JP2018146736A

JP2018146736A - 光９０度位相器、ｓｓｂ変調器および光ヘテロダイン直交検波レーザレーダ

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Publication number: JP2018146736A
Application number: JP2017040939A
Authority: JP
Inventors: 大介井上; Daisuke Inoue; 正市川; Tadashi Ichikawa; 朱里中尾; Juri Nakao
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2037-03-03
Also published as: JP6926534B2

Abstract

【課題】従来よりも簡単な構成で９０度の位相差を有する光を生成する。【解決手段】光９０度位相器１０は、入力光Ｐ1を導波路１３と導波路１４に分岐すると共に、導波路１４を伝播する光を導波路１６と導波路２１に分岐し、導波路１４および導波路１６に同じ熱量を供給して、導波路１４および導波路１６を伝播する光を変調し、変調された導波路１６を伝播する光と、導波路１３を伝播する光との干渉光の光量が少なくなるように、導波路１４および導波路１６に供給する熱量を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、光９０度位相器、ＳＳＢ(Single Side Band)変調器および光ヘテロダイン直交検波レーザレーダに関する。

従来から、９０度の位相差を有する光を利用する各種の光装置が提案されている。

例えば、特許文献１では、９０度の位相差を有する光を合波する光送信装置が開示されている。

特開２０１３−２６７５８号公報

図８に特許文献１に係る光送信装置８０の構成を示す機能ブロック図を示す。図８に示すように、光送信装置８０は、光位相変調器８１と制御ループ８２を備える。

光位相変調器８１は、入力された光源８３の光を分岐して、一方を第１の光位相変調部８４に入力し、他方を第２の光位相変調部８５に入力する。第２の光位相変調部８５の出力光は、更に光位相シフト部８６に入力される。そして、第１の光位相変調部８４の出力光と、光位相シフト部８６の出力光が合成され、伝送路へ出力される伝送光信号が生成される。

この際、制御ループ８２は、伝送光信号をモニタして、加算器９４で微小変調信号発生器９３と加算することによって得られる制御信号によって、光位相シフト部８６での位相差を９０度に制御する位相シフト量制御信号を生成する。

そのため、制御ループ８２には、フォトダイオード８７、ピーク検出部９０、同期検波部９１、制御部９２、微小変調信号発生器９３、加算器９４および信号補正部９５を備える。更に、信号補正部９５は、ＬＰＦ(Low Pass Filter)８８および補正用加算器８９を備える。

フォトダイオード８７は、伝送光信号をモニタする。信号補正部９５は、伝送光信号に含まれる微小変調信号発生器９３より出力された微小変調信号の周波数から、平均強度変動成分を除去する。ピーク検出部９０は、信号補正部９５の出力信号の振幅を検出し、検出信号を同期検波部９１に出力する。同期検波部９１は、検出信号を微小変調信号発生器９３から出力された微小変調信号で同期検波して、同期検波出力を制御部９２に出力する。制御部９２は、同期検波出力に基づき、光位相シフト部８６の位相シフト量を９０度に制御するための位相シフト量制御信号を生成する。

このように従来の光送信装置８０では、９０度の位相差を有する光を生成するため、例えば制御ループ８２に示されるような複数の機能部を有する複雑な構成をとる必要があった。

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、従来よりも簡単な構成で９０度の位相差を有する光を生成する光９０度位相器、並びに、光９０度位相器を用いたＳＳＢ変調器および光ヘテロダイン直交検波レーザレーダ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に記載の光９０度位相器は、レーザ光源から出力された光を第１の導波路と第２の導波路に分岐する第１の分岐部と、前記第１の導波路を伝播する光を第３の導波路と第４の導波路に分岐する第２の分岐部と、前記第１の導波路および前記第４の導波路に同じ熱量を供給して、前記第１の導波路および前記第４の導波路を伝播する光を変調する変調部と前記変調部によって変調された、前記第４の導波路を伝播する光と、前記第２の導波路を伝播する光との干渉光の光量を検出する光検出部と、前記光検出部で検出される前記干渉光の光量が少なくなるように、前記変調部から前記第１の導波路および前記第４の導波路に供給する熱量を制御する制御部と、を備える。

請求項２に記載の光９０度位相器は、電圧または電流が供給されることによって、前記第１の導波路および前記第４の導波路にそれぞれ熱量を供給する前記変調部における第１の加熱領域の形状と第２の加熱領域の形状が同じであり、かつ、前記第１の加熱領域を通過する前記第１の導波路の形状と前記第２の加熱領域を通過する前記第４の導波路の形状が同じであり、前記制御部は、前記光検出部で検出される前記干渉光の光量が少なくなるように、かつ、前記加熱領域の各々に供給する電圧または電流が同じになるように前記変調部を制御する。

