(57)【要約】【課題】集光パターンにサイドローブのない安定した光位相同期レーザを得る。【解決手段】分岐された各信号光を周波数が異なるディザリング信号で変調する光位相変調器５と、変調された各信号光の伝搬角度を調整するアダプティブミラー７と、伝搬角度が調整された各信号光を同一光路に合波する回折光学素子８と、合波された光から信号光間の伝搬角度誤差を取得する伝搬角度取得手段（４象限角度検出器１０、周波数弁別回路１１及び重心演算回路１２）と、伝搬角度誤差を基にアダプティブミラー７を制御するサーボ回路１３と、合波された光を受信して受信信号に光電変換する単一受信機１６と、受信信号を基に信号光間の位相誤差の検出・補償を行う位相誤差検出・補償手段（周波数弁別回路１７及び位相同期回路１８）とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一周波数の基準光を複数の信号光に分岐し、当該信号光間の位相誤差の検出・補償を行った上で当該信号光をコヒーレント加算する光位相同期レーザにおいて、
前記分岐された各信号光を周波数がそれぞれ異なるディザリング信号で変調する変調手段と、
前記変調手段により変調された各信号光の伝搬角度を調整する伝搬角度調整手段と、
前記伝搬角度調整手段により伝搬角度が調整された各信号光を同一光路に合波する合波手段と、
前記合波手段により合波された光に基づいて、前記信号光間の伝搬角度誤差を取得する伝搬角度取得手段と、
前記伝搬角度取得手段により取得された伝搬角度誤差に基づいて、前記伝搬角度調整手段を制御する伝搬角度制御手段と、
前記合波手段により合波された光を受信して受信信号に光電変換する単一受信機と、
前記単一受信機により光電変換された受信信号に基づいて、前記信号光間の位相誤差の検出・補償を行う位相誤差検出・補償手段とを備えた
ことを特徴とする光位相同期レーザ。
【請求項２】
前記変調手段は、前記各信号光を周波数がそれぞれ異なるディザリング信号で強度変調する光強度変調器であり、
前記伝搬角度取得手段は、
前記合波手段により合波された光を受信し、当該光の受光面に対する受信位置情報を付加した受信信号に光電変換する４象限角度検出器と、
前記４象限角度検出器により光電変換された受信信号を前記ディザリング信号周波数成分ごとに分離する周波数弁別回路と、
前記周波数弁別回路によりディザリング信号周波数成分ごとに分離された受信信号に対して重心演算を行い、前記信号光間の伝搬角度誤差を取得する重心演算回路とを備えた
ことを特徴とする請求項１記載の光位相同期レーザ。
【請求項３】
単一周波数の基準光を複数の信号光に分岐し、当該信号光間の位相誤差の検出・補償を行った上で当該信号光をコヒーレント加算する光位相同期レーザにおいて、
前記分岐された各信号光を周波数がそれぞれ異なるディザリング信号で変調する変調手段と、
前記変調手段により変調された各信号光の伝搬角度を調整する伝搬角度調整手段と、
前記伝搬角度調整手段により伝搬角度が調整された各信号光を同一光路に合波する合波手段と、
前記合波手段により合波された光と参照光とを合波する第２の合波手段と、
前記第２の合波手段により合波された光を受信し、当該光の受光面に対する受信位置情報を付加した受信信号に光電変換する４象限角度検出器と、
前記４象限角度検出器により光電変換された受信信号に基づいて、前記信号光間の伝搬角度誤差を取得する伝搬角度取得手段と、
前記伝搬角度取得手段により取得された伝搬角度誤差に基づいて、前記伝搬角度調整手段を制御する伝搬角度制御手段と、
前記４象限角度検出器により光電受信された受信信号に基づいて、前記信号光間の位相誤差の検出・補償を行う位相誤差検出・補償手段とを備えた
ことを特徴とする光位相同期レーザ。
【請求項４】
前記基準光はパルス光である
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の光位相同期レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、単一周波数の基準光を複数の信号光に分岐し、当該信号光間の位相誤差の検出・補償を行った上で当該信号光をコヒーレント加算する光位相同期レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高出力レーザシステムの実現方法として、単一のレーザ光を光増幅の種光として、分岐後に光増幅してから合成を行うコヒーレントビーム結合（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｂｅａｍ  Ｃｏｍｂｉｎｅ：ＣＢＣ）が知られている（例えば特許文献１，２参照）。この特許文献１，２に開示されたＣＢＣベースの高出力レーザでは、各光路の位相を揃えてビームを出力することで単一のローブを持った集光パターンを形成している。
【０００３】
