JP2018179658A - レーザレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光集積回路のチップ面積を削減しつつアンテナ１個当たりの面積を大きくする。【解決手段】レーザレーダ装置１０は、レーザ光源１２と、レーザ光源１２から出力された送信光を投光すると共に、測定対象物から反射された受信光を受光する投受光兼用の光フェーズドアレイアンテナ３６と、送信光及び受信光を伝搬する導波路３２と、光フェーズドアレイアンテナ３６の端部から反射した反射光を参照光として、受信光と混合した混合光を受光する受光部ＧｅＰＤ３０と、混合光をヘテロダイン検波する信号処理部２４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザレーダ装置に関する。

非特許文献１には、大規模ナノフォトニックアレイを用いたアンテナが開示されている。このようなアンテナは、測定対象物との距離を測定するレーザレーダ装置に適用される。

Large-scale nanophotonic phased array（Nature Vol.493, P195-199, 2013)

アンテナが搭載された光集積回路を用いたレーザレーダ装置において送信信号のパワーを強くしたい場合、単に送信信号のパワーを強くしてしまうと、導波路の非線形性光学効果が発生し、送信信号のパワーを目標通りに上げることが困難である。

このような場合、複数の送信アンテナに分散して送信する方法が考えられるが、光集積回路のチップ面積が増大し、高コスト化するという問題がある。

また、受信信号の感度を高くするには受信アンテナの面積を増加して受光量を増加させる必要があるが、光集積回路のチップ面積が増大するという問題がある。

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、光集積回路のチップ面積を削減しつつアンテナ１個当たりの面積を大きくすることができる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に記載の発明は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出力された送信光を投光すると共に、測定対象物から反射された受信光を受光する投受光兼用のアンテナと、前記送信光及び前記受信光を伝搬する導波路と、前記アンテナの端部から反射した反射光を参照光として、前記受信光と混合した混合光を受光する受光部と、前記混合光をヘテロダイン検波する信号処理部と、を備える。

請求項２記載の発明は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出力された送信光を投光すると共に、測定対象物から反射された受信光を受光する投受光兼用のアンテナと、前記送信光及び前記受信光を伝搬する導波路と、前記導波路に設けられ、前記送信光の一部を参照光として帰還させる帰還部と、前記参照光と前記受信光とが混合された混合光を受光する受光部と、前記混合光をヘテロダイン検波する信号処理部と、を備える。

なお、請求項３に記載したように、前記送信光と前記混合光とを分離する分離部を備えた構成としてもよい。

また、請求項４に記載したように、前記分離部は、波長変換素子である構成としてもよい。

また、請求項５に記載したように、前記分離部は、偏光操作素子である構成としてもよい。

また、請求項６に記載したように、前記送信光の周波数を上昇させる周波数シフト部を備えた構成としてもよい。

また、請求項７に記載したように、前記アンテナは、複数のアンテナがアレイ状に配置された光フェーズドアレイであり、前記光フェーズドアレイ及び前記導波路が光集積回路で構成された構成としてもよい。

以上説明したように、光集積回路のチップ面積を削減しつつアンテナ１個当たりの面積を大きくすることができる、という効果を奏する。

レーザレーダ装置の構成例を示す図である。 サーキュレータの構成例を示す斜視図である。 サーキュレータの断面図である。 サーキュレータを設けない場合のレーザレーダ装置の要部の構成例を示す図である。 サーキュレータを設けた場合のレーザレーダ装置の要部の構成例を示す図である。 光フェーズドアレイアンテナを複数組設けた場合のレーザレーダ装置の構成例を示す図である。 光集積回路に対して光フェーズドアレイアンテナが占める領域について説明するためのイメージを示す図である。 第１の変形例に係るレーザレーダ装置の要部の構成例を示す図である。 第２の変形例に係るレーザレーダ装置の要部の構成例を示す図である。 第３の変形例に係るレーザレーダ装置の要部の構成例を示す図である。 位相変調器の構成例を示す斜視図である。 位相変調器の構成例を示す断面図である。 ノコギリ波の一例を示す図である。 送信光の周波数をシフトさせない場合における送信光と受信光との周波数差について説明するための図である。 送信光の周波数をシフトさせた場合における送信光と受信光との周波数差について説明するための図である。

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レーダ装置１０の構成例を示す図である。レーザレーダ装置１０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である。

図１に示すように、レーザレーダ装置１０は、レーザ光源１２、光集積回路１４、駆動回路１６、１８、トランスインピーダンスアンプ（以下、ＴＩＡ）２０、ＡＤ変換部２２、信号処理部２４、及び同期回路２６を含む。

光集積回路１４は、ゲルマニウムフォトダイオード（以下、ＧｅＰＤ）３０、導波路３２、サーキュレータ３４、光フェーズドアレイアンテナ３６、ヒータ３８Ａ、３８Ｂ、及び複数の回折格子４０を含む。

