(57)【要約】【課題】１つの波長合分波部品で複数光ビームの分波と合波を可能にすることで、小型で組立調整簡易な光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を提供する。【解決手段】複数のローカル光と周波数がオフセットされた信号光を発生する手段、各ローカル光と信号光を多重化しローカル光と信号光に分け所定ビーム幅の合成信号光ビーム、合成ローカル光ビームとして空間出射する手段、異なる領域に入力された合成信号光ビームの各ビームを位相変調し所望の空間位相分布に変換する手段、合成信号光ビームの各ビームを波長により空間的に分離し位相分布変換手段に送ると共に所望の空間位相分布に変換された各信号光ビームを同軸の合成信号光ビームに変換する手段、位相分布変換された合成信号光ビームと合成ローカル光ビームを重ね合成光ビームとする手段、合成光ビームを空間サンプリングし検波によりマイクロ波信号に変換し放射するアンテナ部を含む。【選択図】図１
2009239669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種のローカル光に対し、該ローカル光とそれぞれに対する入力信号に従って周波数がオフセットされた信号光を発生するマイクロ波変調光源部と、
前記複数種のローカル光と信号光を多重化しローカル光と信号光に分けてまとめ所定のビーム幅の合成信号光ビーム、合成ローカル光ビームとして空間に出射する波長多重分波部と、
異なる領域に入力された前記合成信号光ビームの各信号光ビームを位相変調し所望の空間位相分布に変換する空間光位相変調部と、
前記合成信号光ビームの各信号光ビームを波長により空間的に分離して前記空間光位相変調部に送ると共に、前記空間光位相変調部で所望の空間位相分布に変換された各信号光ビームを同軸の位相変換合成信号光ビームに変換する空間光波長合分波部と、
前記空間光波長合分波部からの位相変換合成信号光ビームと前記波長多重分波部からの合成ローカル光ビームとを空間的に重ね合わせて合成光ビームとするビーム合成部と、
前記合成光ビームを空間的にサンプリングしてヘテロダイン検波によりマイクロ波信号に変換して空間に放射するアレーアンテナ部と、
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装置。
【請求項２】
前記空間光波長合分波部が、信号光ビームを反射する対向する一対の主面を有する平行平板からなり、前記平行平板が、入射した信号光ビームが前記平行平板内部で両主面で順に反射されながら進み所望の位置で出射するように、両主面に信号光ビームを波長帯に従って選択的に透過する反射防止膜を複数設け、さらに平行平板全体が入射する信号光ビームの軸に対して所要な角度で傾けて設けられている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装置。
【請求項３】
前記波長多重分波部が、
前記複数種の信号光を多重化する第１の光合波装置と、
多重化された信号光を所定のビーム幅に変換して合成信号光ビームとして空間に出射する信号光ビーム出射装置と、
複数種のローカル光を多重化する第２の光合波装置と、
多重化されたローカル光を所定のビーム幅に変換して合成ローカル光ビームとして空間に出射するローカル光ビーム出射装置と、
を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
【請求項４】
前記波長多重分波部が、
前記複数種のローカル光と信号光をまとめて多重化する光合波装置と、
多重化されたローカル光と信号光を所定のビーム幅に変換して合成光ビームとして空間に出射する光ビーム出射装置と、
前記合成光ビームを波長により空間的に分離した合成信号光ビームと合成ローカル光ビームに分波する空間光波長分波装置と、
を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
【請求項５】
各光ビームが２次元のビーム領域のビームとして空間に出射され、前記合成光ビームを２次元空間的にサンプリングしてヘテロダイン検波によりマイクロ波信号に変換して空間に放射することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アレイアンテナから複数のマイクロ波ビームを放射するために必要な、アレーアンテナ励振信号を形成する光制御型フェーズドアレーアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の装置として、マイクロ波信号の周波数だけ周波数がオフセットされた２つの光ビーム(信号光ビームとローカル光ビーム)を放射するマイクロ波変調光源を備え、空間光変調器により、上記マイクロ波変調光源から放射した信号光ビームをアレーアンテナ励振分布の光ビームに変換し、前記のローカル光ビームとを同軸のビームに変換し、合成した後、光ファイバアレーにより空間的にサンプリングし、光ファイバアレーの各ファイバに接続された光電変換器によるヘテロダイン検波によりマイクロ波信号に復調し、アレーアンテナより空間に放射する、光制御型フェーズドアレーアンテナ装置がある。