しかしながら、上記の高出力レーザシステムでは、信号光を空間的に配列した場合、集光パターンにサイドローブが発生するという課題がある。この課題を解決するために、回折格子などのＤＯＥ（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）を用いて空間的に合波し単一ビームにするという手法が提案されている（例えば非特許文献１，特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３２３７７４号公報
【特許文献２】特開２０１１−１８５５６７号公報
【特許文献３】特表２０１１−５０７０３５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ．Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．４，Ｆ１５，２００８
【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、非特許文献１や特許文献３のように、回折格子などを用いて単一ビームを生成する場合、ＤＯＥに入射する信号光の角度が重要となる。そして、信号光の入射角度が最適値からずれた場合、ＤＯＥ出力ビームは単一ビームとならず、損失が発生するという課題がある。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、集光パターンにサイドローブのない安定した光位相同期レーザを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る光位相同期レーザは、分岐された各信号光を周波数がそれぞれ異なるディザリング信号で変調する変調手段と、変調手段により変調された各信号光の伝搬角度を調整する伝搬角度調整手段と、伝搬角度調整手段により伝搬角度が調整された各信号光を同一光路に合波する合波手段と、合波手段により合波された光に基づいて、信号光間の伝搬角度誤差を取得する伝搬角度取得手段と、伝搬角度取得手段により取得された伝搬角度誤差に基づいて、伝搬角度調整手段を制御する伝搬角度制御手段と、合波手段により合波された光を受信して受信信号に光電変換する単一受信機と、単一受信機により光電変換された受信信号に基づいて、信号光間の位相誤差の検出・補償を行う位相誤差検出・補償手段とを備えたものである。
【０００９】
また、この発明に係る光位相同期レーザは、分岐された各信号光を周波数がそれぞれ異なるディザリング信号で変調する変調手段と、変調手段により変調された各信号光の伝搬角度を調整する伝搬角度調整手段と、伝搬角度調整手段により伝搬角度が調整された各信号光を同一光路に合波する合波手段と、合波手段により合波された光と参照光とを合波する第２の合波手段と、第２の合波手段により合波された光を受信し、当該光の受光面に対する受信位置情報を付加した受信信号に光電変換する４象限角度検出器と、４象限角度検出器により光電変換された受信信号に基づいて、信号光間の伝搬角度誤差を取得する伝搬角度取得手段と、伝搬角度取得手段により取得された伝搬角度誤差に基づいて、伝搬角度調整手段を制御する伝搬角度制御手段と、４象限角度検出器により光電受信された受信信号に基づいて、信号光間の位相誤差の検出・補償を行う位相誤差検出・補償手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、上記のように構成したので、集光パターンにサイドローブのない安定した光位相同期レーザを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る光位相同期レーザの構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る光位相同期レーザの全体動作を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１における４象限角度検出器の受信イメージを示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１における受信信号のスペクトルイメージを示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る光位相同期レーザの構成を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２における４象限角度検出器に対する接続を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る光位相同期レーザの構成を示す図である。
光位相同期レーザは、図１に示すように、基準光源１、光分岐スプリッタ２、光Ｎ分岐スプリッタ３、光周波数シフタ４、光位相変調器（変調手段）５、コリメータ６、アダプティブミラー（伝搬角度調整手段）７、回折光学素子（合波手段）８、ビームスプリッタ９、４象限角度検出器（伝搬角度取得手段）１０、周波数弁別回路（伝搬角度取得手段）１１、重心演算回路（伝搬角度取得手段）１２、サーボ回路（伝搬角度制御手段）１３、局発光コリメータ１４、ビームスプリッタ（第２の合波手段）１５、単一受信機１６、周波数弁別回路（位相誤差検出・補償手段）１７及び位相同期回路（位相誤差検出・補償手段）１８から構成されている。
