JP2018141821A - レーザ光源およびレーザレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光の周波数の線形掃引性を向上させる。【解決手段】レーザ光源１は、単一モードの光を出力する光増幅器５０と、単一モードの光を多モードの光に変換し鏡像を形成しつつ干渉させ、干渉後の多モードの光を単一モードの光に変換して出力する多モード干渉導波路、および鏡像が形成される位置に複数のチャネルを有する光変調器４２とを備え、光変調器４２が、光増幅器５０から出力された光の経路上に配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源およびレーザレーダ装置に関する。

従来から、出力する光の波長を可変することができるレーザ光源、および当該レーザ光源を用いた測定対象物の速度距離測定手法が提案されている。

例えば、特許文献１では、波長可変フィルタを用いて、数十ＧＨｚ程度の範囲で光の波長を調整するレーザ光源が開示されている。

また、非特許文献１では、三角波状に周波数変調された光を発光する発光素子を用いて、測定対象物までの距離および相対速度を計測する手法が開示されている。

特許第５０２９３６４号公報

木谷 博、「周波数変調光による物体の距離・速度測定」、福井工業大学研究紀要、福井工業大学、２００３年、第３３号、ｐ．１７−２１

光の波長を可変することができるレーザ光源は、例えばＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ：周波数変調連続波）方式のレーザレーダ装置等の光源に用いられる。

しかし、ＦＭＣＷ方式のレーザレーダ装置では、送信波として用いる周波数変調されたレーザ光源の周波数の線形性が、距離等の測定精度に大きな影響を及ぼす。従って、例えばＦＭＣＷ方式のレーザレーダに用いるレーザ光源には、掃引周波数の線形性が高く、かつ、安定度の高いレーザ光源が要求される。

しかしながら、特許文献１のレーザ光源では、薄膜ヒータを用いて導波路を加熱して導波路を伝播する光の波長を制御する方法を用いているため、周波数制御に係る応答速度が遅いという問題がある。

また、非特許文献１では、発光素子に注入する注入電流を変調することで、光を三角波状に周波数変調するが、注入電流変化に対する周波数変化は非線形であることから、掃引周波数を線形に変化させることは困難である。そのため、得られる距離等の測定結果には、掃引周波数の非線形性に起因する誤差が含まれることになる。

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、レーザ光の周波数の線形掃引性を向上したレーザ光源およびレーザレーダ装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載のレーザ光源は、単一モードの光を出力する光増幅器と、単一モードの光を多モードの光に変換し鏡像を形成しつつ干渉させ、干渉後の多モードの光を単一モードの光に変換して出力する多モード干渉導波路、および前記鏡像が形成される位置に光の伝播方向と交差する方向に延伸されたチャネルを有する光変調器と、を備え、前記光変調器が、前記光増幅器から出力された光の経路上に配置される。

請求項２に記載のレーザ光源は、前記経路上に、光を伝播する導波路と、予め定めた周波数の光を透過させるリング共振器とを備え、前記リング共振器および前記導波路の少なくとも一方に前記光変調器を配置する。

請求項３に記載のレーザ光源は、前記光増幅器が化合物半導体で構成され、前記導波路、前記リング共振器および前記光変調器が光集積回路で構成される。

請求項４に記載のレーザ光源は、前記予め定めた周波数が互いに異なる複数の前記リング共振器を備え、前記リング共振器に前記光変調器を配置する場合、前記リング共振器の少なくとも１つに前記光変調器を配置する。

請求項５に記載のレーザ光源は、前記チャネルの各々に、Ｐ型にドーピングされたＰ型領域同士によるＰＰ接合が形成される。

請求項６に記載のレーザ光源は、前記チャネルの各々に、Ｎ型にドーピングされたＮ型領域同士によるＮＮ接合が形成される。

請求項７に記載のレーザ光源は、前記チャネルの各々に、Ｐ型にドーピングされたＰ型領域とＮ型にドーピングされたＮ型領域によるＰＮ接合が形成される。

請求項８に記載のレーザレーダ装置は、請求項１から請求項７の何れか１項に記載のレーザ光源と、前記レーザ光源から出力された光を対象物に放射する放射部と、前記放射部から放射した光のうち、前記対象物で反射した光を受光する受光部と、前記放射部から放射した光と前記受光部で受光した光との位相差を検出する検出部と、前記検出部で検出された位相差を用いて、前記対象物までの距離および前記対象物に対する相対速度を算出する算出部と、を備える。

