JP2018185196A - Laser radar device and laser radar optical integrated circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザレーダ装置およびレーザレーダ光集積回路に関する。 The present invention relates to a laser radar device and a laser radar optical integrated circuit.
従来から、周波数変調されたＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)レーザの光を対象物に送信し、対象物で反射した反射光を受信部で受信してヘテロダイン検波を行うことにより、対象物とのドップラーシフト周波数を算出し、対象物までの距離および対象物の速度を測定するＦＭＣＷ方式のレーザレーダ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, frequency-modulated CW (Frequency Modulated Continuous Wave) laser light is transmitted to an object, and reflected light reflected by the object is received by a receiver to perform heterodyne detection. There has been proposed an FMCW laser radar apparatus that calculates a shift frequency and measures the distance to the object and the speed of the object (see, for example, Patent Document 1).
ＦＭＣＷ方式を用いたレーザレーダ装置のドップラーシフト周波数ｆdは、光の波長をλ、対象物との相対速度をｖとすれば、（１）式から算出される。 The Doppler shift frequency f d of the laser radar apparatus using the FMCW method is calculated from the equation (1), where λ is the wavelength of light and v is the relative velocity with respect to the object.
（数１）
ｆd＝２ｖ／λ ・・・（１）
(Equation 1)
f d = 2v / λ (1)
例えば、レーザレーダ装置を実装した走行中の車両から対向車線を走行する車両までの距離を測定する場合に、それぞれの車両が時速１００ｋｍで走行しており、レーザレーダ装置から送信される光の波長が１μｍであるとする。この場合のドップラーシフト周波数ｆdは（１）式から１１１ＭＨｚとなる。 For example, when measuring the distance from a traveling vehicle equipped with a laser radar device to a vehicle traveling on the opposite lane, each vehicle travels at a speed of 100 km / h, and the wavelength of light transmitted from the laser radar device Is 1 μm. In this case, the Doppler shift frequency f d is 111 MHz from the equation (1).
ドップラーシフト周波数ｆdはアナログ値として取得されるため、対象物までの距離等を演算するにあたり、レーザレーダ装置は、ＡＤ変換器でドップラーシフト周波数ｆdをデジタル値に変換する。 Since the Doppler shift frequency fd is acquired as an analog value, the laser radar device converts the Doppler shift frequency fd into a digital value by an AD converter when calculating the distance to the object.
アナログ値で表される入力信号をデジタル値に変換するには、入力信号を２倍以上のサンプリング周波数でサンプリングする必要がある。したがって、上記の例では、２２２ＭＨｚ以上のサンプリング周波数を用いる必要があるが、取り扱う周波数が高くなるに従って、当該周波数に対応する部品の価格が上昇する。また、周波数が高くなるに従って雑音が発生しやすくなるため、発生する雑音を低減させる等の高周波特有の対策を行う必要がある。 In order to convert an input signal represented by an analog value into a digital value, it is necessary to sample the input signal at a sampling frequency that is twice or more. Therefore, in the above example, it is necessary to use a sampling frequency of 222 MHz or more. However, as the frequency handled increases, the price of the component corresponding to the frequency increases. Further, since noise is likely to be generated as the frequency is increased, it is necessary to take measures specific to high frequency such as reducing the generated noise.
更に、レーザレーダ装置に用いる光の波長を短くするほど、対象物までの距離の測定精度が高くなることから、レーザレーダ装置で測定されるドップラーシフト周波数ｆdは上昇する傾向にあり、それに伴ってレーザレーダ装置のコストも上昇することになる。 Furthermore, the shorter the wavelength of light used in the laser radar device, the higher the measurement accuracy of the distance to the object, so the Doppler shift frequency f d measured by the laser radar device tends to increase. This also increases the cost of the laser radar device.
本発明は、上記に示した問題点を鑑みてなされたものであり、測定精度を低下させることなく、従来よりも簡単な構成で対象物までの距離を測定するレーザレーダ装置およびレーザレーダ光集積回路を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and a laser radar device and a laser radar light integrated device that measure a distance to an object with a simpler configuration than the conventional one without reducing measurement accuracy. An object is to provide a circuit.
上記の目的を達成するために、請求項１に記載のレーザレーダ装置は、時間と共に周波数が変化する光を対象物に向けて送信する送信部と、前記送信部から送信した光のうち、前記対象物で反射した光を受信する受信部と、前記送信部で送信した光と、前記受信部で受信した光とのずれに基づいて、前記対象物までの距離を演算する演算部と、を備え、前記送信部および前記受信部の少なくとも一方に、通過する光の周波数によって屈折率が異なる異常分散材を設ける。 In order to achieve the above object, a laser radar device according to claim 1, wherein a transmitter that transmits light whose frequency changes with time toward an object, and among the lights transmitted from the transmitter, A receiving unit that receives light reflected by the object, and a calculation unit that calculates a distance to the object based on a deviation between the light transmitted by the transmitting unit and the light received by the receiving unit; And an anomalous dispersion material having a different refractive index depending on the frequency of light passing therethrough is provided in at least one of the transmission unit and the reception unit.
請求項２に記載のレーザレーダ装置は、前記送信部に前記異常分散材が設けられ、前記送信部に設けられた前記異常分散材は、通過する光を時間軸方向に圧縮し、光の強度を圧縮前より上昇させる屈折率を有する。 The laser radar device according to claim 2, wherein the anomalous dispersion material is provided in the transmission unit, and the anomalous dispersion material provided in the transmission unit compresses light passing therethrough in a time axis direction, thereby increasing light intensity. Has a refractive index that raises the value from before compression.
請求項３に記載のレーザレーダ装置は、前記受信部に前記異常分散材が設けられ、前記受信部に設けられた前記異常分散材は、通過する光を時間軸方向に伸長させる屈折率を有する。 The laser radar device according to claim 3, wherein the anomalous dispersion material is provided in the reception unit, and the anomalous dispersion material provided in the reception unit has a refractive index that extends light passing therethrough in a time axis direction. .
請求項４に記載のレーザレーダ装置は、受信した光を時分割し、時分割した各々の光を異なる経路に伝播する光マルチプレクサが設けられ、前記経路の各々に前記異常分散材が設けられる。 The laser radar device according to claim 4 is provided with an optical multiplexer that time-divides the received light and propagates the time-divided light to different paths, and the abnormal dispersion material is provided on each of the paths.
請求項５に記載のレーザレーダ装置は、前記異常分散材が、複数のエアホールが配置されたフォトニック結晶である。 In the laser radar device according to claim 5, the anomalous dispersion material is a photonic crystal in which a plurality of air holes are arranged.
請求項６に記載のレーザレーダ装置は、前記複数のエアホールに、異なる大きさのエアホールが含まれる。 In the laser radar device according to claim 6, the plurality of air holes include air holes of different sizes.
請求項７に記載のレーザレーダ装置は、前記異常分散材が回折格子である。 In the laser radar device according to claim 7, the anomalous dispersion material is a diffraction grating.
請求項８に記載のレーザレーダ装置は、前記異常分散材がプリズムである。 In the laser radar device according to claim 8, the anomalous dispersion material is a prism.
