフタ３１−ｉにフィードバックすることで、それぞれの信号について位相同期が確立される。本方式を用いた場合、分割型光検出器２０２で受信される信号には弁別用ＲＦ信号ωｉが同時に重畳されているため、ＲＦ結合器２０６の後段にバンドパスフィルタ２２８を用いて弁別用ＲＦ信号ωｉを抑圧している。
【００９３】
上記した実施形態は光分割型検出器に４分割型の検出器を仮定したものであるが、上記の分割方式に限定するものではなく、例えば２分割素子を使用した場合においても実現可能であり、その他の分割方式を用いても良い。
【００９４】
以上のように、本実施の形態による光制御型フェーズドアレーアンテナによれば、各ビームに対応する信号を空間的にではなく、周波数的に分離することができるため、光線分割器などの光学部品を少ないビームに対応する大きさのものにすれば良く、小型化が図れる。したがって、小型な光制御型フェーズドアレーアンテナを得られるという効果がある。
【符号の説明】
【００９５】
１１  アレーアンテナ、１２  受信機、２１  第一の光源、２２  第一の光分配器、２３  光位相変調器、２４  第一の光線放射部、３１  第一の光周波数シフタ、３２  第一の光線分割器、３３  リレー光学系、３５  第二の光線放射部、３６  第二の光線分割器、３７  第一の光検出器、４１  第一の発振器、４２  信号分配器、４３  第一の位相同期回路、５１  フーリエ変換光学系、５２  光周波数シフタ、５３  第三の光線放射部、５４  第三の光線分割器、５５  光線入射部、５６  第二の光検出器、６１  第二の光源、６２  第二の光分配器、６３  第三の光分配器、６４  第三の光検出器、６５  第二の発振器、６６  第二の位相同期回路、７０  復調装置、７１  低域ろ波器、７２  信号選択器、７３  ダウンコンバータ、７４  復調器、１０１  発光素子、１０２  第四の光分配器、１０３  第四の光検出器、１０４  第三の位相同期回路、１０７  第三の発振器、１０８  第一の光終端器、１０９  第二の光終端器、１１１  移相器、１２１  送信機、１２２  送信アンテナ、２０１  集光レンズ、２０２  分割型光検出器、２０２ａ〜ｄ  分割型光検出器の各素子、２０３  ＲＦ結合器、２０４、２０５、２０６  受信光のメインローブ、２０７  重心演算回路、２０８  オフセット位相誤差検出回路、２０９  オフセット位相信号発生器、２１０  集光レンズ、２１１  分割型光検出器、２１１ａ〜ｄ  分割型光検出器の各素子、２１２  ＲＦ結合器、２１３  重心演算回路、２１４  集光ビームスポットイメージ、２１５  集光レンズ、２２０  光検出器、２２１  周波数弁別回路、２２２  ＲＦ加算回路、２２３  弁別用ＲＦ発振器、２２４  ＲＦ分配器、２２５  周波数変換器、２２６  ＲＦ分配器、２２７  バンドパスフィルタ、２２８  バンドパスフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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