請求項３に記載の光９０度位相器は、前記変調部の前記第１の加熱領域および前記第２の加熱領域を直列に接続し、前記制御部は、直列に接続された前記第１の加熱領域および前記第２の加熱領域に、電圧または電流を供給するように前記変調部を制御する。

請求項４に記載の光９０度位相器は、前記変調部の前記第１の加熱領域および前記第２の加熱領域がヒータで構成される。

請求項５に記載の光９０度位相器は、前記変調部の前記第１の加熱領域および前記第２の加熱領域がＰＮ接合、ＰＰ接合またはＮＮ接合を有する光変調器で構成される。

請求項６に記載のＳＳＢ変調器は、請求項１から請求項５の何れか１項に記載した光９０度位相器と、前記光９０度位相器の前記第２の導波路を伝播する光を変調する第１の平衡変調器と、前記光９０度位相器の前記第３の導波路を伝播する光を変調する第２の平衡変調器と、前記第１の平衡変調器および前記第２の平衡変調器の各々に搬送波信号を入力する信号源と、前記第２の平衡変調器に入力する搬送波信号の位相を、前記第１の平衡変調器に入力する搬送波信号の位相に対して９０度ずらす位相器と、を備える。

請求項７に記載の光ヘテロダイン直交検波レーザレーダは、複数の導波路の各々に熱量を供給することで光の放射角度を調整し、測定対象物に光を放射する放射用光フェーズドアレイアンテナと、複数の導波路の各々に熱量を供給することで光の受光角度を調整し、前記放射用光フェーズドアレイアンテナから放射された光のうち、前記測定対象物で反射した光を受光する第１の受光用光フェーズドアレイアンテナおよび第２の受光用光フェーズドアレイアンテナと、請求項１から請求項５の何れか１項に記載した光９０度位相器と、前記光９０度位相器の前記第２の導波路を伝播する光と、前記第１の受光用光フェーズドアレイアンテナで受光した光との干渉光の光量を検出する第１の光検出器と、前記光９０度位相器の前記第３の導波路を伝播する光と、前記第２の受光用光フェーズドアレイアンテナで受光した光との干渉光の光量を検出する第２の光検出器と、前記第１の光検出器および前記第２の光検出器での各々の検出結果に対して複素フーリエ変換を行い、前記測定対象物に対するドップラー周波数を演算する演算装置と、を備える。

以上説明したように、本発明に係る光９０度位相器、並びに、光９０度位相器を用いたＳＳＢ変調器および光ヘテロダイン直交検波レーザレーダによれば、従来よりも簡単な構成で９０度の位相差を有する光を生成することができる、という効果を奏する。

光９０度位相器の構成例を示す図である。薄膜ヒータの形状の一例を示す図である。光９０度位相器を光集積回路で構成した場合における層構造の一例を示す図である。光変調器の層構造の一例を示す図である。光９０度位相器を用いたＳＳＢ変調器の構成例を示す図である。光９０度位相器を用いた光ヘテロダイン直交検波レーザレーダにおける光の伝播経路の一例を示す図である。光ヘテロダイン直交検波レーザレーダの構成例を示す機能ブロック図である。従来の光送信装置の構成例を示す機能ブロック図である。

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光９０度位相器１０の構成例を示す図である。光９０度位相器１０の入力端１１には、利得媒体の一例である半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）等の図示しないレーザ光源から出力された光（以降、「入力光Ｐ₁」という）が入力される。入力端１１に入力された入力光Ｐ₁は、例えば光カプラ等の分岐装置によって構成される分岐部１２に入力され、導波路１３を伝播する光と、導波路１４を伝播する光に２分岐される。ここで、分岐部１２は第１の分岐部の一例であり、導波路１４は第１の導波路の一例であり、導波路１３は第２の導波路の一例である。

導波路１３を伝播する光は、更に分岐部１９に入力され、導波路１８を伝播する光と、導波路２０を伝播する光に２分岐される。そして、導波路２０を伝播する光が出力光Ｐ₂として光９０度位相器１０から出力される。すなわち、出力光Ｐ₂は入力光Ｐ₁と同じ位相を有する光である。