レーザ光源１２は、駆動回路１６によって駆動される。駆動回路１６は、同期回路２６の指示に従ってレーザ光源１２を駆動する。

レーザ光源１２から照射されたレーザ光（送信光）は、導波路３２を伝播してサーキュレータ３４に入力される。なお、サーキュレータ３４は波長変換素子の一例である。

サーキュレータ３４から出力された送信光は、導波路３２を伝搬して光フェーズドアレイアンテナ３６から図示しない測定対象物に向けて投光される。また、送信光の一部は、光フェーズドアレイアンテナ３６の端部から反射し、反射光として導波路３２を伝搬する。

ここで、光フェーズドアレイアンテナ３６とは、導波路３２を伝搬した送信光を図示しない光カプラによって複数の導波路（図１の例では、導波路３２−１〜３２−８の８本）に分岐させ、導波路３２−１〜３２−８の端部から光を放射する光アンテナの一例である。以下では、導波路３２−１から導波路３２−８をまとめて「導波路３２」と称する場合がある。

導波路３２−１〜３２−８の端部には回折格子４０が各々設けられている。導波路３２を伝播した送信光は、回折格子４０から測定対象物に向けて放射される。

また、光フェーズドアレイアンテナ３６には、導波路３２を加熱するヒータ３８Ａ、３８Ｂが取り付けられている。ヒータ３８Ａ、３８Ｂは、駆動回路１８により駆動される。駆動回路１８は、同期回路２６の指示に従ってヒータ３８Ａ、３８Ｂを駆動する。

ヒータ３８Ａ、３８Ｂで導波路３２を加熱することにより、導波路３２を伝播する光の屈折率を変化させ、複数の回折格子４０（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。

同期回路２６は、レーザ光源１２の駆動と同期してヒータ３８Ａ、３８Ｂが加熱されるよう駆動回路１６、１８に指示する。

ヒータ３８Ａは、導波路３２−１から導波路３２−８に向かうに従って、導波路３２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１ではヒータ３８Ａが三角形の形状である場合について示した。逆に、ヒータ３８Ｂは、導波路３２−１から導波路３２−８に向かうに従って、導波路３２を加熱する面積が小さくなるような形状を有する。一例として、図３ではヒータ３８Ｂが逆三角形の形状である場合について示した。

光の屈折率は、導波路３２に供給される熱量（ヒータ３８Ａ、３８Ｂの発熱量）に比例するため、導波路３２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。従って、導波路３２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、測定対象物に放射される。

また、光フェーズドアレイアンテナ３６は、投受光兼用のアンテナである。従って、光フェーズドアレイアンテナ３６から送信光Ｓが測定対象物へ向けて投光されると共に、測定対象物から反射された受信光Ｒが光フェーズドアレイアンテナ３６で受光される。

光フェーズドアレイアンテナ３６で受光した受信光Ｒは、送信光Ｓの一部が光フェーズドアレイアンテナ３６の端部から反射した反射光と混合され、混合光として導波路３２を伝搬する。

導波路を伝搬した混合光は、サーキュレータ３４に入力される。サーキュレータ３４から出力された混合光は、ＧｅＰＤ３０で受光される。

ここで、図２、３を参照してサーキュレータ３４について説明する。サーキュレータ３４は、所謂マッハツェンダー干渉計ベースの波長変換素子である。

図２、３に示すように、サーキュレータ３４は、磁界印加部材４２及び光学磁性部材４４を含む。光学磁性部材４４は、基板４８上に設けられ、磁界印加部材４２は、光学磁性部材４４の上に設けられる。

光学磁性部材４４は、例えばガドリニウムガリウムガーネット（ＧＧＧ）、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）等が用いられるが、これらに限られるものではない。

図３の断面図に示すように、磁界印加部材４２は、Ｓ極磁石５０、５２、５４、Ｎ極磁石６０、６２、６４、及び鉄７０、７２を含む。

Ｓ極磁石５０、Ｎ極磁石６０、鉄７０、Ｓ極磁石５２、及びＮ極磁石６２が逆Ｕ字状に第１のアームを形成することにより、間隙８０が形成される。また、Ｎ曲磁石６２、Ｓ極磁石５２、鉄７２、Ｎ極磁石６４、及びＳ極磁石５４が逆Ｕ字状に第２のアームを形成することにより、間隙８２が形成される。

磁界印加部材４２は、導波路３２Ａの上側に間隙８０が、導波路３２Ｂの上側に間隙８２が位置するように光学磁性部材４４の上に配置される。

このような構成により、導波路３２Ａには矢印Ｘ１方向の磁界が印加され、導波路３２Ｂには矢印Ｘ２方向の磁界が印加される。そして、各磁界の向きによって伝搬定数が異なるため、位相変化が異なり、非相反が発生する。これにより、サーキュレータとして機能する。