請求項９に記載のレーザレーダ光集積回路は、請求項１から請求項８の何れか１項に記載のレーザレーダ装置が光集積回路で構成される。 According to a ninth aspect of the present invention, in the laser radar optical integrated circuit according to the ninth aspect, the laser radar device according to any one of the first to eighth aspects is configured by an optical integrated circuit.
以上説明したように、本発明に係るレーザレーダ装置およびレーザレーダ光集積回路によれば、測定精度を低下させることなく、従来よりも簡単な構成で対象物までの距離を測定することができる、という効果を奏する。 As described above, according to the laser radar device and the laser radar optical integrated circuit according to the present invention, it is possible to measure the distance to the object with a simpler configuration than the conventional one without reducing the measurement accuracy. There is an effect.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るレーザレーダ装置１０の構成例を示す図である。図１に示すように、レーザレーダ装置１０は、導波路４〜８、駆動回路１２、レーザ光源１４、ＳＳＢ(Single Side Band)変調器１６、送信アンテナ１８、受信アンテナ２０、伸長器２２、フォトダイオード２４、ＡＤ(Analog/Digital)変換器２６、信号処理回路２８および制御回路３０を含む。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a laser radar device 10 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the laser radar device 10 includes a waveguide 4 to 8, a drive circuit 12, a laser light source 14, an SSB (Single Side Band) modulator 16, a transmission antenna 18, a reception antenna 20, an expander 22, a photo A diode 24, an AD (Analog / Digital) converter 26, a signal processing circuit 28, and a control circuit 30 are included.
駆動回路１２がレーザ光源１４に供給する電圧または電流の大きさを調整してレーザ光源１４を駆動することで、レーザ光源１４からレーザ光が照射される。 Laser light is emitted from the laser light source 14 by driving the laser light source 14 by adjusting the magnitude of voltage or current supplied to the laser light source 14 by the drive circuit 12.
レーザ光源１４には、例えば予め定めた単一波長のレーザ光を照射するＤＦＢ(Distributed Feedback)レーザが用いられる。 As the laser light source 14, for example, a DFB (Distributed Feedback) laser that irradiates laser light having a predetermined single wavelength is used.
レーザ光源１４から照射されたレーザ光（以降、「送信光ＰＴ」という）は導波路４を伝播してＳＳＢ変調器１６に入力さる。 Laser light emitted from the laser light source 14 (hereinafter referred to as “transmitted light PT”) propagates through the waveguide 4 and is input to the SSB modulator 16.
ＳＳＢ変調器１６は、予め定めた周波数を有する搬送波信号を用いて送信光ＰＴの周波数を上昇させると共に、送信光ＰＴを線形に掃引して、例えば時間と共に周波数が変化する送信光ＰＴに変調する。 The SSB modulator 16 increases the frequency of the transmission light PT using a carrier wave signal having a predetermined frequency, and linearly sweeps the transmission light PT to modulate the transmission light PT whose frequency changes with time, for example. .
図２は、ＳＳＢ変調器１６で変調された送信光ＰＴの波形の一例を示す図である。図２の横軸は時間を表し、縦軸は周波数を表す。 FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a waveform of the transmission light PT modulated by the SSB modulator 16. The horizontal axis in FIG. 2 represents time, and the vertical axis represents frequency.
ＳＳＢ変調器１６は、時間と共に送信光ＰＴの周波数を直線的に上昇させ、周波数が予め定めた上限周波数まで達すると、周波数を上昇前の周波数まで直線的に低下させ、予め定めた期間経過後に再び周波数を直線的に上昇させるような変調を繰り返すことで、送信光ＰＴの波形を図２に示すような三角形状の波形（いわゆる三角波）に制御する。 The SSB modulator 16 linearly increases the frequency of the transmission light PT with time. When the frequency reaches a predetermined upper limit frequency, the SSB modulator 16 linearly decreases the frequency to the frequency before the increase, and after a predetermined period has elapsed. By repeating the modulation that linearly increases the frequency again, the waveform of the transmission light PT is controlled to a triangular waveform (so-called triangular wave) as shown in FIG.
ＳＳＢ変調器１６で変調された送信光ＰＴは、導波路４に設けられた図示しない光カプラ等の分岐装置によって分岐され、分岐した一方の送信光ＰＴは送信アンテナ１８から対象物に向かって送信される。また、分岐した他方の送信光ＰＴは後ほど説明する伸長器２２に入力される。 The transmission light PT modulated by the SSB modulator 16 is branched by a branching device such as an optical coupler (not shown) provided in the waveguide 4, and one of the branched transmission lights PT is transmitted from the transmission antenna 18 toward the object. Is done. The other split transmission light PT is input to the decompressor 22 described later.
ここで「対象物」とは、レーザレーダ装置１０による位置および動きに関する属性の測定対象となる物体のことをいい、レーザレーダ装置１０は、対象物のレーザレーダ装置１０からの距離や移動速度といった属性を測定する。 Here, the “object” refers to an object that is a measurement target of an attribute related to position and movement by the laser radar device 10, and the laser radar device 10 includes a distance and a moving speed of the object from the laser radar device 10. Measure attributes.
対象物に向かって送信された送信光ＰＴのうち対象物で反射した光は、受信アンテナ２０で受信光ＰＲとして受信される。受信アンテナ２０で受信した受信光ＰＲは、導波路８を伝播して伸長器２２に入力される。 Of the transmitted light PT transmitted toward the object, the light reflected by the object is received by the receiving antenna 20 as the received light PR. The received light PR received by the receiving antenna 20 propagates through the waveguide 8 and is input to the expander 22.
伸長器２２は、周波数に応じて光の経路長を変化させ、光の波形を時間軸方向に伸長する装置である。具体的には、伸長器２２は、周波数が高くなるに従って経路長が長くなるように光の経路長を調整した装置である。 The expander 22 is a device that changes the light path length according to the frequency and expands the light waveform in the time axis direction. Specifically, the expander 22 is an apparatus that adjusts the light path length so that the path length increases as the frequency increases.
図３は、伸長器２２における光の伸長例を示す図である。図３において波形の横方向は時間軸を表す。伸長器２２に波形３４Ａを有する光が入力されると、波形が密の部分、すなわち比較的周波数が高い領域の光ほど伸長されることによって、図３に示すように波形３４Ａが時間軸方向に伸長され、波形３４Ｂのような波形を有する伸長された光に変換される。 FIG. 3 is a diagram illustrating an example of light expansion in the expander 22. In FIG. 3, the horizontal direction of the waveform represents the time axis. When the light having the waveform 34A is input to the expander 22, the denser portion of the waveform, that is, the light in the region having a relatively high frequency is expanded, so that the waveform 34A is changed in the time axis direction as shown in FIG. It is stretched and converted to stretched light having a waveform like waveform 34B.