一方、分岐部１２で分岐され、導波路１４を伝播する光は、更に分岐部１５に入力され、導波路１６を伝播する光と、導波路２１を伝播する光に２分岐される。ここで、分岐部１５は第２の分岐部の一例であり、導波路２１は第３の導波路の一例であり、導波路１６は第４の導波路の一例である。

そして、導波路２１を伝播する光が出力光Ｐ₃として光９０度位相器１０から出力される。

導波路１６を伝播する光および導波路１８を伝播する光は、例えば光カプラ等の合波装置によって構成される合波部１７に入力され、導波路１６を伝播する光と導波路１８を伝播する光との合波によって得られた干渉光が、例えば光を検出し、検出した光の光量に応じた電圧値または電流値を出力するＰＮ接合フォトダイオード等で構成される光検出器２２に入力される。ここでは一例として、光検出器２２は、光量に応じた電流値を出力するものとして説明を行うが、電流値の代わりに光量に応じた電圧値を出力してもよい。なお、光検出器２２は、光検出部の一例である。

また、導波路１４および導波路１６には、その一部が導波路１４および導波路１６に沿って延伸し、導波路１４および導波路１６を覆う薄膜ヒータ２６が配置される。薄膜ヒータ２６の両端には制御部２３から電圧が供給され、導波路１４および導波路１６を加熱する。

制御部２３は、ＡＤ変換回路２４および駆動回路２５を備え、ＡＤ変換回路２４は、光検出器２２から出力された電流値を、例えばＮビット（Ｎは整数）のデジタル値として表される電流値に変換する。駆動回路２５は、ＡＤ変換回路２４から出力される電流値を受け付け、受け付けた電流値、すなわち、光検出器２２で検出した光量に応じて、薄膜ヒータ２６に供給する電圧を制御する。

薄膜ヒータ２６で導波路１４および導波路１６を加熱することで、導波路１４および導波路１６の屈折率が変化するため、薄膜ヒータ２６から供給される熱量に応じて、導波路１４および導波路１６を伝播する光の位相が変化する。すなわち、薄膜ヒータ２６は、光を変調する変調器の一例である。

図２は、薄膜ヒータ２６の形状について詳細に示した図である。図２に示すように、薄膜ヒータ２６は、導波路１６に沿って延伸する矩形状の加熱部２６Ａと、導波路１４に沿って延伸する矩形状の加熱部２６Ｂと、長手方向が加熱部２６Ａおよび加熱部２６Ｂのそれぞれの長手方向に対して直交するように配置され、加熱部２６Ａおよび加熱部２６Ｂのそれぞれの一端を接続する矩形状の加熱部２６Ｃを有する。また、薄膜ヒータ２６は、加熱部２６Ａの他端と接続されると共に、接続点Ｋ₃で制御部２３と接続され、制御部２３から電圧の供給を受ける加熱部２６Ｄと、加熱部２６Ｂの他端と接続されると共に、接続点Ｋ₂で制御部２３と接続され、制御部２３から電圧の供給を受ける加熱部２６Ｅを有する。

ここで、導波路１６に沿った加熱部２６Ａの長さ（すなわち、加熱部２６Ａの幅）Ｌ_Aと、導波路１４に沿った加熱部２６Ｂの長さ（すなわち、加熱部２６Ｂの幅）Ｌ_Bは同じ長さであり、導波路１６に沿った方向と直交する方向における加熱部２６Ａの長さ（すなわち、加熱部２６Ａの奥行き）Ｗ_Aと、導波路１４に沿った方向と直交する方向における加熱部２６Ｂの長さ（すなわち、加熱部２６Ｂの奥行き）Ｗ_Bとは同じ長さである。

また、幅Ｌ_Aおよび奥行きＷ_Aとそれぞれ直交する方向（以降、「導波路１６の厚さ方向」という）における加熱部２６Ａの長さ（すなわち、加熱部２６Ａの厚さ）Ｈ_Aと、幅Ｌ_Bおよび奥行きＷ_Bとそれぞれ直交する方向（以降、「導波路１４の厚さ方向」という）における加熱部２６Ｂの長さ（すなわち、加熱部２６Ｂの厚さ）Ｈ_Bも、同じ長さである。

すなわち、薄膜ヒータ２６において、加熱部２６Ａと加熱部２６Ｂは同じ形状を有する。ここで、「形状が同じ」とは、物体の幅、奥行き、厚さが同じで、２つの物体が重なり合うことをいう。同様に、加熱部２６Ｄおよび加熱部２６Ｅも同じ形状を有する。