従って、レーザ光源１２が接続されるポートＡから入射された送信光はポートＣから出力される。また、ポートＣから入力された受信光はＧｅＰＤ３０が接続されるポートＢに出力される。

図４に示すように、導波路３２上にサーキュレータ３４を設けない場合には、光フェーズドアレイアンテナ３６の端部で反射した反射光Ｌがレーザ光源１２側にも伝搬し、ＧｅＰＤ３０側に伝搬する反射光Ｌの光量が減ってしまう。これに対し、図５に示すように、導波路３２上にサーキュレータ３４を設けることにより、反射光ＬをＧｅＰＤ３０側にのみ伝搬させることができる。

図１に示すように、ＧｅＰＤ３０で受光された混合光は、ＴＩＡ２０で電流から電圧に変換され、ＡＤ変換部２２へ出力される。

ＡＤ変換部２２は、入力されたアナログ信号としての混合光をデジタル信号に変換して信号処理部２４に出力する。

信号処理部２４は、ＡＤ変換部２２から出力されたデジタル信号に基づいて、所謂ヘテロダイン検波を行い、測定対象物までの距離又は測定対象物の移動速度等を算出する。

このように、レーザレーダ装置１０は、光フェーズドアレイアンテナ３６を投受光兼用とし、光フェーズドアレイアンテナ３６の端部から反射した反射光を参照光として利用してヘテロダイン検波を行う。

図６には、レーザ光源１２、ＴＩＡ２０、ＧｅＰＤ３０、導波路３２、サーキュレータ３４、及び光フェーズドアレイアンテナ３６を複数組（図６の例では３組）設け、各ＴＩＡ２０から出力された混合光を加算してＡＤ変換部２２に出力する加算部２８を設けたレーザレーダ装置１０Ａの構成を示した。

なお、図６では、ＴＩＡ２０が光集積回路１４内に設けられた場合を示した。このような構成の場合、図７に示すように、実際に光集積回路１４が搭載されるチップにおいては、光フェーズドアレイアンテナ３６が搭載される領域８４の面積が、その他の素子が搭載される領域８６の面積と比較して非常に大きくなり、光集積回路１４が搭載されるチップのほとんどの領域を占めることとなる。

本実施の形態では、光フェーズドアレイアンテナ３６は投受光兼用とされているため、従来のように投光用及び受光用でアンテナを分けた場合と比較してチップ面積を削減しつつアンテナ１個当たりの面積を大きくすることができる。これにより、受信光については感度を高くすることができる。また、送信光については、複数のアンテナを配置することでアンテナ１基当たりのパワー密度を下げ、全体でより強いパワーの送信光を投光することができる。

また、投受光のアンテナが同一のため、投光及び受光で指向性が同一となり、アライメントが不要となる。

なお、本実施形態では、導波路３２上にサーキュレータ３４を設けた場合について説明したが、必ずしもサーキュレータ３４を設けなくてもよい。すなわち、本発明の技術的特徴は、光フェーズドアレイアンテナ３６を投受光兼用とし、光フェーズドアレイアンテナ３６の端部で反射した反射光を参照光として利用し、ヘテロダイン検波する点にある。

（第１の変形例）

図８は、第１の変形例に係るレーザレーダ装置１０Ｂの要部の構成図である。図８に示すように、レーザレーダ装置１０Ｂは、分離部の一例として偏光操作素子８８と、偏光分離カプラ９０と、を備えている。

偏光操作素子８８は、レーザ光源１２から照射された送信光を４５度偏光して光フェーズドアレイアンテナ３６側へ出力する。

また、偏光操作素子８８は、光フェーズドアレイアンテナ３６が受光した受信光と反射光との混合光を４５度偏光して偏光分離カプラ９０側へ出力する。偏光分離カプラ９０は、入力された混合光をＧｅＰＤ３０へ出力する。

すなわち、レーザ光源１２から照射された送信光をＴＥ波（Transverse Electric Wave、電界成分が入射面に対し横向き）とした場合、ＧｅＰＤ３０で受光する混合光はＴＭ波（Transverse Magnetic Wave、磁界成分が入射面に対し横向き）となる。

これにより、サーキュレータ３４を設けた場合と同様に、送信光と混合光とを分離することができ、レーザ光源１２側へ混合光が出力されてしまうのを防ぐことができる。

（第２の変形例）

図９は、第２の変形例に係るレーザレーダ装置１０Ｃの要部の構成図である。図９に示すように、レーザレーダ装置１０Ｃは、導波路３２上に方向性結合器９２を備えている。方向性結合器９２は、帰還部の一例である。