請求項９に記載のレーザレーダ装置は、前記放射部および前記受光部が、複数の導波路の各々に熱量を供給し、前記複数の導波路を伝播する光の各々の位相を変調する位相変調部と、前記複数の導波路の各々に対応して配置された複数の回折格子から光を放射または受光する回折格子アレイと、を備えた光フェーズドアレイを含む。

以上説明したように、本発明に係るレーザ光源およびレーザレーダ装置によれば、レーザ光の周波数の線形掃引性を向上することができる、という効果を奏する。

レーザ光源の構成例を示す図である。 光変調器の構成例を示す図である。 光変調器の多モード干渉導波路を通過する光の状態について説明する模式図である。 三角波状に周波数変調された送信レーザ光および受信レーザ光の一例を示す図である。 レーザ光源の他の構成例を示す図である。 レーザ光源の他の構成例を示す図である。 レーザ光源を用いたレーザレーダの構成例を示す図である。 レーザ光源を用いたスキャン式レーザレーダの構成例を示す図である。 方形波状に周波数変調された送信レーザ光および受信レーザ光の一例を示す図である。

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。

図１は、本実施の形態に係るレーザ光源１の構成例を示す図である。レーザ光源１は、共振器４０と、利得媒体の一例である半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）５０を含む。

ＳＯＡ５０は、例えばインジウム、ガリウム、ヒ素およびリンを用いた化合物であるInGaAsP系の１．５５μｍ帯光増幅器であり、一端側が反射面Ｍ１とされ、他端側から光を出力する。

共振器４０は、反射面Ｍ１と反射面Ｍ２とでファブリペロー共振器を構成し、選択された特定の波長を有する共振器出力光Ｐ_Ｅを出力する。

ここで、共振器４０は、光変調器４２、導波路４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ、４８Ｄ、４８Ｅ、光フィルタ４４Ａ、光フィルタ４４Ｂおよびアウトカプラ４６を含む。

光変調器４２は、多モード干渉導波路（Multi Mode Interference：ＭＭＩ）を備え、電極から電流注入し、光の屈折率を変化させることで、共振器４０における光の経路長を変化させる。

導波路４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ、４８Ｄ、４８Ｅは、光を伝播する経路である。ＳＯＡ５０における光の出力端は導波路４８Ａに接続され、光変調器４２を透過した光は、導波路４８Ｂを経由して光フィルタ４４Ａに入力される。そして、光フィルタ４４Ａを透過した光は導波路４８Ｃを経由して光フィルタ４４Ｂに入力される。

ここで、光フィルタ４４Ａ、４４Ｂは、透過する光の波長を選択する素子であり、本実施の形態では、リング導波路を用いたリング共振器型の光フィルタを用いている。経路長を変えることで、互いに予め定めた異なる波長（すなわち、周波数）の光が透過されるように光フィルタ４４Ａ、４４Ｂを構成することによって、レーザ光源１における共振器出力光Ｐ_Ｅの周波数帯域が狭くなり、共振器出力光Ｐ_Ｅのピーク強度が高くなる。

一方、光フィルタ４４Ｂを透過した光は、導波路４８Ｄを経由してアウトカプラ４６に入力される。

アウトカプラ４６は、２つのループミラーを方向性結合器により結合させた構造を有するカプラであり、方向性結合器の部分が入射された光を反射する反射面Ｍ２の機能を有している。そして、アウトカプラ４６から出力された光が、導波路４８Ｅを介して共振器出力光Ｐ_Ｅとして共振器４０から出力される。

図１では一例として、光変調器４２を導波路４８Ａと導波路４８Ｂの間に配置したが、これに限られず、例えば導波路４８Ｄに配置するようにしてもよい。

なお、以降では、導波路４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ、４８Ｄ、４８Ｅを区別する必要がない場合、まとめて「導波路４８」ということにする。同様に、光フィルタ４４Ａ、４４Ｂを区別する必要がない場合は、まとめて「光フィルタ４４」ということにする。