波形３４Ａが時間軸方向に伸長されると、波形３４Ａを有する光の周波数が伸長前の周波数に比べて低下することになる。したがって、伸長器２２で送信光ＰＴおよび受信光ＰＲの各々の周波数が低下される。 When the waveform 34A is expanded in the time axis direction, the frequency of the light having the waveform 34A is lower than the frequency before the expansion. Therefore, the frequency of each of the transmission light PT and the reception light PR is lowered by the expander 22.
フォトダイオード２４は、各々周波数が低下された送信光ＰＴおよび受信光ＰＲによる干渉光（以降、単に「干渉光」という場合がある）を受光し、受光した干渉光の光量に応じた電圧値をＡＤ変換器２６に出力する。なお、フォトダイオード２４は、受光した干渉光の光量に応じた電流値を出力するものであってもよい。 The photodiode 24 receives interference light (hereinafter sometimes simply referred to as “interference light”) due to the transmission light PT and the reception light PR, each of which has been reduced in frequency, and has a voltage value corresponding to the amount of the received interference light. Output to the AD converter 26. Note that the photodiode 24 may output a current value corresponding to the amount of received interference light.
ＡＤ変換器２６は、連続値である干渉光の光量に応じた電圧値を離散値に変換して、送信光ＰＴおよび受信光ＰＲの周波数の差分に相当した周波数を有する干渉光の波形を取得し、信号処理回路２８に出力する。 The AD converter 26 converts a voltage value corresponding to the amount of interference light, which is a continuous value, into a discrete value, and obtains a waveform of interference light having a frequency corresponding to the frequency difference between the transmission light PT and the reception light PR. And output to the signal processing circuit 28.
信号処理回路２８は、受け付けた干渉光の波形に対して、例えば高速フーリエ変換を実行してドップラーシフト周波数ｆdを算出する。そして、信号処理回路２８は、ドップラーシフト周波数ｆdを用いて、例えば（１）式に基づいて対象物までの距離を算出すると共に、干渉光の周波数特性から対象物との相対速度を算出する。 The signal processing circuit 28 performs, for example, a fast Fourier transform on the received interference light waveform to calculate the Doppler shift frequency f d . Then, the signal processing circuit 28 calculates the distance to the object based on, for example, the expression (1) using the Doppler shift frequency f d , and calculates the relative speed with the object from the frequency characteristics of the interference light. .
制御回路３０は、駆動回路１２、ＡＤ変換器２６および信号処理回路２８で上述した動作が行われるように、駆動回路１２、ＡＤ変換器２６および信号処理回路２８をそれぞれ制御する。 The control circuit 30 controls the drive circuit 12, the AD converter 26, and the signal processing circuit 28 so that the operation described above is performed by the drive circuit 12, the AD converter 26, and the signal processing circuit 28.
なお、導波路４、駆動回路１２、レーザ光源１４、ＳＳＢ変調器１６および送信アンテナ１８は、送信光ＰＴを対象物に向けて送信する送信部に含まれる構成要素の一例であり、導波路８、受信アンテナ２０、伸長器２２およびフォトダイオード２４は、対象物で反射した光を受信する受信部に含まれる構成要素の一例である。また、ＡＤ変換器２６、信号処理回路２８および制御回路３０は、演算部に含まれる構成要素の一例である。 The waveguide 4, the drive circuit 12, the laser light source 14, the SSB modulator 16, and the transmission antenna 18 are examples of components included in the transmission unit that transmits the transmission light PT toward the object. The reception antenna 20, the expander 22, and the photodiode 24 are examples of components included in a reception unit that receives light reflected by an object. The AD converter 26, the signal processing circuit 28, and the control circuit 30 are examples of components included in the arithmetic unit.
レーザレーダ装置１０において、レーザレーダ装置１０に伸長器２２を配置しなかった場合における送信光ＰＴと受信光ＰＲとの時間経過に伴う周波数の変化が図２で示されるとする。この場合、送信光ＰＴと受信光ＰＲとの周波数の差、すなわち「差周波」はΔｆ1で示される。 In the laser radar device 10, it is assumed that the change in frequency over time of the transmission light PT and the reception light PR when the expander 22 is not disposed in the laser radar device 10 is shown in FIG. 2. In this case, the frequency difference between the transmitted light PT and the received light PR, that is, the “difference frequency” is indicated by Δf 1 .
一方、レーザレーダ装置１０に伸長器２２を配置した場合における送信光ＰＴと受信光ＰＲとの時間経過に伴う周波数の変化は、例えば図４で示される。伸長器２２によって送信光ＰＴおよび受信光ＰＲの周波数が低下するため、図２に示す波形に比べて、それぞれ時間変化に対する周波数変化の傾きが低く抑えられる。 On the other hand, when the expander 22 is arranged in the laser radar device 10, the change in frequency with the passage of time between the transmission light PT and the reception light PR is shown in FIG. 4, for example. Since the frequencies of the transmission light PT and the reception light PR are lowered by the expander 22, the slope of the frequency change with respect to the time change can be suppressed lower than that of the waveform shown in FIG.
したがって、図４における差周波Δｆ2は、図２における差周波Δｆ1より小さくなるため、ＡＤ変換器２６におけるサンプリング周波数を、伸長器２２を用いなかった場合に要するサンプリング周波数よりも低く設定することができる。 Therefore, since the difference frequency Δf 2 in FIG. 4 is smaller than the difference frequency Δf 1 in FIG. 2, the sampling frequency in the AD converter 26 is set lower than the sampling frequency required when the expander 22 is not used. Can do.
上述した伸長器２２は、通過する光の波長に応じて通過時間が異なるように構成された異常分散材を用いることで実現できる。 The extender 22 described above can be realized by using an anomalous dispersion material configured so that the transit time varies depending on the wavelength of light passing therethrough.
図５は、フォトニック結晶４０の一例を示す図である。フォトニック結晶４０は、例えば同じ大きさのエアホール４２を複数配列した結晶体であり、エアホールの配置位置および大きさを調整することで、フォトニック結晶４０を通過する光の屈折率を周波数に応じて制御することができる。 FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the photonic crystal 40. The photonic crystal 40 is, for example, a crystal body in which a plurality of air holes 42 having the same size are arranged, and the refractive index of light passing through the photonic crystal 40 is changed to a frequency by adjusting the arrangement position and size of the air holes. Can be controlled according to.
図６は、フォトニック結晶４０における屈折率特性の一例を示す図である。図６において横軸は光の波長を示し、縦軸は群速度屈折率を示す。 FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a refractive index characteristic in the photonic crystal 40. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the wavelength of light, and the vertical axis indicates the group velocity refractive index.
フォトニック結晶４０における屈折率特性は、例えばエアホール４２の配置によって、光の波長が波長λAを超えると、群速度屈折率の増加割合が波長λA以下における群速度屈折率の増加割合に比べて上昇するような特性に設定することができる。 The refractive index characteristic of the photonic crystal 40 is such that, for example, when the wavelength of light exceeds the wavelength λ A due to the arrangement of the air holes 42, the increase rate of the group velocity refractive index is the increase rate of the group velocity refractive index below the wavelength λ A It is possible to set the characteristics so as to increase as compared with each other.