方向性結合器９２は、送信光Ｓの一部（例えば送信光の１０％）をループバックし、参照光ＰとしてＧｅＰＤ３０へ帰還させる。これにより、光フェーズドアレイアンテナ３６の端部からの反射光を参照光として利用する場合と比較して、安定した光量の参照光を得ることができ、ヘテロダイン検波の精度を高めることができる。

（第３の変形例）

図１０は、第３の変形例に係るレーザレーダ装置１０Ｄの要部の構成図である。図１０に示すように、レーザレーダ装置１０Ｄは、図９のレーザレーダ装置１０Ｃと比べて、位相変調器９４及びノコギリ波発生器９６を備えた点が異なる。なお、位相変調器９４及びノコギリ波発生器９６は、周波数シフト部の一例である。

位相変調器９４は、図１１の斜視図、図１２の断面図に示すように、Ｐ型電極９８Ｐ、Ｎ型電極９８Ｎ、シリコン（Ｓｉ）にＮ型不純物がドーピングされたＮ型チャネル１００Ｎ、シリコン（Ｓｉ）にＰ型不純物がドーピングされたＰ型チャネル１００Ｐ、シリコン１０２、及びシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）１０４を含む。なお、図１１ではシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）１０４の図示は省略している。

ノコギリ波発生器９６は、送信光を位相変調するための図１３に示すようなノコギリ波を発生させて位相変調器９４のＰ型電極９８Ｐ及びＮ型電極９８Ｎに印加する。

これにより、導波路３２を伝搬する送信光は、位相変調器９４で位相変調され、周波数が上昇する。例えばノコギリ波の周波数を１０ＭＨｚとした場合、送信光の周波数を１０ＭＨｚ上昇させることができる。

ＦＭＣＷ方式のレーザレーダ装置では、図１４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光Ｓを送信する。送信光Ｓが測定対象物で反射されると、受信光Ｒとなって受信される。

送信光Ｓと受信光Ｒを時間軸に沿って表すと、受信光Ｒは送信光Ｓより遅延時間ｄだけ遅れる。この遅延時間ｄが測定対象物までの距離の情報を含んでおり、ＦＭＣＷ方式では、送信光Ｓと受信光Ｒとの周波数差Δｆを用いて測定対象物までの距離を算出する。

しかしながら、図１４に示すように送信光Ｓの周波数を上昇させない場合、周波数差Δｆが負の周波数を含むこととなり、直交検波が必要となる。

これに対して、本変形例では、図１５に示すように、送信光Ｓを位相変調器９４で位相変調することにより、周波数を上昇させている。このため、周波数差Δｆは、送信光Ｓの周波数を上昇させた分だけオフセットされるため、周波数差Δｆが負の周波数を含まず、正の周波数のみとなる。これにより、直交検波が不要となる。

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ことはいうまでもない。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ レーザレーダ装置
１２ レーザ光源
１４ 光集積回路
１６、１８ 駆動回路
２２ ＡＤ変換部
２４ 信号処理部
２６ 同期回路
２８ 加算部
３２ 導波路
３４ サーキュレータ
３６ 光フェーズドアレイアンテナ
３８Ａ、３８Ｂ ヒータ
４０ 回折格子
４２ 磁界印加部材
４４ 光学磁性部材
４８ 基板
８８ 偏光操作素子
９０ 偏光分離カプラ
９２ 方向性結合器
９４ 位相変調器
９６ ノコギリ波発生器

Claims (7)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力された送信光を投光すると共に、測定対象物から反射された受信光を受光する投受光兼用のアンテナと、
   前記送信光及び前記受信光を伝搬する導波路と、
   前記アンテナの端部から反射した反射光を参照光として、前記受信光と混合した混合光を受光する受光部と、
   前記混合光をヘテロダイン検波する信号処理部と、
   を備えたレーザレーダ装置。
2. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出力された送信光を投光すると共に、測定対象物から反射された受信光を受光する投受光兼用のアンテナと、
   前記送信光及び前記受信光を伝搬する導波路と、
   前記導波路に設けられ、前記送信光の一部を参照光として帰還させる帰還部と、
   前記参照光と前記受信光とが混合された混合光を受光する受光部と、
   前記混合光をヘテロダイン検波する信号処理部と、
   を備えたレーザレーダ装置。
3. 前記送信光と前記混合光とを分離する分離部
   を備えた請求項１記載のレーザレーダ装置。
4. 前記分離部は、波長変換素子である
   請求項３記載のレーザレーダ装置。
5. 前記分離部は、偏光操作素子である
   請求項３記載のレーザレーダ装置。
6. 前記送信光の周波数を上昇させる周波数シフト部
   を備えた請求項１から請求項５の何れか１項に記載のレーザレーダ装置。
7. 前記アンテナは、複数のアンテナがアレイ状に配置された光フェーズドアレイであり、前記光フェーズドアレイ及び前記導波路が光集積回路で構成された
   請求項１から請求項６の何れか１項に記載のレーザレーダ装置。