次に、共振器４０における光変調器４２について詳細に説明する。

図２は、光変調器４２の構成例を示した図である。図２に示すように、光変調器４２は、Ｓｉの基板３０、基板３０上に形成されたＳｉＯ２（二酸化珪素）層３２、多モード干渉導波路１２、入力導波路１４ａ、出力導波路１４ｂ、Ｐ電極１８ａ、および同じくＰ電極１８ｂを含む光集積回路として構成される。

光変調器４２では、多モード干渉導波路１２、入力導波路１４ａ、および出力導波路１４ｂはＳｉによって形成されると共に、多モード干渉導波路１２、入力導波路１４ａ、および出力導波路１４ｂによって導波路が構成されている。そして、入力導波路１４ａの入力部Ｅｉから入力光Ｐｉが入力され、出力導波路１４ｂの出力部Ｅｏから出力光Ｐｏが出力される。

ここで、本実施の形態に係る入力導波路１４ａおよび出力導波路１４ｂの各々は、単一モード（シングルモード）から多モード（マルチモード）への変換、多モードから単一モードへの変換を考慮して平面視テーパ状に形成されているが、これに限られず、たとえば、均一の幅の導波路としてもよい。

光変調器４２の入力光Ｐｉおよび出力光Ｐｏはいずれも単一モードの光である。本実施の形態に係る多モード干渉導波路１２は、単一モードである入力光Ｐｉを多モードの光に変換して伝播させた後、伝播された多モードの光を単一モードに変換し、出力導波路１４ｂから単一モードの出力光Ｐｏとして出力させる。なお、光変調器４２は光の伝播方向に対して対称であるので、入力導波路１４ａと出力導波路１４ｂとを逆にする、つまり出力導波路１４ｂから入力光Ｐｉを入力し、入力導波路１４ａから出力光Ｐｏを出力することも可能である。

多モード干渉導波路１２からは、ＳｉにＰ型不純物を拡散（ドーピング）したＰドープ領域であるＰチャネル１６ａ、１６ｂが、光の伝播方向と直交する方向に延伸されている（以下、「Ｐチャネル１６ａ」と「Ｐチャネル１６ｂ」とを区別しない場合には「チャネル１６」という場合がある）。

図２（ｂ）に示すように、Ｐチャネル１６ａ、１６ｂとの界面（すなわち、多モード干渉導波路１２の略中央）においてＰＰ接合ＰＰが形成されている。後述するように、本実施の形態に係る光変調器４２のチャネル１６は、多モード干渉導波路１２を伝播する光において鏡像が形成される位置に配置される。

なお、本実施の形態ではＰチャネル１６ａ、１６ｂが各々３本の場合を例示しているが、チャネル１６の数はこれに限定されず、例えば１本または３本以外の複数本であってもよい。また、以下において、図２（ｂ）に示すチャネル１６を含む断面で示される領域を、「チャネル形成領域」という場合がある。これに対し、図２（ｃ）に示すチャネル１６を含まない断面で示される領域を、「チャネル非形成領域」という場合がある。

Ｐチャネル１６ａの延伸方向端部近傍にはＰ＋領域２０ａが、Ｐチャネル１６ｂの延伸方向の端部近傍にはＰ＋領域２０ｂが形成されている。

Ｐ＋領域２０ａ、２０ｂは、各々Ｐ電極１８ａ、１８ｂに接続するためのコンタクト領域であり、Ｐ＋領域２０ａはビア２２ａを介してＰ電極１８ａに、Ｐ＋領域２０ｂはビア２２ｂを介してＰ電極１８ｂに接続されている。なお、本実施の形態に係るＰ＋領域とはＳｉに高濃度のＰ型不純物が拡散された領域である。

ここで、図２（ｃ）に示すように、チャネル非形成領域、すなわち光の伝播方向に沿ったチャネル１６とチャネル１６との間の領域ではチャネルが無いために、ＰＰ接合に相当する部分が分離されている。しかしながら、Ｐ電極１８ａ、１８ｂは、各々３本のＰチャネル１６ａ、３本のＰチャネル１６ｂを短絡して接続するために、Ｐ＋領域２０ａ、２０ｂ、ビア２２ａ、２２ｂは、チャネル形成領域とチャネル非形成領域とにかけて連続して形成されている。