【０００３】
従来この種の装置では、光制御アレーアンテナから複数のマイクロ波信号を同時に放射させるために、波長帯の異なる複数のマイクロ波変調光源を備え、各マイクロ波変調光源から放射した各信号光ビームを、光の波長により反射角や屈折角が異なる、回折格子やプリズムなどの分散部品を用いて、空間的に分波、合波することにより、単一の空間光変調器で複数の信号光ビームの波面の制御を可能にしていた。
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００５／００４３２４号パンフレット(図４、図３)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載された従来の装置は、光分波器及び合波器がそれぞれ、回折格子やプリズムなどの分散素子に入射した光の屈折、または反射角が波長により異なることを利用しているため、波長多重された波長の異なる複数の光ビームを合波もしくは分波するためには、合波、分波各々２つの分散素子を使用する必要があった。
【０００６】
このとき、複数の光ビーム間の距離は、２つの分散素子間の位置関係に対し精密な組立調整が必要なこと、限られた波長帯の光で分波するためには、各間の距離を大きく離す必要があり装置が大きく(長く)なり、重量、安定性などに問題がある、等の課題があった。また、合波、分波それぞれで独立に行っているため、さらに装置のサイズも大きくなり、組立調整にも課題があった。
【０００７】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、１つの波長合分波部品で、複数のマイクロ波を形成するために必要な複数の光ビームの分波、合波を可能にすることにより、小型で組立調整が簡易な光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、複数種のローカル光に対し、該ローカル光とそれぞれに対する入力信号に従って周波数がオフセットされた信号光を発生するマイクロ波変調光源部と、前記複数種のローカル光と信号光を多重化しローカル光と信号光に分けてまとめ所定のビーム幅の合成信号光ビーム、合成ローカル光ビームとして空間に出射する波長多重分波部と、異なる領域に入力された前記合成信号光ビームの各信号光ビームを位相変調し所望の空間位相分布に変換する空間光位相変調部と、前記合成信号光ビームの各信号光ビームを波長により空間的に分離して前記空間光位相変調部に送ると共に、前記空間光位相変調部で所望の空間位相分布に変換された各信号光ビームを同軸の位相変換合成信号光ビームに変換する空間光波長合分波部と、前記空間光波長合分波部からの位相変換合成信号光ビームと前記波長多重分波部からの合成ローカル光ビームとを空間的に重ね合わせて合成光ビームとするビーム合成部と、前記合成光ビームを空間的にサンプリングしてヘテロダイン検波によりマイクロ波信号に変換して空間に放射するアレーアンテナ部と、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装置にある。
【発明の効果】
【０００９】
この発明では、１つの波長合分波部品で、複数のマイクロ波を形成するために必要な複数の光ビームの分波、合波を可能にしたので、小型で組立調整が簡易な光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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装置の構成を示す図である。図中の１０１〜１０７は、各部における光スペクトルの配置を横軸を周波数、縦軸を強度として模式的に示したものである。図１において、第１のマイクロ波変調光源１０は、光スペクトル１０１で示す連続波(ＣＷ(continuous wave)波)光１１０と、このＣＷ光１１０に対し第１のマイクロ波信号入力端子１１から入力された第１のマイクロ波信号の周波数だけ周波数がオフセットされた光１１１の２成分を出力する。以下、第１のマイクロ波変調光源１０から出力したＣＷ光１１０を第１のローカル光１１０、マイクロ波信号分だけ周波数がオフセットされた光１１１を第１の信号光１１１と呼ぶ。同様に、第２のマイクロ波変調光源２０は、光スペクトル１０２のように第２のマイクロ波信号入力端子２１から入力された第２のマイクロ波信号に従って、第２のローカル光１１２、第２の信号光１１３を出力する。