また、薄膜ヒータ２６の各部、すなわち、加熱部２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ、２６Ｅは、それぞれ同じ材質で構成されている。すなわち、加熱部２６Ａと加熱部２６Ｂにおける抵抗値は同じになる。

更に、加熱部２６Ａで覆われている範囲の導波路１６の形状および材質、並びに、加熱部２６Ｂで覆われている範囲の導波路１４の形状および材質も同じに構成される。

加熱部２６Ａと加熱部２６Ｂは加熱部２６Ｃによって直列に接続されているため、制御部２３から薄膜ヒータ２６に電圧が供給された場合、供給された電圧値に応じた電流が薄膜ヒータ２６に流れ、加熱部２６Ａで覆われている範囲の導波路１６と、加熱部２６Ｂで覆われている範囲の導波路１４とにそれぞれ同じ熱量が供給される。そして、薄膜ヒータ２６から供給される熱量に応じて、導波路１４および導波路１６を伝播する光の位相が変化する。

導波路１６および導波路１８を伝播する光は、入力光Ｐ₁の分岐光であるため、導波路１６を伝播する光の位相が、導波路１８を伝播する光の位相に対して１８０度ずれると、光検出器２２で検出される、導波路１６を伝播する光と導波路１８を伝播する光の干渉光の光量が最も少なくなる。

この場合には、導波路１４および導波路１６には、薄膜ヒータ２６によって同じ熱量が供給されているため、導波路１４および導波路１６における光の屈折率が同じになっている。すなわち、導波路１４と導波路１６の分岐点Ｋ₁における光の位相は、入力光Ｐ₁に対して１８０度の半分、すなわち９０度の位相差を有していることになる。

したがって、制御部２３で、光検出器２２で検出される光量が最も少なくなるように、光検出器２２から出力される電流値を監視しながら薄膜ヒータ２６に供給する電圧値を制御することによって、分岐点Ｋ₁から分岐する導波路２１の出力光Ｐ₃が、出力光Ｐ₂に対して９０度の位相差を有する光となる。

なお、導波路１４、導波路１６および薄膜ヒータ２６の配置に関して、図１の例では、薄膜ヒータ２６の形状、並びに、薄膜ヒータ２６に覆われた部分の導波路１４および導波路１６のそれぞれの形状が、例えば加熱部２６Ｃの中央を通過し、加熱部２６Ａの長手方向に沿った線分Ｇを対称軸とした線対称となっている。

このように、特定の線分に対して薄膜ヒータ２６の形状、並びに、薄膜ヒータ２６に覆われた部分の導波路１４および導波路１６の形状が線対称となるように導波路１４、導波路１６および薄膜ヒータ２６を配置することによって、薄膜ヒータ２６から導波路１４および導波路１６に供給される熱量を簡単に同じにすることができる。

しかし、必ずしも導波路１４、導波路１６および薄膜ヒータ２６を、特定の線分に対して線対称となる位置に配置する必要はなく、加熱部２６Ａおよび加熱部２６Ｂの形状が同じであり、加熱部２６Ａで覆われている範囲の導波路１６の形状および加熱部２６Ｂで覆われている範囲の導波路１４の形状が同じであればよい。

図３は、光９０度位相器１０を光集積回路３０として構成した場合における層構造の一例を示した図である。なお、図３は、図１における薄膜ヒータ２６と導波路１４および導波路１６の物理的な位置関係を示した図ではなく、例えば導波路１４および導波路１６等の導波路の代わりに、図３の説明だけに用いる便宜上の導波路３３を用いて、薄膜ヒータ２６と、導波路３３との位置関係を示した図である。

光集積回路３０は、例えばＳｉの基板３１、基板３１上に形成されたＳｉＯ２（二酸化珪素）層３２および導波路３３を含むように構成される。光集積回路３０では、薄膜ヒータ２６を、例えば基板３１と反対の表面上に配置し、導波路３３を加熱するように構成される。

また、図１に示した光９０度位相器１０の例では、変調部の一例として薄膜ヒータ２６を用いたが、図４に示す光変調器４０のように、光の導波路として機能するリッジ部４９に接続されたＮ電極４４ａおよびＰ電極４４ｂから電流を注入して、リッジ部４９を伝播する光の屈折率を制御するようにしてもよい。