この場合、周波数が低い光ほど、光がフォトニック結晶４０を通過する際の経路の長さ、いわゆる「経路長」が長くなる。したがって、周波数が低い光ほどフォトニック結晶を通過するのに要する時間が長くなることで光の波形が伸長され、光の周波数がフォトニック結晶４０を通過する前の周波数より低下することになる。 In this case, the lower the frequency, the longer the path length when the light passes through the photonic crystal 40, the so-called “path length”. Therefore, light having a lower frequency has a longer time required to pass through the photonic crystal, so that the waveform of the light is expanded, and the frequency of the light is lower than the frequency before passing through the photonic crystal 40.
フォトニック結晶４０で光の周波数を低下させる効果を高めるには、図６に示した屈折率特性において、波長λAを超える範囲の群速度屈折率の増加度合い、すなわち群速度屈折率の傾きを大きくすればよい。 In order to increase the effect of reducing the frequency of light by the photonic crystal 40, in the refractive index characteristics shown in FIG. 6, the increase rate of the group velocity refractive index in the range exceeding the wavelength λ A , that is, the gradient of the group velocity refractive index is set. Just make it bigger.
したがって、図７に示すフォトニック結晶４０Ａでは、エアホール４２Ａの大きさを他のエアホール４２の大きさより小さくして共振器を構成することで、共振器の共鳴波長近傍の波長を有する光の群速度屈折率の傾きを高めている。フォトニック結晶４０Ａは、図５に示したフォトニック結晶４０に比べて、光の群速度屈折率の傾きを数１０倍程度大きくすることができる。すなわち、フォトニック結晶４０、４０Ａは異常分散材の一例である。 Therefore, in the photonic crystal 40A shown in FIG. 7, the size of the air hole 42A is made smaller than the size of the other air holes 42 to form a resonator, so that light having a wavelength in the vicinity of the resonance wavelength of the resonator can be obtained. The gradient of the group velocity refractive index is increased. The photonic crystal 40A can increase the slope of the group velocity refractive index of light by several tens of times compared to the photonic crystal 40 shown in FIG. That is, the photonic crystals 40 and 40A are an example of an anomalous dispersion material.
また、図８は、回折格子４４の一例を示す図である。回折格子４４の周囲には、スリット４６が設けられたスリット面４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄが配置される。回折格子４４は、導波路８から入力された光が各スリット面４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄで屈折され、再び導波路８に出力されるように接続される。 FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the diffraction grating 44. Around the diffraction grating 44, slit surfaces 44A, 44B, 44C, 44D provided with slits 46 are arranged. The diffraction grating 44 is connected so that light input from the waveguide 8 is refracted by the slit surfaces 44A, 44B, 44C, and 44D and output to the waveguide 8 again.
図９は、回折格子４４における光の経路例を示す図である。図９に示すように、回折格子４４に入力された光は、例えばスリット面４４Ａ、スリット面４４Ｂ、スリット面４４Ｃおよびスリット面４４Ｄの順に屈折して回折格子４４から出力される。 FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a light path in the diffraction grating 44. As shown in FIG. 9, the light input to the diffraction grating 44 is refracted in the order of, for example, the slit surface 44A, the slit surface 44B, the slit surface 44C, and the slit surface 44D and output from the diffraction grating 44.
この場合、周波数が低い光ほど回折格子４４における経路長が長くなるようにスリット４６を設ける。周波数が低い光ほど回折格子４４を通過するのに要する時間が長くなることで光の波形が伸長され、光の周波数が回折格子４４を通過する前の周波数より低下することになる。すなわち、回折格子４４は異常分散材の一例である。 In this case, the slit 46 is provided so that the path length in the diffraction grating 44 becomes longer as the light has a lower frequency. The light required to pass through the diffraction grating 44 becomes longer as the light has a lower frequency, so that the waveform of the light is expanded and the frequency of the light is lower than the frequency before passing through the diffraction grating 44. That is, the diffraction grating 44 is an example of an anomalous dispersion material.
なお、図８に示した回折格子４４の形状、スリット面４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄの位置およびスリット面４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄの数は一例であり、通過する光の波長に応じて光の通過時間が異なるものであれば特に制約はない。 Note that the shape of the diffraction grating 44, the positions of the slit surfaces 44A, 44B, 44C, and 44D and the number of the slit surfaces 44A, 44B, 44C, and 44D shown in FIG. 8 are examples, and the light depends on the wavelength of the light passing therethrough. There are no particular restrictions as long as the passage times are different.
また、図１０は、プリズム群４８の一例を示す図である。プリズム群４８は、例えばプリズム４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ、４８Ｄを含む。プリズム群４８は、導波路８から入力された光が各プリズム４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ、４８Ｄで屈折され、再び導波路８に出力されるように配置される。 FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the prism group 48. The prism group 48 includes, for example, prisms 48A, 48B, 48C, and 48D. The prism group 48 is arranged so that light input from the waveguide 8 is refracted by the prisms 48A, 48B, 48C, and 48D and output to the waveguide 8 again.
この場合、周波数が低い光ほどプリズム群４８における経路長が長くなるように、プリズム４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ、４９Ｄが配置される。周波数が低い光ほどプリズム群４８を通過するのに要する時間が長くなることで光の波形が伸長され、光の周波数がプリズム群４８を通過する前の周波数より低下することになる。すなわち、プリズム群４８は異常分散材の一例である。 In this case, the prisms 48A, 48B, 48C, and 49D are arranged so that the path length in the prism group 48 becomes longer as the light has a lower frequency. The light required to pass through the prism group 48 becomes longer as the light has a lower frequency, so that the waveform of the light is expanded and the frequency of the light is lower than the frequency before passing through the prism group 48. That is, the prism group 48 is an example of an anomalous dispersion material.
なお、レーザレーダ装置１０を光集積回路として構成してもよい。フォトニック結晶４０、４０Ａは、回折格子４４およびプリズム群４８に比べて小型化が可能である。したがって、光集積回路の小型化の観点から、伸長器２２の異常分散材にはフォトニック結晶４０、４０Ａを用いることが好ましい。更に、フォトニック結晶４０、４０Ａは、異常分散を制御できるため、群速度遅延が線形となる構成も取ることができる。 The laser radar device 10 may be configured as an optical integrated circuit. The photonic crystals 40 and 40A can be downsized as compared with the diffraction grating 44 and the prism group 48. Therefore, from the viewpoint of miniaturization of the optical integrated circuit, it is preferable to use the photonic crystals 40 and 40A as the anomalous dispersion material of the extender 22. Furthermore, since the photonic crystals 40 and 40A can control the anomalous dispersion, a configuration in which the group velocity delay is linear can be taken.
このように第１実施形態に係るレーザレーダ装置１０によれば、導波路８に光を伸長する伸長器２２を配置することで、導波路８を伝播する光の周波数を低下させる。したがって、送信光ＰＴと受信光ＰＲとの差周波が、伸長器２２を配置しない場合と比較して低下するため、ＡＤ変換器２６における干渉光のサンプリング周波数を低下させることができる。 As described above, according to the laser radar apparatus 10 according to the first embodiment, the frequency of the light propagating through the waveguide 8 is lowered by arranging the expander 22 that extends the light in the waveguide 8. Accordingly, since the difference frequency between the transmission light PT and the reception light PR is reduced as compared with the case where the expander 22 is not provided, the sampling frequency of the interference light in the AD converter 26 can be reduced.