本実施の形態に係る光変調器４２の多モード干渉導波路１２、入力導波路１４ａ、出力導波路１４ｂ、およびチャネル１６は、先述したようにＳｉで形成されており、多モード干渉導波路１２、入力導波路１４ａ、出力導波路１４ｂ、およびチャネル１６の上部は、クラッドとしてのＳｉＯ２膜３４によって覆われている。

図３は、入力部Ｅｉから出力部Ｅｏまで伝播する光の多モード干渉導波路１２を通過する際の断面を示しており、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、各々図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に相当する断面図である。図３（ｂ）に示すように、チャネル形成領域では、光はチャネル形成領域の略中央部分（ＰＰ接合ＰＰの近傍）に沿って伝播する。また、図３（ｃ）に示すように、チャネル非形成領域では、光はＳｉＯ２膜で分離されたＳｉの部分に沿って伝播する。

上記のような構成を有する光変調器４２では、Ｐ電極１８ａ、１８ｂとの間に電流が注入されると、キャリアプラズマ効果によってＰＰ接合ＰＰにおける屈折率が変化し、入力光Ｐｉが位相変調されて出力光Ｐｏとして出力される。

ここで、キャリアプラズマ効果とは、半導体中の自由キャリアにより当該半導体の屈折率が変化する現象であり、Ｐ電極１８ａ、１８ｂに注入する電流によって自由キャリアの密度を制御することにより、光変調器４２を伝播する光の波長を変化させる。

また、ＰＰ接合ＰＰでは、Ｐ電極１８ａ、１８ｂに注入する電流によってジュール熱が発生し、更に光の屈折率が変化する。

先述したように、本実施の形態に係る光変調器４２では、多モード干渉導波路１２を伝播する光の鏡像が出る位置にチャネル１６を配置することをひとつの特徴としている。

入力導波路１４ａから多モード干渉導波路１２に入力する場合のように、単一モードの導波路から多モードの導波路に入射された光は周期的に像を結ぶ。これは、モード間の伝播定数の差からビートが発生するためである。像は一般に複数結ばれ、像を結ぶ周期は「ＭＭＩ長」と称される場合もある。図２（ａ）では、間隔ｄがＭＭＩ長となっている。

多モードの導波路に入射された光が像を結ぶ位置は、換言すると、導波路に対して伝播する光が導波路の中心近くに収束する位置であり、鏡像が形成される位置となっている。この鏡像が形成される位置は電界が収束しているので波長依存性が少なく、また光学損失も少ないという特性を有している。

そこで、光変調器４２では、鏡像が形成される位置にチャネル１６を配置することにより、光変調器４２の波長依存性および光学損失を低減させている。また、ＭＭＩ長は回折格子のピッチに比べて長く、製造プロセス上の精度が小さくてすむので、光変調器４２の製造プロセスが簡素化される。更に、チャネル１６にリブを形成する必要がないため、光変調器４２の製造プロセスが簡素化される。

次に、図４を参照して、ＦＭＣＷ方式のレーザレーダ装置（以下、「レーザレーダ」という）について説明する。

レーザレーダは、図４に示すように、時間ｔに対して例えば三角波状に周波数変調された送信レーザ光ＰＴを送信する。送信レーザ光ＰＴが距離ｄだけ離れた測定対象物Ｑで反射されると、受信レーザ光ＰＲとなってレーザレーダに戻り、受信される。

送信レーザ光ＰＴと受信レーザ光ＰＲを時間軸に沿って表すと、受信レーザ光ＰＲは送信レーザ光ＰＴより遅延時間τだけ遅れる。この遅延時間τが測定対象物Ｑまでの距離ｄの情報を含んでおり、ＦＭＣＷ方式では、送信レーザ光ＰＴと受信レーザ光ＰＲとの周波数差δｆを用いて距離ｄを算出する。