【００１１】
このような第１及び第２のマイクロ波変調光源１０，２０は、例えば、レーザ、ＭＺ型光変調器(Mach-Zehnder変調器)、光波長フィルタなどを組み合わせることにより実現できる。具体的には、レーザから出力したＣＷ光をＭＺ変調器により変調することにより、ＣＷ光に対し、マイクロ波周波数だけ周波数オフセットされた側帯波を発生させる。この側帯波とＣＷ光を光波長フィルタで分離させ、取り出すことにより、前述したように、信号光とローカル光の２光波を別々に出力させることができる。
【００１２】
上記、第１及び第２の信号光１１１，１１３を第１の波長多重型光合波装置１２に、第１及び第２のローカル光１１０，１１２を第２の波長多重型光合波装置２２に入力する。第１及び第２の波長多重型光合波装置１２、２２は、異なる入力端子から入力された波長の異なる入力光を、同一の端子から出力させるものであり、例えば既に実用化されているアレイ導波路回折格子(AWG: Arrayed Waveguide Grating)などが適用可能である。
【００１３】
第１の波長多重型光合波装置１２により第１及び第２の信号光１１１，１１３は光スペクトル１０３のように多重され、光ファイバ中を伝送した後、レンズなどにより構成された信号光ビーム出射装置１３を介して、所定のビーム幅の光ビームに変換される。このとき、第１の信号光ビーム(１１１)及び第２の信号光ビーム(１１３)は合成された同軸の合成信号光ビーム５０なる。合成信号光ビーム５０は、部分反射鏡やミラ―などの光学部品３２ａで所望の方向に変換した後、空間光波長合分波装置６０に入力される。
【００１４】
空間光波長合分波装置６０では、入力された各光信号の波長帯により、異なる位置から同一の方向へ各信号光ビームを空間的に分離して出射する。空間光波長合分波装置６０により空間的に分離した第１の信号光ビーム５１(第１の信号光ビーム１１１)と、第２の信号光ビーム５２(第２の信号光ビーム１１３)はそれぞれ空間光位相変調器３０の異なる領域に入射する。各信号光ビーム５１，５２は、各々空間光位相変調器コントローラ３１からの制御信号に従い空間的に位相変調され、所望の空間位相分布で反射する。空間光位相変調器３０としては、例えば液晶素子などが適用可能である。
【００１５】
空間光位相変調器３０で位相変調され、反射した各信号光ビーム５１，５２は、各々入射時と同一の光路を逆向き(図１、２の場合、右方向)に進み、空間光波長合分波装置６０に入射し、同軸の合成信号光ビーム５０に変換されて、空間光波長合分波装置６０より出射する。
【００１６】
一方、第２の波長多重型光合波装置２２により第１及び第２のローカル光１１０，１１２は光スペクトル１０４のように多重され、光ファイバ中を伝送した後、レンズ等により構成されたローカル光ビーム出射装置２３を介して、所定のビーム幅の光ビームに変換される。この時、第１のローカル光ビーム(１１０)と第２のローカル光ビーム(１１２)は合成された同軸の合成ローカル光ビーム５３となる。
【００１７】
空間光位相変調器３０で位相変調され、空間光波長合分波装置６０で合成された合成信号光ビーム５０と、合成ローカル光ビーム５３は、ビーム合成器３２により空間に重ね合わされ、光ファイバアレー４１に入射、空間的にサンプリングされる。光ファイバアレー４１の入射端側には、光ファイバアレー４１を構成する各光ファイバへの入力光の結合効率を高めるために、レンズアレイ４０を備えても良い。
【００１８】
光ファイバアレー４１を構成する各光ファイバに入射した各信号光１１１，１１３及びローカル光１１０，１１２は、光ファイバ中を伝搬し、各光ファイバに接続された光電変換器群４２の各光電変換器４２ａに入力される。各光電変換器４２ａに入力した光は、ヘテロダイン検波によりマイクロ波信号に変換され、出力される。各光電変換器４２ａを出力したマイクロ波信号は、各々アレーアンテナ４３を構成する各アンテナ素子４３ａに入力され、空間に放射される。各光電変換器４２ａとアンテナ素子４３ａの間には、マイクロ波の強度を調整するための増幅器や減衰器、信号帯域を制限するための帯域フィルタなどを備えていても良い。
【００１９】
各光電変換器４２ａから出力されるマイクロ波信号を以下に示す。各光電変換器４２ａに入力された第１の信号光１１１の周波数をｆＳ１、第２の信号光１１３の周波数をｆＳ２、第１のローカル光１１０の周波数をｆＬ１と、第２のローカル光１１２の周波数をｆＬ２とする。ただし、|ｆＬ１−ｆＳ１|は第１のマイクロ波変調光源１０に入力したマイクロ波信号の周波数(ｆｍ１)、|ｆＬ２−ｆＳ２|は第２のマイクロ波変調光源２０に入力したマイクロ波信号の周波数(ｆｍ２)である。空間光位相変調器３０による第１の信号光ビーム(１１１)への位相変調量をφ１と、第２の信号光ビーム(１１３)への位相変調量をφ２とすると、各光電変換器４２ａに入力された信号光及びローカル光は以下のように示される。なお、振幅は１、初期位相を０とする。