図４に示す光変調器４０は、例えばＳｉの基板４１、基板４１上に形成されたＳｉＯ２層４２、４３を備える。そして、ＳｉＯ２層４２、４３に挟まれるように、Ｓｉに規定量より少なくＮ型不純物を拡散（ドーピング）したＮ−ドープ領域であるＮ−Ｓｉ領域４８ａと、Ｓｉに規定量より少なくＰ型不純物をドーピングしたＰ−ドープ領域であるＰ−Ｓｉ領域４８ｂが構成される。なお、Ｎ−Ｓｉ領域４８ａとＰ−Ｓｉ領域４８ｂは、それぞれリッジ部４９の中央部まで延伸してリッジ部４９内でＰＮ接合を形成している。

Ｎ−Ｓｉ領域４８ａには、Ｓｉに規定量より多くＮ型不純物をドーピングしたＮ＋ドープ領域であるＮ＋Ｓｉ領域４７ａが積層され、Ｐ−Ｓｉ領域４８ｂには、Ｓｉに規定量より多くＰ型不純物をドーピングしたＰ＋ドープ領域であるＰ＋Ｓｉ領域４７ｂが積層される。そして、Ｎ＋Ｓｉ領域４７ａは、ビア４６ａを介してＮ電極４４ａと接続され、Ｐ＋Ｓｉ領域４７ｂは、ビア４６ｂを介してＰ電極４４ｂと接続される。

上記のような構成を有する光変調器４０では、Ｎ電極４４ａおよびＰ電極４４ｂ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、Ｎ−Ｓｉ領域４８ａとＰ−Ｓｉ領域４８ｂによって形成されるＰＮ接合における屈折率が変化し、リッジ部４９を伝播する光の位相変調が行われる。

したがって、導波路１４の１部分および導波路１６の１部分を、それぞれ図４に示す光変調器４０のリッジ部４９として同じ長さだけ構成し、導波路１４および導波路１６での光の屈折率が同じになるように、制御部２３でそれぞれの光変調器４０のＮ電極４４ａおよびＰ電極４４ｂに注入する電流を制御してもよい。

上記の例では、ＰＮ接合を有する光変調器４０を用いたが、領域４８ａおよび領域４８ｂ共にＰ型不純物をドーピングしたＰＰ接合を有する光変調器４０、または領域４８ａおよび領域４８ｂ共にＮ型不純物をドーピングしたＮＮ接合を有する光変調器４０を用いてもよい。

なお、熱容量は非線形性を有するため、薄膜ヒータ２６による導波路１４、１６の加熱特性も非線形となる。したがって、光変調器４０を用いた方が、薄膜ヒータ２６を用いる場合と比較して光の屈折率を精度よく制御することができる。

＜光９０度位相器１０の応用例１＞
図５は、光９０度位相器１０を用いたＳＳＢ変調器５０の構成例を示す図である。

図５に示すように、ＳＳＢ変調器５０は、光９０度位相器１０、メインマッハツェンダー干渉計３４、第１サブマッハツェンダー干渉計３６、第２サブマッハツェンダー干渉計３８、搬送波信号源３５および９０度位相器３９を備える。ここで、第１サブマッハツェンダー干渉計３６は第１の平衡変調器の一例であり、第２サブマッハツェンダー干渉計３８は第２の平衡変調器の一例である。

導波路２０を伝播する光９０度位相器１０の出力光Ｐ₂は第１サブマッハツェンダー干渉計３６に入力され、導波路３６−１と導波路３６−２を伝播する光に分岐される。一方、導波路２１を伝播する光９０度位相器１０の出力光Ｐ₃は第２サブマッハツェンダー干渉計３８に入力され、導波路３８−１と導波路３８−２を伝播する光に分岐される。

導波路３６−２には、搬送波信号源３５から出力される搬送波信号によって光を変調する変調部３６−３が配置され、導波路３６−１を伝播する光と、導波路３６−２を伝播する変調光との合波光が導波路２８を伝播する。

導波路３８−１には、９０度位相器３９で９０度位相がずらされた搬送波信号源３５から出力される搬送波信号によって光を変調する変調部３８−３が配置され、導波路３８−１を伝播する変調光と、導波路３８−２を伝播する光との合波光が導波路２９を伝播する。

導波路２８を伝播する合波光と導波路２９を伝播する合波光は、更にメインマッハツェンダー干渉計３４で合波され、メインマッハツェンダー干渉計３４の出力がＳＳＢ変調光Ｐ₄としてＳＳＢ変調器５０から出力される。

ＳＳＢ変調器５０では、第１サブマッハツェンダー干渉計３６と第２サブマッハツェンダー干渉計３８に位相差が９０度の光（信号波）を入力する必要があることから、光９０度位相器１０の出力光Ｐ₂および出力光Ｐ₃をそれぞれ入力すればよい。