【００１３】
基準光源１は、基準光（ＣＷ光）を発光するものである。この基準光源１により発光された基準光は光分岐スプリッタ２に出力される。
【００１４】
光分岐スプリッタ２は、基準光源１からの基準光を信号光５０と局発光（参照光）５１とに分岐するものである。この光分岐スプリッタ２により分岐された信号光５０は光Ｎ分岐スプリッタ３に出力され、局発光５１は局発光コリメータ１４に出力される。
【００１５】
光Ｎ分岐スプリッタ３は、光分岐スプリッタ２からの信号光５０をＮ分岐するものである。この光Ｎ分岐スプリッタ３によりＮ分岐された各信号光は光周波数シフタ４に出力される。
【００１６】
光周波数シフタ４は、光Ｎ分岐スプリッタ３からの各信号光の周波数をシフトするものである。ここで、光周波数シフタ４は、位相同期回路１８からの位相制御信号５２に基づいてシフト量を調整する。この光周波数シフタ４により周波数がシフトされた各信号光は光位相変調器５に出力される。
【００１７】
光位相変調器５は、光周波数シフタ４からの各信号光に対して、周波数弁別回路１７からの周波数がそれぞれ異なるディザリング信号５３を用いて、位相変調を行うものである。この光位相変調器５により位相変調された各信号光はコリメータ６に出力される。
コリメータ６は、光位相変調器５からの各信号光を空間出力するものである。
【００１８】
アダプティブミラー７は、コリメータ６により空間出力された各信号光の伝搬角度を調整するものである。このアダプティブミラー７は、サーボ回路１３により駆動されることで自身の角度が調整される。このアダプティブミラー７により伝搬角度が調整された各信号光は回折光学素子８に出力される。
【００１９】
回折光学素子８は、アダプティブミラー７からの各信号光を同一光路に合波するものである。この回折光学素子８により同一光路に合波された信号光はビームスプリッタ９に出力される。
【００２０】
ビームスプリッタ９は、回折光学素子８からの信号光を角度検出用と出力用とに分岐するものである。このビームスプリッタ９により分岐された角度検出用の信号光は４象限角度検出器１０に出力され、出力用の信号光はビームスプリッタ１５に出力される。
【００２１】
４象限角度検出器１０は、ビームスプリッタ９からの角度検出用の信号光を受信し、この光の受光面に対する受信位置情報を付加した受信信号に光電変換するものである。この際、４象限角度検出器１０は、受光面の各象限において受光量に応じた電力を出力することで受信位置情報を付加する。この４象限角度検出器１０により光電変換された受信信号は周波数弁別回路１１に出力される。
【００２２】
周波数弁別回路１１は、４象限角度検出器１０からの受信信号をディザリング信号周波数成分ごとに分離するものである。この周波数弁別回路１１により分離された各ディザリング信号周波数成分の受信信号は重心演算回路１２に出力される。
【００２３】
重心演算回路１２は、周波数弁別回路１１からの各ディザリング信号周波数成分の受信信号に対して重心演算を行い、信号光間の伝搬角度誤差を検出するものである。この重心演算回路１２により検出された伝搬角度誤差を示す信号はサーボ回路１３に出力される。
【００２４】
サーボ回路１３は、重心演算回路１２により検出された伝搬角度誤差に基づいて、各信号光路が同一光路となるようにアダプティブミラー７の角度を調整することで当該伝搬角度誤差を補償するものである。
【００２５】
局発光コリメータ１４は、光分岐スプリッタ２からの局発光を空間出力するものである。
【００２６】
ビームスプリッタ１５は、ビームスプリッタ９からの出力用の信号光と、局発光コリメータ１４により空間出力された局発光とを合波した上で、出力光と受信光とに分岐するものである。このビームスプリッタ１５により分岐された出力光は外部に出力され、受信光は単一受信機１６に出力される。
【００２７】
単一受信機１６は、ビームスプリッタ１５からの受信光（合波後の信号光と局発光）を受信して受信信号に光電変換するものである。単一受信機１６により光電変換された受信信号５４は周波数弁別回路１７に出力される。
【００２８】
周波数弁別回路１７は、ディザリング信号を出力する機能と、単一受信機１６からの受信信号５４を当該ディザリング信号周波数成分ごとに分離する機能とを有するものである。この周波数弁別回路１７は、図示はしないが、ディザリング信号発信器１７１、Ｎ分岐スプリッタ１７２及びミキサ１７３から構成される。
ディザリング信号発信器１７１は、周波数がそれぞれ異なるディザリング信号を発信するものである。このディザリング信号発信器１７１により発信された各ディザリング信号５３は光位相変調器５及びミキサ１７３に出力される。