すなわち、レーザレーダ装置１０は、対象物に送信する送信光ＰＴの周波数を低下させることなく差周波だけを低下させることができるため、測定精度を低下させることなく、レーザレーダ装置１０の構成を簡略化してコストを低減させることができる。 That is, since the laser radar device 10 can reduce only the difference frequency without reducing the frequency of the transmission light PT transmitted to the object, the configuration of the laser radar device 10 is simplified without reducing the measurement accuracy. And cost can be reduced.
＜第２実施形態＞
第１実施形態では、受信部に伸長器２２を配置したレーザレーダ装置１０について説明したが、第２実施形態では、送信部に圧縮器３２を配置したレーザレーダ装置１０Ａについて説明する。
Second Embodiment
In the first embodiment, the laser radar device 10 in which the expander 22 is disposed in the reception unit has been described. In the second embodiment, a laser radar device 10A in which the compressor 32 is disposed in the transmission unit will be described.
図１１は、第２実施形態に係るレーザレーダ装置１０Ａの構成例を示す図である。図１１に示すレーザレーダ装置１０Ａの構成が、図１に示したレーザレーダ装置１０と異なる点は、導波路４に圧縮器３２が追加される一方、導波路８から伸長器２２が削除されると共に、導波路４および導波路８を接続する導波路６が削除された点である。また、ＡＤ変換器２６がカウンタ３６に置き換えられている。 FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of a laser radar device 10A according to the second embodiment. 11 is different from the laser radar apparatus 10 shown in FIG. 1 in that the compressor 32 is added to the waveguide 4 and the expander 22 is deleted from the waveguide 8. In addition, the waveguide 6 connecting the waveguide 4 and the waveguide 8 is omitted. Further, the AD converter 26 is replaced with a counter 36.
送信光ＰＴの波長が短くなるほどレーダの距離分解能が向上し、測定精度が向上することが知られている。また、送信光ＰＴの波長が短くなるほど、例えば送信アンテナ１８等のレーザレーダ装置１０Ａに含まれる装置の小型化が図られるため、レーザレーダ装置１０Ａは、ＳＳＢ変調器１６と送信アンテナ１８との間に圧縮器３２を有する。 It is known that as the wavelength of the transmission light PT becomes shorter, the distance resolution of the radar is improved and the measurement accuracy is improved. Further, as the wavelength of the transmission light PT becomes shorter, for example, the size of the device included in the laser radar device 10A such as the transmission antenna 18 is reduced, so that the laser radar device 10A is provided between the SSB modulator 16 and the transmission antenna 18. Has a compressor 32.
圧縮器３２は、図１２に示すように、入力された送信光ＰＴを圧縮して、圧縮器３２に入力される前の送信光ＰＴの最大強度、すなわち「ピークパワー」を大きくする。送信光ＰＴのピークパワーを大きくすることでＳ／Ｎ比が向上し、かつ、距離分解能も向上することから、レーザレーダ装置１０Ａの測定精度が向上する。 As shown in FIG. 12, the compressor 32 compresses the input transmission light PT to increase the maximum intensity, that is, “peak power” of the transmission light PT before being input to the compressor 32. By increasing the peak power of the transmission light PT, the S / N ratio is improved and the distance resolution is also improved, so that the measurement accuracy of the laser radar device 10A is improved.
なお、光集積回路では光のピークパワーが大きくなるに従って、非線形光学効果による光の損失が大きくなるため、光集積回路を通過する光のピークパワーを予め定めた上限以下に制限する必要がある。しかし、レーザレーダ装置１０Ａでは、光の出力端である送信アンテナ１８の近くに圧縮器３２を配置している。したがって、レーザレーダ装置１０Ａを光集積回路で構成して光のピークパワーを大きくしたとしても、ピークパワーを大きくした光が伝播される距離が短いことから光の損失が抑制され、予め定めた上限を超えるピークパワーを有する送信光ＰＴを送信することができる。 In the optical integrated circuit, the light loss due to the nonlinear optical effect increases as the light peak power increases. Therefore, it is necessary to limit the peak power of light passing through the optical integrated circuit to a predetermined upper limit or less. However, in the laser radar apparatus 10A, the compressor 32 is disposed near the transmission antenna 18 that is the output end of light. Therefore, even if the laser radar device 10A is configured with an optical integrated circuit and the peak power of light is increased, the loss of light is suppressed due to the short propagation distance of the light having the increased peak power, and a predetermined upper limit is set. It is possible to transmit the transmission light PT having a peak power exceeding.
レーザレーダ装置１０Ａは、圧縮器３２で圧縮した送信光ＰＴを対象物に向かって送信し、対象物に向かって送信した送信光ＰＴのうち対象物で反射した光を受信アンテナ２０で受信光ＰＲとして受信する。 The laser radar apparatus 10A transmits the transmission light PT compressed by the compressor 32 toward the object, and the light reflected by the object among the transmission light PT transmitted toward the object is received by the reception antenna 20 as the reception light PR. As received.
受信アンテナ２０で受信した受信光ＰＲは、導波路８を伝播してフォトダイオード２４で受光される。そして、フォトダイオード２４は、受信光ＰＲの光量に応じた電圧をカウンタ３６に通知する。 The received light PR received by the receiving antenna 20 propagates through the waveguide 8 and is received by the photodiode 24. The photodiode 24 notifies the counter 36 of a voltage corresponding to the amount of received light PR.
カウンタ３６は、送信光ＰＴを送信したタイミングでタイマを起動し、フォトダイオード２４から受信光ＰＲの受光を通知されたタイミングでタイマを停止することで、送信光ＰＴを送信してから受信光ＰＲを受信するまでの時間差を計測する。 The counter 36 starts the timer at the timing when the transmission light PT is transmitted, and stops the timer at the timing when the reception of the reception light PR is notified from the photodiode 24, so that the reception light PR is transmitted after the transmission light PT is transmitted. Measure the time difference until receiving.
信号処理回路２８は、カウンタから通知された送信光ＰＴと受信光ＰＲの時間差および光の速度を用いて、レーザレーダ装置１０Ａから対象物までの距離を算出する、いわゆる「タイムオブフライト(Time Of Flight:TOF)方式」の距離測定を行う回路である。 The signal processing circuit 28 calculates the distance from the laser radar apparatus 10A to the object using the time difference between the transmitted light PT and the received light PR notified from the counter and the speed of the light. This is a circuit that measures the distance of "Flight: TOF)".
制御回路３０は、駆動回路１２、カウンタ３６および信号処理回路２８で上述した動作が行われるように、駆動回路１２、カウンタ３６および信号処理回路２８を制御する。 The control circuit 30 controls the drive circuit 12, the counter 36, and the signal processing circuit 28 so that the operation described above is performed by the drive circuit 12, the counter 36, and the signal processing circuit 28.