ここで、第１サブマッハツェンダー干渉計３６と第２サブマッハツェンダー干渉計３８は、入力された信号波と搬送波信号から側波帯を出力する平衡変調器の一例である。

なお、第１サブマッハツェンダー干渉計３６、第２サブマッハツェンダー干渉計３８およびメインマッハツェンダー干渉計３４の代わりに、それぞれＬｉＮｂＯ３結晶のポッケルス効果による屈折率変化を利用したＬＮ変調器を用いてもよい。

＜光９０度位相器１０の応用例２＞
図６は、光９０度位相器１０を用いた光ヘテロダイン直交検波レーザレーダ７０（以降、「レーザレーダ７０」という）における光の伝播経路の一例を示した図である。

図６に示すように、レーザレーダ７０は、光９０度位相器１０、送信用光フェーズドアレイアンテナ５２（以降、「光フェーズドアレイ５２」という）、受信用第１光フェーズドアレイアンテナ６２（以降、「光フェーズドアレイ６２」という）、受信用第２光フェーズドアレイアンテナ７２（以降、「光フェーズドアレイ７２」という）、光検出器５６および光検出器５７を備える。ここで、光フェーズドアレイ５２は放射用光フェーズドアレイアンテナの一例であり、光フェーズドアレイ６２は第１の受光用光フェーズドアレイアンテナの一例であり、光フェーズドアレイ７２は第２の受光用光フェーズドアレイアンテナの一例である。

レーザレーダ７０では、入力光Ｐ₁が２分岐され、一方の入力光Ｐ₁が光フェーズドアレイ５２に入力され、他方の入力光Ｐ₁が光９０度位相器１０に入力される。

ここで、光フェーズドアレイ５２とは、入力光Ｐ₁を図示しない光カプラによって複数の導波路（図６の例では、５２−１から５２−８の８本）に分岐させ、導波路５２−１〜導波路５２−８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５２−１から導波路５２−８をまとめて「導波路５２」という場合がある。

導波路５２において、光を放射する側の端部には回折格子５３が設けられており、導波路５２を伝播する入力光Ｐ₁は出力光Ｐ_1Aとして、回折格子５３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５２には、導波路５２の各々を加熱する薄膜ヒータ５４Ａ、５４Ｂが取り付けられており、薄膜ヒータ５４Ａ、５４Ｂで導波路５２を加熱することで、導波路５２を伝播する各々の光の屈折率を変化させ、回折格子５３から放射される光の放射角度を変えることができる。

薄膜ヒータ５４Ａは、導波路５２−１から導波路５２−８に進むにつれて、導波路５２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６では三角形の形状で表している）。逆に、薄膜ヒータ５４Ｂは、導波路５２−１から導波路５２−８に進むにつれて、導波路５２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５２に供給される熱量（薄膜ヒータ５４Ａ、５４Ｂの発熱量）に応じて変化するため、導波路５２の各々から放射される光の位相が変化することで、出力光Ｐ_1Aの伝播方向が変化する。したがって、測定対象物Ｑに向かって出力光Ｐ_1Aを放射することができる。

光フェーズドアレイ６２、７２は、測定対象物Ｑに向かって放射された出力光Ｐ_1Aのうち、測定対象物Ｑで反射した反射光Ｐ₅を受光する。

光フェーズドアレイ６２、７２は、光フェーズドアレイ５２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５２と同じ構造を備えている。

すなわち、光フェーズドアレイ６２には、導波路６２−１から導波路６２−８まで（以降、「導波路６２」という）の各々を加熱する薄膜ヒータ６４Ａ、６４Ｂが取り付けられており、薄膜ヒータ６４Ａ、６４Ｂで導波路６２を加熱することで導波路６２の屈折率を変化させ、回折格子６３で受光する光の受光角度を変えることができる。

また、光フェーズドアレイ７２には、導波路７２−１から導波路７２−８まで（以降、「導波路７２」という）の各々を加熱する薄膜ヒータ７４Ａ、７４Ｂが取り付けられており、薄膜ヒータ７４Ａ、７４Ｂで導波路７２を加熱することで導波路７２の屈折率を変化させ、回折格子７３で受光する光の受光角度を変えることができる。