なお、図４に示す送信レーザ光ＰＴ、受信レーザ光ＰＲの波形は一例であって、他の波形、例えば鋸歯状の波形を有する送信レーザ光ＰＴ、受信レーザ光ＰＲであってもよい。

以上のように構成されたＦＭＣＷ方式のレーザレーダでは、周波数変調された送信レーザ光ＰＴを発生させるためのレーザ光源、すなわち光周波数掃引レーザ光源が、測距等における精度の向上の観点から重要なキーコンポーネントとなる。すなわち、掃引周波数の線形性、及び安定度のより優れた光周波数掃引レーザ光源を用いることが重要である。

レーザレーダの掃引周波数を制御する手法として、従来は導波路をヒータで加熱して光の屈折率を変化させる手法が用いられることがあった。

しかしながら、ヒータを光集積回路に内蔵し導波路を直接加熱することは、例えば排熱の観点からも困難であるため、光集積回路の表面にヒータを接触させて加熱することになる。この場合、光集積回路内の導波路から光集積回路の表面までは比較的距離が離れているため、ヒータで導波路を直接加熱する場合に比べて、ヒータで加熱を始めてから実際に導波路が加熱されるまでに時間差が生じる。また、熱容量は非線形性を有するため、導波路の加熱特性も非線形となる。

一方、光変調器４２は、半導体中の自由キャリアにより当該半導体の屈折率を変化させているため、電極１８ａ、１８ｂからの電流注入量に応じて導波路の屈折率を線形に制御することが可能である。したがって、光変調器４２は、導波路をヒータで加熱することにより光の屈折率を変化させる従来の手法に比べて、光の周波数を線形に変化させることができる。更に、光変調器４２は、電流の注入によって生じるジュール熱により、導波路を直接加熱することができるため、ヒータで光集積回路の表面を加熱する場合に比べて、導波路の温度追従性が向上し、光の周波数制御に係る応答速度が向上する。したがって、図１に示したレーザ光源１は、レーザレーダの光源として適した特性を有する。

なお、上記に説明した光変調器４２では、Ｐチャネル１６ａおよびＰチャネル１６ｂに、共にＰ型不純物を拡散したチャネル１６を用いたが、それぞれＮ型不純物を拡散したＮチャネル１６ａおよびＮチャネル１６ｂに置き換えてもよい。この場合、「Ｐ＋領域２０ａ」は「Ｎ＋領域２０ａ」、「Ｐ＋領域２０ｂ」は「Ｎ＋領域２０ｂ」、「Ｐ電極１８ａ」は「Ｎ電極１８ａ」、「Ｐ電極１８ｂ」は「Ｎ電極１８ｂ」にそれぞれ置き換えられる。

また、光変調器４２のＰチャネル１６ａはそのままにして、Ｐチャネル１６ｂをＮ型不純物を拡散させたＮチャネル１６ｂに置き換えてもよい。この場合、「Ｐ＋領域２０ｂ」は「Ｎ＋領域２０ｂ」、「Ｐ電極１８ｂ」は「Ｎ電極１８ｂ」にそれぞれ置き換えられる。

光変調器４２のチャネル１６の境界にＮＮ接合またはＰＮ接合を設けた場合も、ＰＰ接合を設けた光変調器４２と同じように、従来に比べて光の周波数の線形掃引性を向上することができる。

この際、光変調器４２と共に共振器４０を光集積回路で構成し、ＳＯＡ５０と組み合わせることで、従来に比べて光の周波数の線形掃引性に優れた外部共振器型レーザ光源を構成することができる。

また、図５に示すように、光変調器４２を導波路４８ではなく光フィルタ４４に配置しても、従来に比べて光の周波数の線形掃引性を向上することができる。図５に示すレーザ光源１では、光変調器４２を光フィルタ４４Ｂに配置した例を示しているが、光フィルタ４４Ａに配置してもよく、また、光フィルタ４４Ａ、４４Ｂの両方に光変調器４２を配置してもよい。

更に、図６に示すように、光変調器４２を導波路４８と光フィルタ４４の両方に配置してもよい。図６に示すレーザ光源１では、光変調器４２を区別するため、導波路４８に配置する光変調器４２を「光変調器４２Ａ」、光フィルタ４４に配置する光変調器４２を「光変調器４２Ｂ」で表している。光フィルタ４４に光変調器４２Ｂを配置する際、光フィルタ４４Ａに光変調器４２Ｂを配置してもよく、また、光フィルタ４４Ａ、４４Ｂの両方に光変調器４２Ｂを配置してもよい。