Ｎ分岐スプリッタ１７２は、単一受信機１６からの受信信号５４をＮ分岐するものである。このＮ分岐スプリッタ１７２によりＮ分岐された各受信信号はミキサ１７３に出力される。
ミキサ１７３は、Ｎ分岐スプリッタ１７２からの各受信信号を、ディザリング信号発生器１７１からの対応するディザリング信号とミキシングすることで、同一周波数に変換するものである。このミキサ１７３により同一周波数に変換された各受信信号は位相同期回路１８に出力される。
【００２９】
位相同期回路１８は、周波数弁別回路１７からの各受信信号に基づいて、信号光間の位相誤差を検出し、光周波数シフタ４のシフト量を調整することで当該位相誤差を補償するものである。この際、位相同期回路１８により生成された、シフト量を示す位相制御信号５２は光周波数シフタ４に出力される。
【００３０】
次に、上記のように構成された光位相同期レーザの全体動作について、図２を参照しながら説明する。なお、以下では、周波数弁別回路１１，１７としてＲＦミキサを用いた構成を例として説明する。
光位相同期レーザの全体動作では、図２に示すように、まず、基準光源１から出力された基準光を光分岐スプリッタ２にて信号光５０と局発光５１とに分岐する。そして、この信号光５０を、光Ｎ分岐スプリッタ３にてＮ本の信号光に分岐する。そして、各信号光の周波数を、同一の中心周波数シフト量を持つ光周波数シフタ４にてシフトする（ステップＳＴ１）。
【００３１】
次いで、光位相変調器５にて、周波数弁別回路１７からの各ディザリング信号５３を用いて、光周波数シフタ４からの各信号光をそれぞれ異なる周波数で位相変調する。その後、この各信号光はコリメータ６にて空間出力される（ステップＳＴ２）。
一方、局発光５１も同様に局発光コリメータ１４にて空間出力される（ステップＳＴ３）。
【００３２】
その後、空間出力された信号光は、アダプティブミラー７にて伝搬角度が調整され、回折光学素子８にて同一光路に合波される。そして、ビームスプリッタ９にて出力用と角度検出用とに分岐される（ステップＳＴ４）。
【００３３】
次いで、角度検出用の信号光は、４象限角度検出器１０にて受信し、受光面に対する受信位置情報を付加した受信信号に光電変換され、周波数弁別回路１１にてディザリング信号周波数成分ごとに分離される。その後、重心演算回路１２にて周波数成分ごとに重心演算されることで、信号光間の伝搬角度誤差が検出される。その後、検出した伝搬角度誤差に基づいて、各信号光が同一光路となるようにサーボ回路１３を介してアダプティブミラー７を駆動することで、フィードバックを行う（ステップＳＴ５）。
【００３４】
ここで、４象限角度検出器１０の受信イメージを図３に示す。
図３に示すように、受信した信号光が４象限角度検出器１０の受光面の中心に位置する場合（信号光１）には、各象限（Ｓａ１〜Ｓａ４）での受光量は同一である。よって、４象限角度検出器１０にて光電変換後、周波数弁別回路１１にて分離されたディザリング信号周波数成分強度は、Ｓａ１＝Ｓａ２＝Ｓａ３＝Ｓａ４となる。
一方、受信した信号光が４象限角度検出器１０の受光面の中心からずれている場合（信号光２）には、各象限での受光量は異なり、そのディザリング信号周波数成分強度も異なる（図３に示す信号光２でのディザリング信号周波数成分強度は、Ｓａ１＞Ｓａ２＞Ｓａ３＞Ｓａ４となる）。
【００３５】
一方、ビームスプリッタ１５では、ビームスプリッタ９により分岐された出力用の信号光と、局発光コリメータ１４により空間出力された局発光とを合波し、その上で出力光と受信光とに分岐する。その後、この受信光を単一受信機１６にて受信して受信信号５４に光電変換する（ステップＳＴ６）。
【００３６】
ここで、単一受信機１６からの受信信号５４では、図４に示すように、光周波数シフタ４により周波数シフトされた周波数（ｆａｏｍ）にキャリア信号が存在し、当該キャリア信号を中心に各ディザリング信号周波数だけ離れたサイドキャリア信号が存在している。この受信信号５４は周波数弁別回路１７に出力される。
【００３７】
次いで、周波数弁別回路１７では、まず、ディザリング信号発信器１７１にて周波数がそれぞれ異なるディザリング信号を発信し、光位相変調器５印加用と周波数変換用とに分離する。一方、Ｎ分岐スプリッタ１７２は単一受信機１６からの受信信号５４をＮ分岐し、ミキサ１７３にて、対応するディザリング信号とミキシングすることで、同一周波数に変換する。その後、同一の周波数に変換した各受信信号は位相同期回路１８に出力される（ステップＳＴ７）。
【００３８】
次いで、位相同期回路１８は、周波数弁別回路１７からの各受信信号に基づいて、信号光間の位相誤差を検出し、光周波数シフタ４にフィードバックすることで位相同期を確立する（ステップＳＴ８）。
【００３９】
