(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力した光波を複数のビームに空間的に分割する光波分割手段と、
前記光波分割手段で空間的に分割された複数のビームをそれぞれ位相変調する空間位相変調手段と、
を備えたことを特徴とする光位相遅延制御装置。
【請求項２】
前記光波分割手段は、ピンホールアレイまたはレンズアレイであることを特徴とする請求項１に記載の光位相遅延制御装置。
【請求項３】
前記空間位相変調手段は、液晶空間位相変調器、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）空間位相変調器、またはデフォーマブルミラーであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光位相遅延制御装置。
【請求項４】
前記空間位相変調手段で位相変調された複数のビームを転送先と共役関係で転送する像転送光学系と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光位相遅延制御装置。
【請求項５】
光波を発生する光波発生手段と、
前記光波発生手段で発生した光波を分配する光波分配器と、
前記光波分配器で分配された第１の光波の周波数または第２の光波の周波数を、入力した無線信号の周波数だけ偏移させる光周波数シフタと、
前記光周波数シフタまたは前記光波分配器からの第１の光波の強度分布と位相分布を、所定のアンテナ放射ビーム形状に対応する強度分布と位相分布に変換する変換手段と、
前記光波分配器または前記光周波数シフタからの第２の光波が入力される請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光位相遅延制御装置と、
前記変換手段で変換された第１の光波と前記光位相遅延制御装置からの複数のビームとを合成する合成手段と、
前記合成手段で合成された光波を、前記複数のビームに対応する複数の光波としてそれぞれ空間的にサンプリングする光サンプリング手段と、
前記光サンプリング手段でサンプリングされた複数の光波をそれぞれ無線信号に光電変換して各素子アンテナに出力する光電変換手段と、
を備えたことを特徴とする光制御型ビーム形成回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばアレイアンテナにおける各素子アンテナの励振振幅位相の制御を光領域で行うための光制御型ビーム形成回路などに用いられる光位相遅延制御技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光制御アレイアンテナにおいて、光制御型ビーム形成回路における参照光の光波の空間位相分布を制御することで、各素子アンテナの位相遅延量を制御するようにしたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１３６７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された従来の光制御型ビーム形成回路においては、所定の空間位相分布を与えられた光波が光サンプリング手段まで空間伝播するようにしているので、空間伝播中の回折により波面が歪み、光サンプリング手段で検出される位相遅延量が所定量からずれてしまうという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、例えば光制御型ビーム形成回路に用いる光位相遅延制御装置において、光位相遅延制御の高精度化を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る光位相遅延制御装置は、入力した光波を複数のビームに空間的に分割する光波分割手段と、前記光波分割手段で空間的に分割された複数のビームをそれぞれ位相変調する空間位相変調手段と、を備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、光位相遅延制御装置において、光位相遅延制御の高精度化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１による光位相遅延制御装置は、光波分割手段としてのピンホールアレイにおいて、他のビームレットとの干渉を生じない程度の間隔を空けるようにして、レーザビームを複数のビームレットに分割した後、空間位相変調手段としての液晶空間位相変調器において、各ビームレットの空間位相分布は略平面波のまま、複数のビームレット間に相対的な光位相遅延量を与えるようにしたので、空間伝播中の回折の影響が抑えられ、光位相遅延制御の高精度化を実現することができるものである。
【０００９】
図１は、この発明の実施の形態１による光位相遅延制御装置を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。