なお、導波路４、駆動回路１２、レーザ光源１４、ＳＳＢ変調器１６、圧縮器３２および送信アンテナ１８は、送信光ＰＴを対象物に向けて送信する送信部に含まれる構成要素の一例であり、導波路８、受信アンテナ２０およびフォトダイオード２４は、対象物で反射した光を受信する受信部に含まれる構成要素の一例である。また、カウンタ３６、信号処理回路２８および制御回路３０は、演算部に含まれる構成要素の一例である。 The waveguide 4, the drive circuit 12, the laser light source 14, the SSB modulator 16, the compressor 32, and the transmission antenna 18 are examples of components included in a transmission unit that transmits the transmission light PT toward an object. The waveguide 8, the receiving antenna 20, and the photodiode 24 are examples of components included in a receiving unit that receives light reflected by an object. The counter 36, the signal processing circuit 28, and the control circuit 30 are examples of components included in the calculation unit.
圧縮器３２は、レーザレーダ装置１０における伸長器２２と同じく、異常分散材を用いて光の経路長を周波数に応じて変化させ、光の波形を時間軸方向に圧縮する装置である。具体的には、圧縮器３２は、周波数が低くなるに従って経路長が短くなるように、光の経路長を調整した異常分散材を用いて、光の波形を時間軸方向に圧縮する。光の波形が時間軸方向に圧縮されると、光のピークパワーが圧縮前のピークパワーに比べて上昇することになる。 Similar to the expander 22 in the laser radar device 10, the compressor 32 is a device that uses an anomalous dispersion material to change the light path length according to the frequency and compresses the light waveform in the time axis direction. Specifically, the compressor 32 compresses the light waveform in the time axis direction using an anomalous dispersion material whose light path length is adjusted so that the path length becomes shorter as the frequency becomes lower. When the waveform of light is compressed in the time axis direction, the peak power of light increases as compared with the peak power before compression.
圧縮器３２の異常分散材としては、上述したフォトニック結晶４０、回折格子４４またはプリズム群４８を用いることができる。 As the anomalous dispersion material of the compressor 32, the above-described photonic crystal 40, diffraction grating 44, or prism group 48 can be used.
このように第２実施形態に係るレーザレーダ装置１０Ａによれば、圧縮器３２で圧縮した送信光ＰＴを対象物に向けて送信すると共に、対象物で反射した光を受信光ＰＲとして受信し、送信光ＰＴと受信光ＰＲの位相のずれ、すなわち時間差を用いて、対象物までの距離を測定する。 As described above, according to the laser radar apparatus 10A according to the second embodiment, the transmission light PT compressed by the compressor 32 is transmitted toward the object, and the light reflected by the object is received as the reception light PR. The distance to the object is measured using the phase shift between the transmitted light PT and the received light PR, that is, the time difference.
レーザレーダ装置１０Ａは、送信光ＰＴを圧縮器３２で圧縮することから距離の測定精度が向上する。更に、レーザレーダ装置１０Ａは、信号処理回路２８で受信光ＰＲの周波数解析等を行わなくとも、送信光ＰＴと受信光ＰＲとの位相差から対象物までの距離を測定できるため、演算部の構成を比較的簡素化することができる。 Since the laser radar apparatus 10A compresses the transmission light PT by the compressor 32, the distance measurement accuracy is improved. Furthermore, the laser radar device 10A can measure the distance to the object from the phase difference between the transmitted light PT and the received light PR without performing frequency analysis of the received light PR by the signal processing circuit 28. The configuration can be relatively simplified.
＜第３実施形態＞
第１実施形態では、導波路８を伝播する光を１つの伸長器２２で伸長したが、第３実施形態では、導波路８を伝播する光を時分割して、複数の伸長器２２で伸長するレーザレーダ装置１０Ｂについて説明する。
<Third Embodiment>
In the first embodiment, the light propagating through the waveguide 8 is extended by one stretcher 22. In the third embodiment, the light propagating through the waveguide 8 is time-divided and extended by a plurality of extenders 22. The laser radar device 10B that performs the operation will be described.
図１３は、第３実施形態に係るレーザレーダ装置１０Ｂの構成例を示す図である。レーザレーダ装置１０Ｂの構成が、図１に示した第１実施形態に係るレーザレーダ装置１０の構成と異なる点は、送信光ＰＴおよび受信光ＰＲによる干渉光を時分割する光マルチプレクサ５０が導波路８に配置された点である。また、光マルチプレクサ５０で時分割された干渉光が伝播される導波路５２Ａ、５２Ｂに、それぞれ伸長器２２Ａ、２２Ｂ及びフォトダイオード２４Ａ、２４Ｂが配置される。更に、フォトダイオード２４Ａの出力はＡＤ変換器２６Ａを介して信号処理回路２８Ａに入力され、フォトダイオード２４Ｂの出力はＡＤ変換器２６Ｂを介して信号処理回路２８Ｂに入力される。 FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration example of a laser radar device 10B according to the third embodiment. The configuration of the laser radar device 10B is different from the configuration of the laser radar device 10 according to the first embodiment shown in FIG. 1 in that an optical multiplexer 50 that time-divides interference light by the transmission light PT and the reception light PR is a waveguide. It is a point arranged at 8. Further, expanders 22A and 22B and photodiodes 24A and 24B are arranged in waveguides 52A and 52B through which interference light time-divided by the optical multiplexer 50 is propagated, respectively. Further, the output of the photodiode 24A is input to the signal processing circuit 28A via the AD converter 26A, and the output of the photodiode 24B is input to the signal processing circuit 28B via the AD converter 26B.
以下、レーザレーダ装置Ｂの作用について説明する。 Hereinafter, the operation of the laser radar apparatus B will be described.
導波路８を伝播する干渉光は、光マルチプレクサ５０に入力される。光マルチプレクサ５０は、例えば共振周波数が異なる２つのリング共振器５０Ａ、５０Ｂを備える。リング共振器５０Ａ、５０Ｂは、リング形状の導波路に共振する波長の光だけを通過する光フィルタとして機能する。光マルチプレクサ５０は、リング共振器５０Ａ、５０Ｂの周囲にそれぞれ実装された図示しないヒータに電流を注入し、リング共振器５０Ａ、５０Ｂの共振周波数を調整することで干渉光を周期に応じて交互に分割するスイッチング制御を行い、干渉光を時分割する。光マルチプレクサ５０は、時分割した干渉光を周期に応じて交互に導波路５２Ａ及び導波路５２Ｂに伝播させる。 The interference light propagating through the waveguide 8 is input to the optical multiplexer 50. The optical multiplexer 50 includes, for example, two ring resonators 50A and 50B having different resonance frequencies. The ring resonators 50A and 50B function as an optical filter that passes only light having a wavelength that resonates in a ring-shaped waveguide. The optical multiplexer 50 injects current into heaters (not shown) mounted around the ring resonators 50A and 50B, respectively, and adjusts the resonance frequency of the ring resonators 50A and 50B to alternately generate interference light according to the period. Switching control is performed to divide, and the interference light is time-divided. The optical multiplexer 50 alternately propagates the time-division interference light to the waveguide 52A and the waveguide 52B according to the period.