なお、光変調器４２を光フィルタ４４に配置した場合、光変調器４２を導波路４８に配置する場合に比べて、光の周波数を大きく変化させることができる。

今、レーザ光源１に含まれる経路を屈折率に基づいてｉ個の区間に分割し、分割した各々の区間の経路長をＬ_i、規定屈折率をｎ_i、屈折率変化量をΔｎ_iとすれば、レーザ光源１の光学的経路長Ｌは（１）式で表される。

（数１）
Ｌ＝Σ(ｎ_i+Δｎ_i)Ｌ_i ・・・（１）

すなわち、光学的経路長Ｌは、物理的経路長に対して屈折率が変化する部分がどの程度の割合を占めるかによって変動量が決まる。光学的経路長Ｌの変動量が大きければ光の周波数は大きく変化し、光学的経路長Ｌの変動量が小さければ光の周波数は小さく変化する。

光フィルタ４４は直線状の導波路（例えば導波路４８）に比べて経路長が短く、しかもリング形状をしているため、導波路４８に比べて屈折率が変化する部分が占める割合が大きくなる。したがって、光変調器４２を光フィルタ４４に配置した場合は、光変調器４２を導波路４８に配置した場合に比べて光の周波数変動幅が大きくなる。

一方、導波路４８は、光フィルタ４４に比べて経路長が長く、屈折率が変化する部分は相対的に狭い範囲に限られる。したがって、光変調器４２を導波路４８に配置した場合は、光変調器４２を光フィルタ４４に配置した場合に比べて光の周波数変動幅が小さくなる。

（レーザ光源１の応用例１）
上記で説明したように、レーザ光源１は、レーザレーダの光源として用いることができる。

図７は、レーザ光源１を用いたレーザレーダ２の構成例である。レーザレーダ２は、レーザ光源１、送信光アンテナ６０、受信光アンテナ６２、光検出器６４および処理装置６６を含む。図１で示したようにレーザ光源１にはアウトカプラ４６も含まれるが、図７では図示を省略している。

レーザレーダ２において、レーザ光源１から出力された共振器出力光Ｐ_Ｅは、送信光アンテナ６０から測定対象物Ｑに向けて放射される。一方、共振器出力光Ｐ_Ｅは図示しない光カプラによって分岐され、分岐導波路６８を経由して光検出器６４に送信レーザ光ＰＴとして入力される。

受信光アンテナ６２は、送信光アンテナ６０から放射された光のうち、測定対象物Ｑで反射した光を受信レーザ光ＰＲとして受光する。

光検出器６４は、送信レーザ光ＰＴと受信レーザ光ＰＲとを合波して合波光を生成し、ヘテロダイン干渉によって送信レーザ光ＰＴと受信レーザ光ＰＲとの位相差、すなわち周波数差δｆを示す差周波信号を生成する。

処理装置６６は、光検出器６４から受け付けた差周波信号δｆに対して周波数解析を行い、公知の手法を用いて、測定対象物Ｑまでの距離ｄおよび測定対象物Ｑとの相対速度ｖを算出する。

なお、送信光アンテナ６０は、光を測定対象物Ｑに放射する放射部の一例であり、受信光アンテナ６２は、測定対象物Ｑで反射した光を受光する受光部の一例である。また、光検出器６４は、送信レーザ光ＰＴと受信レーザ光ＰＲとの位相差を検出する検出部の一例であり、処理装置６６は、測定対象物Ｑまでの距離ｄおよび測定対象物Ｑとの相対速度ｖを算出する算出部の一例である。

光の周波数をヒータの温度で制御する場合に比べて、周波数の優れた線形掃引性を有するレーザ光源１をレーザレーダ２に用いることで、レーザレーダ２における距離および相対速度等の測定精度を向上させることができる。

（レーザ光源１の応用例２）
図８は、レーザ光源１を用いたスキャン式レーザレーダ３の構成例である。スキャン式レーザレーダ３とは、光アンテナから放射する光の放射方向を変化させることで、光の放射方向を固定した場合に比べて、より広範囲に存在する測定対象物Ｑの距離ｄ等を測定するレーダ装置である。