図１において、１は例えば拡大レンズをもつ光学系などからなる光波放射手段、２は光波放射手段１により空間に放射されたレーザビームである光波、３は光波２を空間的に分割する光波分割手段としてのピンホールアレイ、４は光波分割手段３により生成された複数のビームとしての小開口レーザビーム（以下ビームレットと呼ぶ）、５は空間位相変調手段としての液晶空間位相変調器、６は光サンプリング手段、７は光電変換手段、８は電力信号である。また、９は光波２またはビームレット４の空間位相分布の様子を模式的に示すもの、１０は空間位相変調手段５で与えられる光位相遅延量の様子を模式的に示すものである。なお、光波分割手段３と空間位相変調手段５とで光位相遅延制御装置を構成する。
また、図１においては、一例として光波分割手段３が光波２を５つのビームレット４に分割する場合について示しているが、分割数はこれに限られるものではない。
【００１０】
次に動作について説明する。
図１において、光波２は有限のビーム径をもつレーザビームであり、光波２の空間位相分布９は略平面波面である。光波２は光波分割手段３により、小開口レーザビーム群である複数のビームレット４に変換される。光波分割手段３は、金属板に複数のピンホールを開けたピンホールアレイとして実現される。この各ピンホールを通過した各ビームレット４の空間位相分布９は略平面波であり、また、各ビームレット４の周囲には、他のビームレットとの干渉を生じない程度の間隔が空けられている。これにより、光波２の振幅分布と位相分布をそのまま各部分毎に保って、ビーム径が小さいレーザビームの束に分割することができる。さらに、各ビームレット４の配列は後に説明する光サンプリング手段６の各検出素子の配列に一致するように構成する。
【００１１】
空間位相変調手段５は、例えば液晶空間位相変調器であり、入射する光波に対し任意の空間位相変化を与える。空間位相変調手段５による空間位相変化量は、ひとつのビームレット４の空間位相分布９は略平面波のまま、複数のビームレット４間に相対的な位相遅延量１０を与えるように制御する。なお、液晶空間位相変調器は、各液晶素子の電圧印加による屈折率変化を利用して、各液晶素子を透過する光波の光学長をそれぞれ変化させることより、光波に空間位相変化（すなわち位相変調）を与えるものである。光サンプリング手段６は複数の検出素子を配列したものであり、各ビームレット４を各検出素子でサンプリングして光電変換手段７に導く。光電変換手段７は複数の光電変換素子を配列したものであり、各ビームレット４に対応する複数の電力信号８を出力する。
【００１２】
一般に知られているように、平面波面や球面波面は空間伝播による回折の影響を受けにくく、空間位相分布９を維持したまま伝播する性質がある。このため、各ビームレット４は、他のビームレットとの干渉を生じないような間隔が空けられており、空間位相変調手段５により位相遅延量１０を与えられても略平面波のままであることから、光サンプリング手段６までの空間伝播において略平面波のまま到達するのである。
【００１３】
以上のように、この発明の実施の形態１による光位相遅延制御装置においては、光波２をビームレット４に変換することで、光位相遅延量１０の相対的な空間分布如何に関わらず、略平面波の空間伝播によって光サンプリング手段６まで到達することができるので、空間伝播における回折の影響が抑えられ、安定した光位相遅制御が可能となる。
【００１４】
また、上述の特許文献１に開示された従来の光制御型ビーム形成回路においては、参照光の空間伝播による回折によって、光波の位相だけでなく、振幅分布が変化する場合がある。この振幅の変化により、光サンプリング手段を介する光電変換出力が不安定となり、素子アンテナの励振する電界強度も不安定となり、結果としてマイクロ波放射強度パターンが歪むことが問題となる場合があった。これに対して、この発明の実施の形態１による光位相遅延制御装置においては、ビームレット４では、空間伝播における回折の影響が抑えられ、光位相遅延量１０の相対的な空間分布如何にかかわず振幅分布は一定であるので、光サンプリング手段６を介して光電変換手段７から出力される電力信号８を安定化することが可能となる。
【００１５】
また、上述のように、この発明の実施の形態１による光位相遅延制御装置においては、空間位相変調手段５として液晶空間位相変調器を用いる場合を示したが、空間位相変調手段５としては、上述のような光位相遅延制御を行うことが可能な空間位相変調器であれば何を用いても良い。例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）空間位相変調器や、デフォーマブルミラー（可変形鏡とも呼ばれる）などの反射型の空間位相変調器を使用することによっても、実施の形態１による光位相遅延制御装置と同様の効果を奏する。なお、ＭＥＭＳ空間位相変調器は、アクチュエータなどによる各ミラー素子の位置変化を利用して、各ミラー素子で反射する光波の光路長をそれぞれ変化させることより、光波に空間位相変調を与えるものである。また、デフォーマブルミラーは、アクチュエータなどによるミラーの部分的変形を利用して、ミラーの各部分で反射する光波の光路長をそれぞれ変化させることより、光波に空間位相変調を与えるものである。