【００２０】
ｃｏｓ(２π(ｆＳ１)ｔ＋φ１)
ｃｏｓ(２π(ｆＬ１)ｔ)＝ｃｏｓ(２π(ｆＳ１−ｆｍ１)ｔ)
ｃｏｓ(２π(ｆＳ２)ｔ＋φ２)
ｃｏｓ(２π(ｆＬ２)ｔ)＝ｃｏｓ(２π(ｆＳ２−ｆｍ２)ｔ)
【００２１】
各光電変換器４２ａは、ｃｏｓ(２π(ｆｍ１)ｔ＋φ１)及び、ｃｏｓ(２π(ｆｍ２)ｔ＋φ２)のように、各成分の差が出力される。なお、その他の成分同士の差信号は、|ｆＳ１−ｆＳ２|＞＞０などのように、光電変換器４２ａの帯域外とする。
【００２２】
このように、各光電変換器４２ａでは第１及び第２のマイクロ波変調光源１０、２０に入力したマイクロ波信号周波数ｆｍ１，ｆｍ２が、それぞれ空間光位相変調器３０で変調した位相量φ１，φ２のマイクロ波に位相変調されて出力する。
【００２３】
従って、アレーアンテナ４３の各アンテナ素子４３ａに給電される各マイクロ波は、空間光位相変調器３０で変調した各信号光ビーム５１，５２の位相分布となり、アレーアンテナ４３から各マイクロ波ビーム４４，４５が放射される。
【００２４】
本実施の形態１のように、空間光位相変調器３０内の異なる場所で各信号光ビーム５１、５２の位相分布を独立に制御できることから、アレーアンテナ４３から複数のマイクロ波ビーム４４，４５を放射させ、かつそれらを独立に制御することが可能となる。
【００２５】
次に、本実施の形態１で用いた、空間光波長合分波装置６０の構成の一例を図２に示す。空間光波長合分波装置６０は、例えば信号光ビームを反射する対向する一対の主面を有する平行平板からなる。平行平板は、入射した信号光ビームが平行平板内部で両主面で順に反射されながらジグザグに進み所望の位置で出射するように、両主面に信号光ビームを波長帯に従って選択的に透過する反射防止膜が複数設けられている。さらに平行平板全体は入射する信号光ビームの軸に対して所要な角度で傾けて設けられている。空間光波長合分波装置６０を波長分波装置として使用する場合、図２における平行平板６１に設けた、入力信号光ビームの全波長を透過する第１の反射防止膜６２に入射した合成信号光ビーム５０(第１及び第２の信号光１１１，１１３による。それぞれ、波長をλ１，λ２とする)は、平行平板６１内に入射し、逆側の面に設けた第２の反射防止膜６３に入射する。第２の反射防止膜６３を、第１の信号光ビーム５１の波長帯(λ１)は透過に、第２の信号光ビーム５２の波長帯(λ２)は反射となるように設定することにより、第１の信号光ビーム５１は平行平板から空間に出射する。
【００２６】
一方、第２の信号光ビーム５２は、第１の反射防止膜６３で反射し、平行平板６１基板内を第３の反射防止膜６５等により多重反射して、第４の反射防止膜６４に入射する。第４の反射防止膜６４の透過波長帯域を、第２の信号光ビーム５２の波長帯(λ２)に設定することにより、第２の信号光ビーム５２は空間に出射する。
【００２７】
空間光波長合分波装置６０から出射した、第１及び第２の信号光ビーム５１，５２は、平行平板６１の各面で同じ屈折角で屈折するので、同一方向の光ビームとなる。このとき、平行平板６１への入射角及び、平行平板の厚さにより、出力される第１及び第２の信号光ビーム５１，５２の間隔が決まるので、各ビームを空間的に分離できる。
【００２８】
なお、空間光波長合分波装置６０は、光ビームの方向に対して可逆であるので、逆方向(図２、左側)から前記と同一の位置に第１及び第２の信号光ビーム５１，５２を入射させると、波長合波装置として、第１及び第２の信号光ビーム５１，５２を空間的に重ね合せ、位相変換合成信号光ビーム５０として出射する。
【００２９】
また、本実施の形態において、第１及び第２のマイクロ波変調光源１０，２０、第１及び第２のマイクロ波信号入力端子１１，２１がマイクロ波変調光源部を構成し、第１及び第２の波長多重型光合波装置１２，２２、信号光ビーム出射装置１３、ローカル光ビーム出射装置２３が波長多重分波部を構成し(実施の形態２では光合波装置１２、光ビーム出射装置３５、空間光波長分波装置１６が構成する)、空間光位相変調器３０、空間光位相変調器コントローラ３１が空間光位相変調部を構成し、空間光波長合分波装置６０が空間光波長合分波部を構成し、ビーム合成器３２がビーム合成部を構成し、レンズアレイ４０、光ファイバアレー４１、光電変換器群４２、アレーアンテナ４３がアレーアンテナ部を構成する。