以上のように、この実施の形態１によれば、ディザリング信号を与えた複数の信号光を単一光路に合波後、４象限角度検出器１０にて受信し、その際の各象限における各周波数強度から信号光間の伝搬角度誤差を検出し、アダプティブミラー７で補償するように構成したので、複数の信号光を単一光路に合波でき、サイドローブのないコヒーレント結合が可能となる。
また、単一受信機１６において、複数信号の角度検出が可能なため、小型化が可能となる。さらに、信号光の合波後に局発光と合波するため、信号数が増加した場合においても局発光サイズが信号光と同等で済み、小型化が可能となる。
【００４０】
なお、実施の形態１では、各信号光にディザリング信号を与える変調手段として光位相変調器５を用い、各信号光の伝搬角度を調整する伝搬角度調整手段としてアダプティブミラー７を用いた場合について示したが、これらに限定されるものではなく、例えば、変調方式として光強度変調器を用いた強度変調や、アダプティブミラー７ではなく、信号光の空間出射端をＰＺＴ駆動するようにしても実現可能である。
また、各信号光に対して強度変調を行ってディザリング信号を与える場合、強度変調によるディザリングにより角度検出時のディザリング信号周波数が低周波成分となり、広角度範囲の伝搬角度誤差検出が可能となる。
【００４１】
実施の形態２．
本実施の形態では、実施の形態１と同様、各信号光にディザリング信号を与える構成を例とする。図５はこの発明の実施の形態２に係る光位相同期レーザの構成を示す図である。図５に示す実施の形態２に係る光位相同期レーザは、図１に示す実施の形態１に係る光位相同期レーザからビームスプリッタ９及び単一受信機１６を削除し、４象限角度検出器１０を４象限角度検出器１９に変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４２】
本実施の形態において、実施の形態１と異なる点は、位相誤差の検出と伝搬角度誤差の検出を一つの受信機にて行う点である。そして、信号光空間出力後に単一受信機にて位相誤差検出用のビート信号と伝搬角度誤差の検出を行うことで、装置の小型化、簡素化が可能となる。なお、局発光コリメータ１４の伝搬角度誤差の影響をなくすため、局発光コリメータ１４のビームサイズを信号光に対して小さくし、集光時に４象限角度検出器１９の受光面全体を覆うビームサイズとなるようにする。
【００４３】
そして、上記構成を実現するために、４象限角度検出器１９に対して、周波数弁別回路１１，１７を図６に示すように接続する。
すなわち、伝搬角度誤差検出用として、４象限角度検出器１９の各象限において受信され光電変換された各信号を周波数弁別回路１１にそれぞれ出力するように接続する（Ｓａ１，Ｓａ２，Ｓａ３，Ｓａ４）。これにより、信号光間の伝搬角度誤差の検出・補償が実現可能となる。
一方、位相誤差検出用として、４象限角度検出器１９の各象限において受信され光電変換された各信号を加算し、周波数弁別回路１７に出力するように接続する（Ｓａ１+Ｓａ２+Ｓａ３+Ｓａ４）。これにより、信号光間の位相誤差の検出・補償が実現可能となる。
【００４４】
以上のように、この実施の形態２によれば、信号光と局発光との合波光を単一の４象限角度検出器１９にて受信して、伝搬角度誤差検出信号５５と位相誤差検出信号５６を検出するように構成したので、実施の形態１と比較して、検出器の数を減らすことができ、装置の小型化・簡素化が可能となる。
【００４５】
なお、実施の形態２では、各信号光にディザリング信号を与える変調手段として光位相変調器５を用いた場合について示したが、これに限定されるものではなく、例えば各信号に異なる強度変調を与えられる光強度変調器を用いても実現可能である。
また、実施の形態１，２では、基準光としてＣＷ光を用いた場合について示したが、これに限定されるものではなく、例えば基準光としてパルス光を用いても実現可能である。
【００４６】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１  基準光源、２  光分岐スプリッタ、３  光Ｎ分岐スプリッタ、４  光周波数シフタ、５  光位相変調器（変調手段）、６  コリメータ、７  アダプティブミラー（伝搬角度調整手段）、８  回折光学素子（合波手段）、９  ビームスプリッタ、１０，１９  ４象限角度検出器（伝搬角度取得手段）、１１  周波数弁別回路（伝搬角度取得手段）、１２  重心演算回路（伝搬角度取得手段）、１３  サーボ回路（伝搬角度制御手段）、１４  局発光コリメータ、１５  ビームスプリッタ（第２の合波手段）、１６  単一受信機、１７  周波数弁別回路（位相誤差検出・補償手段）、１８  位相同期回路（位相誤差検出・補償手段）、５０  局発光、５１  信号光、５２  位相制御信号、５３  ディザリング信号、５４  受信信号、５５  伝搬角度誤差検出信号、５６  位相誤差検出信号。
【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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