【００１６】
実施の形態２．
実施の形態１では、光波分割手段としてピンホールアレイを用いるようにしたが、実施の形態２は、ピンホールアレイの代わりに、レンズアレイを用いるようにしたものである。
【００１７】
図２は、この発明の実施の形態２による光位相遅延制御装置を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。
図２において、３ａは光波２を空間的に分割し、球面波面をもつ複数のビームとしてのビームレット４に変換する光波分割手段としてのレンズアレイ（以下レンズレットアレイと呼ぶ）である。なお、光波分割手段３ａと空間位相変調手段５とで光位相遅延制御装置を構成する。
【００１８】
次に動作について説明する。
光波分割手段３ａは、実施の形態１における光波分割手段３に相当するものであるが、出力される各ビームレット４は収束ビームとなり、その空間位相分布９は球面波面となる。光サンプリング手段６をビームレット４のビームウェスト位置に配置することで、光サンプリング手段６が検出する波面は平面波面とすることが可能である。これにより、実施の形態１と同様に動作するのである。
【００１９】
ここで、実施の形態１では、平面波面をもつ平行ビームの各ビームレット４の間隔を空けるために、光波分割手段３としてのピンホールアレイにおいて、光波２がピンホール以外の部分で遮られるようにしているので、光波２からビームレット４への変換エネルギー損失が発生する。これに対して、実施の形態２では、光波分割手段３ａとしてのレンズレットアレイにおいて、光波２がほとんど遮られることなく、球面波面をもつ収束ビームの各ビームレット４に変換されるようにしているので、光波２からビームレット４への変換エネルギー損失を低減することができる。
【００２０】
以上のように、この発明の実施の形態２による光位相遅延制御装置においては、光波分割手段３ａとしてレンズレットアレイを用いているので、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、光波２からビームレット４への変換エネルギー損失を低減することができる。
【００２１】
実施の形態３．
実施の形態２では、ビームレット４を、光波分割手段３ａから光サンプリング手段６まで空間伝播するようにしたが、実施の形態３は、ビームレット４を、さらに像転送光学系２０で転送するようにしたものである。
【００２２】
図３は、この発明の実施の形態３による光位相遅延制御装置を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。
図３において、２０は複数のレンズで構成された像転送光学系である。なお、光波分割手段３ａと空間位相変調手段５と像転送光学系２０とで光位相遅延制御装置を構成する。
また、空間位相変調手段５は、図中光波分割手段３ａと光サンプリング手段６との間であれば、どこに設置されても良い。
【００２３】
次に動作について説明する。
像転送光学系２０は、レンズの結像作用を利用し、物空間の特定座標における光波の位相と強度を像空間の特定座標に転送するものである。この実施の形態３においては、各ビームレット４のビームウェストと光サンプリング手段６の各検出素子とが共役関係（物体と像の関係）となるように配置している。これにより、光サンプリング手段６が検出する波面は平面波面とすることが可能で、実施の形態２と同様に動作するのである。
【００２４】
ここで、実施の形態２では、ビームレット４の口径が空間伝播による回折により増大するので、光波分割手段３ａと光サンプリング手段６との間隔をある距離以上にできないという制限がある。これに対して、実施の形態３においては、光波分割手段３ａと光サンプリング手段６との間に像転送光学系２０を配置し、ビームレット４の口径が空間伝播による回折により増大する途中で転送するようにしているので、制限距離を拡大することが可能となる。
【００２５】
以上のように、この発明の実施の形態３による光位相遅延制御装置においては、レンズレットアレイである光波分割手段３ａと光サンプリング手段６との間に像転送光学系２０を配置するようにしたので、実施の形態２と同様の効果が得られるとともに、ビームレット４の空間伝播における制限距離を拡大することができる。
【００２６】
なお、上述のように、この発明の実施の形態３では、レンズレットアレイである光波分割手段３ａと光サンプリング手段６との間に像転送光学系２０を配置する場合を示したが、実施の形態１におけるピンホールアレイである光波分割手段３と光サンプリング手段６との間に像転送光学系２０を配置するように構成しても良い。
【００２７】
実施の形態４．
実施の形態４は、光制御アレイアンテナの光制御型ビーム形成回路に、実施の形態１〜３による光位相遅延制御装置を用いるようにしたものである。
【００２８】
図４は、この発明の実施の形態４による光制御型ビーム形成回路を用いた光制御アレイアンテナを示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。