図１４は、光マルチプレクサ５０で時分割された干渉光の一例を示す模式図である。図１４において、波形５４は光マルチプレクサ５０に入力された干渉光の波形例である。波形５４で表される干渉光が光マルチプレクサ５０に入力されると、干渉光が周期毎に交互に分割され、波形５６Ａで示した干渉光（時分割干渉光Ａ）と波形５６Ｂで示した干渉光（時分割干渉光Ｂ）に分割される。このように光マルチプレクサ５０は、周期に従って交互に時分割するため、時間軸に沿って時分割干渉光Ａと時分割干渉光Ｂを見た場合、干渉光が重複する期間が存在しないことになる。時分割干渉光Ａは、例えば導波路５２Ａを伝播し、時分割干渉光Ｂは例えば導波路５２Ｂを伝播する。 FIG. 14 is a schematic diagram illustrating an example of interference light time-divided by the optical multiplexer 50. In FIG. 14, a waveform 54 is a waveform example of the interference light input to the optical multiplexer 50. When the interference light represented by the waveform 54 is input to the optical multiplexer 50, the interference light is alternately divided for each period, and the interference light indicated by the waveform 56A (time-division interference light A) and the interference indicated by the waveform 56B. It is divided into light (time division interference light B). As described above, since the optical multiplexer 50 alternately performs time division according to the period, when the time division interference light A and the time division interference light B are viewed along the time axis, there is no period in which the interference light overlaps. . The time division interference light A propagates through the waveguide 52A, for example, and the time division interference light B propagates through the waveguide 52B, for example.
導波路５２Ａを伝播する時分割干渉光Ａは、伸長器２２Ａによって波形５６Ａが時間軸方向に伸長され、例えば図１４の波形５８Ａに示すような波形に変換される。また、導波路５２Ｂを伝播する時分割干渉光Ｂは、伸長器２２Ｂによって波形５６Ｂが時間軸方向に伸長され、例えば図１４の波形５８Ｂに示すような波形に変換される。 In the time division interference light A propagating through the waveguide 52A, the waveform 56A is expanded in the time axis direction by the expander 22A, and converted into a waveform as shown by a waveform 58A in FIG. 14, for example. Further, the time division interference light B propagating through the waveguide 52B is expanded in the waveform 56B in the time axis direction by the expander 22B, and converted into a waveform as shown by a waveform 58B in FIG. 14, for example.
伸長器２２Ａで伸長された時分割干渉光Ａの光量は、フォトダイオード２４Ａで電流値に変換され、ＡＤ変換器２６Ａで離散値に変換された後に信号処理回路２８Ａに入力される。信号処理回路２８Ａでは、受け付けた時分割干渉光Ａの波形に対して、例えば高速フーリエ変換を実行してドップラーシフト周波数ｆdAを算出する。 The light quantity of the time division interference light A expanded by the expander 22A is converted into a current value by the photodiode 24A, converted into a discrete value by the AD converter 26A, and then input to the signal processing circuit 28A. In the signal processing circuit 28A, for example, a fast Fourier transform is performed on the received waveform of the time division interference light A to calculate the Doppler shift frequency fdA .
一方、伸長器２２Ｂで伸長された時分割干渉光Ａの光量は、フォトダイオード２４Ｂで電流値に変換され、ＡＤ変換器２６Ｂで離散値に変換された後に信号処理回路２８Ｂに入力される。信号処理回路２８Ｂでは、受け付けた時分割干渉光Ｂの波形に対して、例えば高速フーリエ変換を実行してドップラーシフト周波数ｆdBを算出する。 On the other hand, the amount of time-division interference light A expanded by the expander 22B is converted into a current value by the photodiode 24B, converted into a discrete value by the AD converter 26B, and then input to the signal processing circuit 28B. In the signal processing circuit 28B, for example, fast Fourier transform is performed on the received waveform of the time division interference light B to calculate the Doppler shift frequency f dB .
このようにレーザレーダ装置１０Ｂでは、光マルチプレクサ５０で時分割した干渉光の各々に対して、それぞれ伸長器２２、フォトダイオード２４、ＡＤ変換器２６、及び信号処理回路２８が独立して設けられている。したがって、信号処理回路２８Ａ、２８Ｂでドップラーシフト周波数を並列して算出することができるため、干渉光を時分割しないで対象物までの距離及び対象物との相対速度を算出する場合と比較して、算出速度を向上させることができる。 As described above, in the laser radar device 10B, the expander 22, the photodiode 24, the AD converter 26, and the signal processing circuit 28 are provided independently for each of the interference lights time-divided by the optical multiplexer 50. Yes. Therefore, since the signal processing circuits 28A and 28B can calculate the Doppler shift frequency in parallel, the distance to the object and the relative speed with the object are calculated without time-sharing the interference light. The calculation speed can be improved.
なお、図１３に示したレーザレーダ装置１０Ｂでは、光マルチプレクサ５０で干渉光を２つの時分割干渉光に分割したが、リング共振器を追加して３つ以上の時分割干渉光に分割してもよい。この場合、分割数に合わせて伸長器２２、フォトダイオード２４、ＡＤ変換器２６、及び信号処理回路２８を設ければよい。 In the laser radar apparatus 10B shown in FIG. 13, the interference light is divided into two time-division interference lights by the optical multiplexer 50, but a ring resonator is added and divided into three or more time-division interference lights. Also good. In this case, an expander 22, a photodiode 24, an AD converter 26, and a signal processing circuit 28 may be provided in accordance with the number of divisions.
なお、図１、図１１及び図１３に示した送信アンテナ１８および受信アンテナ２０には、図１５に示す光フェーズドアレイアンテナ（以降、「光フェーズドアレイ」という）を用いることができる。ここでは、光フェーズドアレイを送信アンテナ１８に適用する例について説明するが、光フェーズドアレイを受信アンテナ２０に適用する場合は、光の伝播方向が逆になるだけある。 As the transmission antenna 18 and the reception antenna 20 shown in FIGS. 1, 11, and 13, the optical phased array antenna shown in FIG. 15 (hereinafter referred to as “optical phased array”) can be used. Here, an example in which the optical phased array is applied to the transmission antenna 18 will be described. However, when the optical phased array is applied to the reception antenna 20, the light propagation direction is only reversed.
光フェーズドアレイ１８とは、送信光ＰＴを図示しない光カプラによって複数の導波路（図１５の例では、１８−１から１８−８の８本）に分岐させ、導波路１８−１〜導波路１８−８の端部から送信光ＰＴを送信する光アンテナの一例である。以降では、導波路１８−１から導波路１８−８をまとめて「導波路１８Ａ」という。 In the optical phased array 18, the transmission light PT is branched into a plurality of waveguides (in the example of FIG. 15, eight lines 18-1 to 18-8) by an optical coupler (not shown), and the waveguides 18-1 to 18-1 are guided. It is an example of the optical antenna which transmits transmission light PT from the edge part of 18-8. Hereinafter, the waveguides 18-1 to 18-8 are collectively referred to as “waveguide 18A”.