光フェーズドアレイ６２で受光した反射光Ｐ₅は、光９０度位相器１０の出力光Ｐ₂と合波され、合波による干渉光が光検出器５６に入力される。また、光フェーズドアレイ７２で受光した反射光Ｐ₅は、光９０度位相器１０の出力光Ｐ₃と合波され、合波による干渉光が光検出器５７に入力される。ここで、出力光Ｐ₂と出力光Ｐ₃は、光９０度位相器１０によって９０度の位相差を有するため、レーザレーダ７０の入力光Ｐ₁としてコサイン波を入力すれば、出力光Ｐ₂をコサイン波、出力光Ｐ₃をサイン波に設定することができる。

すなわち、光検出器５６には、反射光Ｐ₅にコサイン波（出力光Ｐ₂）が乗じられた光が入力され、光検出器５７には、反射光Ｐ₅にサイン波（出力光Ｐ₃）が乗じられた光が入力される。なお、光検出器５６は第１の光検出器の一例であり、光検出器５７は第２の光検出器の一例である。

図７は、レーザレーダ７０の機能ブロック例を示す図である。

タイミング制御回路１０６の指示に従って、駆動回路１１０がレーザ光源１００を駆動し、入力光Ｐ₁を照射させる。この際、タイミング制御回路１０６は駆動回路１０８を制御して、光フェーズドアレイ５２の薄膜ヒータ５４Ａ、５４Ｂ、光フェーズドアレイ６２の薄膜ヒータ６４Ａ、６４Ｂおよび光フェーズドアレイ７２の薄膜ヒータ７４Ａ、７４Ｂを駆動させ、光フェーズドアレイ５２における出力光Ｐ_1Aの放射角度、並びに、光フェーズドアレイ６２、７２における反射光Ｐ₅の受光角度を調整する。

また、レーザ光源１００から照射される入力光Ｐ₁は光９０度位相器１０に入力され、光フェーズドアレイ６２で受光した反射光Ｐ₅と光９０度位相器１０の出力光（コサイン波）Ｐ₂とが合波器１０２で合波され、光検出器５６を含む検出回路１１２に入力される。更に、光フェーズドアレイ７２で受光した反射光Ｐ₅と光９０度位相器１０の出力光（サイン波）Ｐ₃とが合波器１０４で合波され、光検出器５７を含む検出回路１１４に入力される。

検出回路１１２は、反射光Ｐ₅とコサイン波Ｐ₂とによる第１干渉光の光量を検出し、ＢＰＦ(Band Pass Filter)１１６で検出結果に含まれるノイズ成分を除去した後、第１干渉光の光量がＡＤＣ(Analog to Digital Converter)１２０に入力される。

同様に、検出回路１１４は、反射光Ｐ₅とサイン波Ｐ₃とによる第２干渉光の光量を検出し、ＢＰＦ１１８で検出結果に含まれるノイズ成分を除去した後、第２干渉光の光量がＡＤＣ１２２に入力される。

ＡＤＣ１２０でデジタル値として表された第１干渉光の光量と、ＡＤＣ１２２でデジタル値として表された第２干渉光の光量は、共に演算装置の一例である複素ＦＦＴ１２４に入力され、複素ＦＦＴ１２４において、複素フーリエ変換が実行される。複素ＦＦＴ１２４は、複素フーリエ変換の演算結果から測定対象物Ｑに対するドップラー周波数を算出する。

そして、レーザレーダ７０は、公知の手法を用いてドップラー周波数から測定対象物Ｑまでの距離および相対速度等を算出する。

このように本実施形態に係る光９０度位相器１０によれば、薄膜ヒータ２６を用いた変調部と、同じ光源からの分岐光である無変調の光と変調部で変調した光との干渉光の光量を検出する光検出器２２と、干渉光の光量が最も少なくなるように変調部における光の変調量を制御する制御部２３とを用いて、９０度の位相差を有する出力光Ｐ₂および出力光Ｐ₃を生成する。すなわち、光９０度位相器１０は従来よりも簡単な構成で、９０度の位相差を有する出力光Ｐ₂およびＰ₃を生成することができる。

したがって、光９０度位相器１０を用いたＳＳＢ変調器５０および光９０度位相器１０を用いたレーザレーダ７０の構成も、それぞれ従来のＳＳＢ変調器およびレーザレーダよりも簡単な構成にすることができるため、装置の小型化および低コスト化が図られる。

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、光９０度位相器１０の制御部２３は、薄膜ヒータ２６に供給する電圧を制御して導波路１４、１６を伝播する光の屈折率を制御したが、薄膜ヒータ２６に供給する電流を制御してもよいことは言うまでもない。