スキャン式レーザレーダ３は、レーザ光源１、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）７０Ａ、光フェーズドアレイ７０Ｂ、光検出器６４および処理装置６６を含む。図１で示したようにレーザ光源１にはアウトカプラ４６も含まれるが、図８では図示を省略している。

スキャン式レーザレーダ３において、レーザ光源１から出力された共振器出力光Ｐ_Ｅは、光フェーズドアレイ７０Ａから測定対象物Ｑに向けて放射される。一方、共振器出力光Ｐ_Ｅは図示しない光カプラによって分岐され、分岐導波路６８を経由して光検出器６４に送信レーザ光ＰＴとして入力される。

ここで、光フェーズドアレイ７０Ａとは、入力した光を図示しない光カプラによって複数の導波路（図８の例では、７０−１から７０−８の８本）に分岐させ、導波路７０−１〜導波路７０−８の端部から光を放射する光アンテナの一例である。以降では、導波路７０−１から導波路７０−８をまとめて「導波路７０」と表す。

導波路７０において、光を放射する側の端部には回折格子が設けられており、導波路７０を伝播する光は、回折格子から測定対象物Ｑに向けて放射される。

光フェーズドアレイ７０Ａには、導波路７０の各々を加熱するヒータ７２Ａ、７２Ｂが取り付けられており、ヒータ７２Ａ、７２Ｂで導波路７０を加熱することで、導波路７０を伝播する各々の光の屈折率を変化させ、複数の回折格子（回折格子アレイ）から放射される光の方向を変えることができる。すなわち、ヒータ７２Ａ、７２Ｂは、位相変調部の一例として機能する。

ヒータ７２Ａは、導波路７０−１から導波路７０−８に進むにつれて、導波路７０を加熱する面積が大きくなるような形状を有する（一例として、図８では三角形の形状で表している）。逆に、ヒータ７２Ｂは、導波路７０−１から導波路７０−８に進むにつれて、導波路７０を加熱する面積が小さくなるような形状を有する。

光の屈折率は、導波路７０に供給される熱量（ヒータ７２Ａ、７２Ｂの発熱量）に比例するため、導波路７０の各々から放射される光の位相は直線状、すなわち、線形に変化する。したがって、導波路７０の各々から放射された光の等しい位相をつないだ波面は直線となる。この波面の進行方向が送信光の伝播方向となり、測定対象物Ｑに放射される。

光フェーズドアレイ７０Ｂは、光フェーズドアレイ７０Ａから放射された光のうち、測定対象物Ｑで反射した光を受信レーザ光ＰＲとして受光する。

光フェーズドアレイ７０Ｂは、光フェーズドアレイ７０Ａと光の伝播方向が逆方向になるだけで、光フェーズドアレイ７０Ａと同じ構造を備えている。光フェーズドアレイ７０Ｂは、導波路７０の各々に設けられた回折格子で受信レーザ光ＰＲを受光し、受光した受信レーザ光ＰＲを図示しない光カプラで合波して光検出器６４に伝播する光アンテナの一例である。光フェーズドアレイ７０Ｂは、ヒータ７２Ａ、７２Ｂの温度を制御することで受光する光の方向を制御する。

既に説明したように、光変調器４２を光フィルタ４４に配置した場合は、光変調器４２を導波路４８に配置する場合に比べて、光の周波数を大きく変化させることができる。したがって、光変調器４２Ｂの電極１８ａ、１８ｂに注入する電流の大きさを制御することで、光フェーズドアレイ７０Ａから放射される送信レーザ光ＰＴの放射角を変化させることができる。

一方、光変調器４２を導波路４８に配置した場合は、光変調器４２を光フィルタ４４に配置した場合に比べて、狭い範囲の周波数を制御することができる。したがって、光変調器４２Ａの電極１８ａ、１８ｂに注入する電流の大きさを制御することで、図４に示したように、送信レーザ光ＰＴの周波数を線形に掃引することができる。