【００３０】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の構成を示す図である。上記実施の形態１と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する。第１のマイクロ波変調光源１０から出力した第１の信号光１１１及びローカル光１１０を同一の光ファイバに多重し出力させる。同様に、第２のマイクロ波変調光源２０から出力した第２の信号光１１３及びローカル光１１２も同一の光ファイバに多重し出力させる。
【００３１】
各マイクロ波変調光源１０，２０から出力した各信号光、ローカル光を波長多重型光合波装置１２に入力し、全てを同一の光ファイバに多重する。このような波長多重型光合波装置としては、実施の形態１で述べたようなアレイ導波路回折格子(ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating)等が適用可能である。全ての信号光とローカル光は光ファイバに多重され、必要に応じて光増幅器で強度を高めた後、レンズ等により構成された光ビーム出射装置３５を介して所定のビーム幅の合成光ビームに変換される。
【００３２】
空間光波長分波装置１６に入射した合成光ビームは、第１及び第２の信号光ビーム(１１１，１１３)を同軸の合成信号光ビーム５０と、第１及び第２のローカル光ビーム１１０，１１２を同軸の合成ローカル光ビーム５３として、各々別々の所から空間に出射される。ここで、このような空間光波長分波装置１６は、ファバリペローエタロンフィルタ等の、透過周波数帯が多数存在する光バンドパスフィルタを適用することにより、実現できる。空間光波長分波装置１６を出射した、合成信号光ビーム５０及び合成ローカル光ビーム５３は、実施の形態１と同様に、空間的に位相変調、合分波されたのち、光ファイバアレー４１でサンプリングさる。
【００３３】
以上のように、第１のマイクロ波変調光源１０から出力した第１の信号光１１１及びローカル光１１０、及び第２のマイクロ波変調光源２０から出力した第２の信号光１１３及びローカル光１１２は、それぞれ、同一の光ファイバ中を伝送するので、光電変換器群４２でヘテロダイン検波により復調されたマイクロ波において、光ファイバに起因する位相雑音の劣化は生じない。
【００３４】
なお、上記各実施の形態では２つのマイクロ波変調光源１０，２０を用いて２つのビームを発生させるものについて述べたが、３つ以上のマイクロ波変調光源を用いて、空間光波長合分波装置６０にて、３つ以上のビームに分波し、空間光位相変調器３０上の各々異なる領域で位相変調することにより、３つ以上のマイクロ波ビーム(マルチビーム)を放射することが可能なことは言うまでもない。
【００３５】
さらに、各実施の形態では空間光位相変調器３０、アレーアンテナ４３等を１次元方向で分割した構成で説明したが、２次元方向に分割し、各光ビームをそれぞれ２次元のビーム領域のビームとして空間に出射し、合成光ビームを２次元空間的にサンプリングしてヘテロダイン検波によりマイクロ波信号に変換して空間に放射することも可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】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装置の構成を示す図である。
【図２】この発明に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の空間光波長合分波装置の構成の一例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  第１のマイクロ波変調光源、１１  第１のマイクロ波信号入力端子、１２  第１の波長多重型光合波装置、１３  信号光ビーム出射装置、１６  空間光波長分波装置、２０  第２のマイクロ波変調光源、２１  第２のマイクロ波信号入力端子、２２  第２の波長多重型光合波装置、２３  ローカル光ビーム出射装置、３０  空間光位相変調器、３１  空間光位相変調器コントローラ、３２  ビーム合成器、３２ａ  光学部品、３５  光ビーム出射装置、４０  レンズアレイ、４１  光ファイバアレー、４２  光電変換器群、４２ａ  光電変換器、４３  アレーアンテナ、４３ａ  アンテナ素子、４４，４５  マイクロ波ビーム、５０  合成信号光ビーム(位相変換合成信号光ビーム)、５１  第１の信号光ビーム、５２  第２の信号光ビーム、５３  合成ローカル光ビーム、６０  空間光波長合分波装置、６１  平行平板、６２〜６５  反射防止膜、１０１〜１０７  光スペクトル、１１０  第１のローカル光、１１１  第１の信号光、１１２  第２のローカル光、１１３  第２の信号光。
【図１】
2009239669.tif 000003
【図２】
2009239669.tif 000004
【図３】
2009239669.tif 000005