１０・・・光９０度位相器
２２、５６、５７・・・光検出器
２３・・・制御部
２６・・・薄膜ヒータ
３０・・・光集積回路
３４・・・メインマッハツェンダー干渉計
３５・・・搬送波信号
３６・・・第１サブマッハツェンダー干渉計
３８・・・第２サブマッハツェンダー干渉計
３９・・・９０度位相器
４０・・・光変調器
５０・・・ＳＳＢ変調器
５２・・・送信用光フェーズドアレイアンテナ
６２・・・受信用第１光フェーズドアレイアンテナ
７０・・・光ヘテロダイン直交検波レーザレーダ（レーザレーダ）
７２・・・受信用第２光フェーズドアレイアンテナ
８０・・・光送信装置
Ｑ・・・測定対象物

Claims

レーザ光源から出力された光を第１の導波路と第２の導波路に分岐する第１の分岐部と、
前記第１の導波路を伝播する光を第３の導波路と第４の導波路に分岐する第２の分岐部と、
前記第１の導波路および前記第４の導波路に同じ熱量を供給して、前記第１の導波路および前記第４の導波路を伝播する光を変調する変調部と
前記変調部によって変調された、前記第４の導波路を伝播する光と、前記第２の導波路を伝播する光との干渉光の光量を検出する光検出部と、
前記光検出部で検出される前記干渉光の光量が少なくなるように、前記変調部から前記第１の導波路および前記第４の導波路に供給する熱量を制御する制御部と、
を備えた光９０度位相器。
電圧または電流が供給されることによって、前記第１の導波路および前記第４の導波路にそれぞれ熱量を供給する前記変調部における第１の加熱領域の形状と第２の加熱領域の形状が同じであり、かつ、前記第１の加熱領域を通過する前記第１の導波路の形状と前記第２の加熱領域を通過する前記第４の導波路の形状が同じであり、
前記制御部は、前記光検出部で検出される前記干渉光の光量が少なくなるように、かつ、前記加熱領域の各々に供給する電圧または電流が同じになるように前記変調部を制御する
請求項１記載の光９０度位相器。
前記変調部の前記第１の加熱領域および前記第２の加熱領域を直列に接続し、
前記制御部は、直列に接続された前記第１の加熱領域および前記第２の加熱領域に、電圧または電流を供給するように前記変調部を制御する
請求項２記載の光９０度位相器。
前記変調部の前記第１の加熱領域および前記第２の加熱領域がヒータで構成された
請求項２または請求項３記載の光９０度位相器。
前記変調部の前記第１の加熱領域および前記第２の加熱領域がＰＮ接合、ＰＰ接合またはＮＮ接合を有する光変調器で構成された
請求項２または請求項３記載の光９０度位相器。
請求項１から請求項５の何れか１項に記載した光９０度位相器と、
前記光９０度位相器の前記第２の導波路を伝播する光を変調する第１の平衡変調器と、
前記光９０度位相器の前記第３の導波路を伝播する光を変調する第２の平衡変調器と、
前記第１の平衡変調器および前記第２の平衡変調器の各々に搬送波信号を入力する信号源と、
前記第２の平衡変調器に入力する搬送波信号の位相を、前記第１の平衡変調器に入力する搬送波信号の位相に対して９０度ずらす位相器と、
を備えたＳＳＢ変調器。
複数の導波路の各々に熱量を供給することで光の放射角度を調整し、測定対象物に光を放射する放射用光フェーズドアレイアンテナと、
複数の導波路の各々に熱量を供給することで光の受光角度を調整し、前記放射用光フェーズドアレイアンテナから放射された光のうち、前記測定対象物で反射した光を受光する第１の受光用光フェーズドアレイアンテナおよび第２の受光用光フェーズドアレイアンテナと、
請求項１から請求項５の何れか１項に記載した光９０度位相器と、
前記光９０度位相器の前記第２の導波路を伝播する光と、前記第１の受光用光フェーズドアレイアンテナで受光した光との干渉光の光量を検出する第１の光検出器と、
前記光９０度位相器の前記第３の導波路を伝播する光と、前記第２の受光用光フェーズドアレイアンテナで受光した光との干渉光の光量を検出する第２の光検出器と、
前記第１の光検出器および前記第２の光検出器での各々の検出結果に対して複素フーリエ変換を行い、前記測定対象物に対するドップラー周波数を演算する演算装置と、
を備えた光ヘテロダイン直交検波レーザレーダ。