このように本実施の形態に係るレーザ光源１では、多モード干渉導波路１２の光の鏡像が形成される位置にチャネル１６を配置した光変調器４２が、共振器４０における光の経路上に配置されている。キャリアプラズマ効果の作用によって光の屈折率を変化させる光変調器４２は、導波路４８をヒータで加熱して光の屈折率を変化させる手法に比べて、光の周波数を線形に制御することができる。したがって、レーザ光源１における光の周波数の線形掃引性が向上する。

なお、本発明は、上述した実施の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。例えばレーザ光源１の出力光の波形は、図４に示した三角波状に限られず、図９に示すように、送信レーザ光ＰＴが方形波となるように、光変調器４２の電極１８ａ、１８ｂに注入する電流の大きさを制御してもよい。

１・・・レーザ光源、２・・・レーザレーダ、３・・・スキャン式レーザレーダ、１２・・・多モード干渉導波路、１４ａ・・・入力導波路、１４ｂ・・・出力導波路、１６（１６ａ、１６ｂ）・・・チャネル、１８ａ、１８ｂ・・・電極、４０・・・共振器、４２（４２Ａ、４２Ｂ）・・・光変調器、４４（４４Ａ、４４Ｂ）・・・光フィルタ、４６・・・アウトカプラ、４８（４８Ａ〜４８Ｅ）・・・導波路、６０・・・送信光アンテナ、６２・・・受信光アンテナ、６４・・・光検出器、６６・・・処理装置、６８・・・分岐導波路、７０Ａ、７０Ｂ・・・光フェーズドアレイ、７０（７０−１〜７０−８）・・・（光フェーズドアレイ内）導波路、７２Ａ、７２Ｂ・・・ヒータ、Ｐ_Ｅ・・・共振器出力光、ＰＲ・・・受信レーザ光、ＰＴ・・・送信レーザ光、Ｑ・・・測定対象物

Claims (9)

1. 単一モードの光を出力する光増幅器と、
   単一モードの光を多モードの光に変換し鏡像を形成しつつ干渉させ、干渉後の多モードの光を単一モードの光に変換して出力する多モード干渉導波路、および前記鏡像が形成される位置に光の伝播方向と交差する方向に延伸されたチャネルを有する光変調器と、
   を備え、
   前記光変調器が、前記光増幅器から出力された光の経路上に配置された、
   レーザ光源。
2. 前記経路上に、光を伝播する導波路と、予め定めた周波数の光を透過させるリング共振器とを備え、
   前記リング共振器および前記導波路の少なくとも一方に前記光変調器を配置した
   請求項１記載のレーザ光源。
3. 前記光増幅器が化合物半導体で構成され、前記導波路、前記リング共振器および前記光変調器が光集積回路で構成された
   請求項２記載のレーザ光源。
4. 前記予め定めた周波数が互いに異なる複数の前記リング共振器を備え、
   前記リング共振器に前記光変調器を配置する場合、前記リング共振器の少なくとも１つに前記光変調器を配置した
   請求項２または請求項３記載のレーザ光源。
5. 前記チャネルの各々に、Ｐ型にドーピングされたＰ型領域同士によるＰＰ接合が形成された
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載のレーザ光源。
6. 前記チャネルの各々に、Ｎ型にドーピングされたＮ型領域同士によるＮＮ接合が形成された
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載のレーザ光源。
7. 前記チャネルの各々に、Ｐ型にドーピングされたＰ型領域とＮ型にドーピングされたＮ型領域によるＰＮ接合が形成された
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載のレーザ光源。
8. 請求項１から請求項７の何れか１項に記載のレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力された光を対象物に放射する放射部と、
   前記放射部から放射した光のうち、前記対象物で反射した光を受光する受光部と、
   前記放射部から放射した光と前記受光部で受光した光との位相差を検出する検出部と、
   前記検出部で検出された位相差を用いて、前記対象物までの距離および前記対象物に対する相対速度を算出する算出部と、
   を備えたレーザレーダ装置。
9. 前記放射部および前記受光部が、複数の導波路の各々に熱量を供給し、前記複数の導波路を伝播する光の各々の位相を変調する位相変調部と、前記複数の導波路の各々に対応して配置された複数の回折格子から光を放射または受光する回折格子アレイと、を備えた光フェーズドアレイを含む
   請求項８記載のレーザレーダ装置。