導波路１８Ａにおいて、送信光ＰＴを送信する側の端部には回折格子１８−５が設けられており、導波路１８Ａを伝播する送信光ＰＴは回折格子１８−５から対象物に向けて送信される。 In the waveguide 18A, a diffraction grating 18-5 is provided at an end of the transmission light PT transmitting side, and the transmission light PT propagating through the waveguide 18A is transmitted from the diffraction grating 18-5 toward the object. Is done.
また、光フェーズドアレイ１８には、導波路１８Ａの各々を加熱する薄膜ヒータ１８−３、１８−４が取り付けられており、薄膜ヒータ１８−３、１８−４で導波路１８Ａを加熱することで、導波路１８Ａを伝播する各々の光の屈折率を変化させ、回折格子１８−５から送信される光の送信角度を変えることができる。 In addition, thin film heaters 18-3 and 18-4 for heating each of the waveguides 18A are attached to the optical phased array 18, and the waveguide 18A is heated by the thin film heaters 18-3 and 18-4. The transmission angle of light transmitted from the diffraction grating 18-5 can be changed by changing the refractive index of each light propagating through the waveguide 18A.
光の屈折率は、導波路１８Ａに供給される熱量（薄膜ヒータ１８−３、１８−４の発熱量）に応じて変化するため、導波路１８Ａの各々から放射される光の位相が変化することで、送信光ＰＴの送信方向が変化する。したがって、光フェーズドアレイ１８は対象物に向けて送信光ＰＴを送信することができる。 Since the refractive index of light changes according to the amount of heat supplied to the waveguide 18A (the amount of heat generated by the thin film heaters 18-3 and 18-4), the phase of light emitted from each of the waveguides 18A changes. As a result, the transmission direction of the transmission light PT changes. Therefore, the optical phased array 18 can transmit the transmission light PT toward the object.
なお、受信アンテナ２０に光フェーズドアレイを適用した場合には、薄膜ヒータで光フェーズドアレイの導波路が加熱されることで導波路の屈折率が変化し、光フェーズドアレイで受信可能な光の受信角度を変えることができる。 When an optical phased array is applied to the receiving antenna 20, the refractive index of the waveguide is changed by heating the waveguide of the optical phased array with a thin film heater, so that light that can be received by the optical phased array is received. The angle can be changed.
本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and applications can be made without departing from the gist of the present invention.
例えば、図１に示したレーザレーダ装置１０及び図１３に示したレーザレーダ１０ＢのＳＳＢ変調器１６と送信アンテナ１８との間の導波路４に、図１１に示した圧縮器３２を配置してもよい。 For example, the compressor 32 shown in FIG. 11 is arranged in the waveguide 4 between the SSB modulator 16 and the transmission antenna 18 of the laser radar device 10 shown in FIG. 1 and the laser radar 10B shown in FIG. Also good.
この場合、送信光ＰＴが圧縮されるため、レーザレーダ装置１０、１０Ｂに比べて距離の測定精度が向上したレーザレーダ装置が実現できる。 In this case, since the transmission light PT is compressed, it is possible to realize a laser radar device with improved distance measurement accuracy compared to the laser radar devices 10 and 10B.
４（６、８、１８Ａ）・・・導波路、１０（１０Ａ、１０Ｂ）・・・レーザレーダ装置、１２・・・駆動回路、１４・・・レーザ光源、１６・・・ＳＳＢ変調器、１８・・・送信アンテナ、２０・・・受信アンテナ、２２・・・伸長器、２４・・・フォトダイオード、２６・・・ＡＤ変換器、２８・・・信号処理回路、３０・・・制御回路、３２・・・圧縮器、３６・・・カウンタ、４０（４０Ａ）・・・フォトニック結晶、４４・・・回折格子、４８・・・プリズム群、ＰＲ・・・受信光、ＰＴ・・・送信光 4 (6, 8, 18A) ... waveguide, 10 (10A, 10B) ... laser radar device, 12 ... drive circuit, 14 ... laser light source, 16 ... SSB modulator, 18 ... Transmission antenna, 20 ... Reception antenna, 22 ... Expander, 24 ... Photodiode, 26 ... AD converter, 28 ... Signal processing circuit, 30 ... Control circuit, 32 ... Compressor, 36 ... Counter, 40 (40A) ... Photonic crystal, 44 ... Diffraction grating, 48 ... Prism group, PR ... Receiving light, PT ... Transmission light
Claims (9)
前記送信部から送信した光のうち、前記対象物で反射した光を受信する受信部と、
前記送信部で送信した光と、前記受信部で受信した光とのずれに基づいて、前記対象物までの距離を演算する演算部と、
を備え、
前記送信部および前記受信部の少なくとも一方に、通過する光の周波数によって屈折率が異なる異常分散材を設けた
レーザレーダ装置。 A transmitter for transmitting light whose frequency changes with time toward an object;
Of the light transmitted from the transmitter, a receiver that receives the light reflected by the object;
A calculation unit that calculates a distance to the object based on a deviation between the light transmitted by the transmission unit and the light received by the reception unit;
With
A laser radar device, wherein an anomalous dispersion material having a refractive index different depending on a frequency of light passing through is provided in at least one of the transmission unit and the reception unit.
前記送信部に設けられた前記異常分散材は、通過する光を時間軸方向に圧縮し、光の強度を圧縮前より上昇させる屈折率を有する
請求項１記載のレーザレーダ装置。 The anomalous dispersion material is provided in the transmission unit,
The laser radar device according to claim 1, wherein the anomalous dispersion member provided in the transmission unit has a refractive index that compresses light passing therethrough in a time axis direction and increases the intensity of the light from before compression.
前記受信部に設けられた前記異常分散材は、通過する光を時間軸方向に伸長させる屈折率を有する
請求項１または請求項２記載のレーザレーダ装置。 The anomalous dispersion material is provided in the receiving unit,
The laser radar device according to claim 1, wherein the anomalous dispersion member provided in the receiving unit has a refractive index that extends light passing therethrough in a time axis direction.
前記経路の各々に前記異常分散材が設けられた
請求項３記載のレーザレーダ装置。 The receiving unit is provided with an optical multiplexer that time-divides the received light and propagates the time-divided light to different paths,
The laser radar device according to claim 3, wherein each of the paths is provided with the anomalous dispersion material.
請求項１から請求項４の何れか１項に記載のレーザレーダ装置。 The laser radar device according to any one of claims 1 to 4, wherein the anomalous dispersion material is a photonic crystal in which a plurality of air holes are arranged.
請求項５記載のレーザレーダ装置。 The laser radar device according to claim 5, wherein the plurality of air holes include air holes of different sizes.
請求項１から請求項４の何れか１項に記載のレーザレーダ装置。 The laser radar device according to any one of claims 1 to 4, wherein the anomalous dispersion material is a diffraction grating.
請求項１から請求項４の何れか１項に記載のレーザレーダ装置。 The laser radar device according to claim 1, wherein the anomalous dispersion material is a prism.
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