図４において、３１は光波としてのレーザ光を発生する光波発生手段、３２は光波発生手段３１からのレーザ光を２つの光路に分岐する光波分配器、３３は光波分配器３２により分岐された一方のレーザ光の周波数を偏移させる光周波数シフタ、３４は光周波数シフタ３３からのレーザ光を空間に放射してレーザビームを形成する光波放射手段、３５は光波放射手段３４で形成されたレーザビームである光波、３６は光波３５の強度分布を変化させる第１の変換手段、３７は第１の変換手段３６から到来する光波３５をフーリエ変換する第２の変換手段、３８は第２の変換手段３７から到来する光波３５と空間位相変調手段５ａから到来する各ビームレット４を合成する合成手段、３９は光サンプリング手段６を介する無線信号としての電気出力を増幅する増幅器、４０は増幅電気出力を空間に放射する素子アンテナである。なお、第１の変換手段３６と第２の変換手段３７とで変換手段を構成する。
【００２９】
また、図４において、５ａは反射型の空間位相変調手段であり、その他の光位相遅延制御装置に関する各構成要素は、実施の形態１に対応する図１に示したものと同様である。ただし、これらの光位相遅延制御装置に関する各構成要素として、実施の形態２に対応する図２に示したもの、または、実施の形態３に対応する図３に示したものを適用するようにしても良い。
なお、図４に示した各構成要素のうち、増幅器３９と素子アンテナ４０とを除くもので光制御型ビーム形成回路を構成する。
また、図４において、光周波数シフタ３３を光波分配器３２と光波放射手段１との間に設けるように変更しても良く、周波数を逆に偏移させることで同様の動作が可能である。
また、図４において、光波発生手段３１から光波放射手段３４までの間、光波発生手段３１から光波放射手段１までの間、または光サンプリング手段６と光電変換手段７の間は、光ファイバで接続するようにしても良い。
【００３０】
次に動作について説明する。
光波発生手段３１から発生した光波は光波分配器３２により２つの光波に分配される。一方の第１の光波は光周波数シフタ３３により、他方の第２の光波の周波数から無線信号の周波数だけ異なる周波数の光波に変換される。これと同時に、光周波数シフタ３３により、この第１の光波に対して無線信号が外部変調される。この第１の光波は光波３５として光波放射手段３４により空間に放射され、第１の変換手段３６により、所定のアンテナ放射パターンに対応した強度分布をもつレーザビームに変換される。第１の変換手段３６により変換された光波３５は第２の変換手段３７により、光波の振幅分布と位相分布がフーリエ変換される。
【００３１】
光波分配器３２により分配された他方の第２の光波は、レーザビームである光波２として光波放射手段１により空間に放射され、光波分割手段３により各ビームレット４に変換される。各ビームレット４は反射型の空間位相変調手段５ａで反射し、合成手段３８に入射する。合成手段３８はビームスプリッタであり、図４に示すように各ビームレット４を反射し、かつ光波３５を透過させることで各ビームレット４と光波３５とを合成する。合成された各ビームレット４と光波３５は光サンプリング手段６を介して光電変換手段７で光電変換され、各増幅器３９で増幅されてから各素子アンテナ４０で無線信号となって空間に放射される。
【００３２】
光放射手段１、光波２、光波分割手段３、ビームレット４、空間位相変調手段５ａ、光サンプリング手段６、光電変換手段７は実施の形態１〜３によるものと同様に動作する。これらを含む光制御型ビーム形成回路を用いて、複数のビームレット４の光位相遅延量を任意に制御し、素子アンテナ４０の移相器として使用するのである。
【００３３】
以上のように、この発明の実施の形態４による光制御型ビーム形成回路においては、実施の形態１〜３に示した光位相遅延制御を高精度化した光位相遅延制御装置を用いているので、位相遅延量に関わらず、安定した位相と強度のアンテナ放射パターンを供給することが可能となる。
【００３４】
なお、上述のように、この発明に係る光位相遅延制御装置は、光制御アレイアンテナに用いられる光制御型ビーム形成回路への適用に有用であるが、用途はこれに限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の実施の形態１による光位相遅延制御装置を示す構成図
【図２】この発明の実施の形態２による光位相遅延制御装置を示す構成図
【図３】この発明の実施の形態３による光位相遅延制御装置を示す構成図
【図４】この発明の実施の形態４による光制御型ビーム形成回路を示す構成図
【符号の説明】
【００３６】
２、３５  光波
３、３ａ  光波分割手段
４  ビームレット
５、５ａ  空間位相変調手段
６  光サンプリング手段
７  光電変換手段
３１  光波発生手段
３２  光波分配器
３３  光周波数シフタ
３６  第１の変換手段
３７  第２の変換手段
３８  合成手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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