JP2975597B1 - 光制御型フェーズドアレーアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 各ビームの指向方向を従来例に比較して高精
度で制御することができ、光集積化可能な光制御型フェ
ーズドアレーアンテナ装置を提供する。 【解決手段】 複屈折性光導波路基板上に第１−第３の
光導波路が形成され、直交する２つの偏波成分の周波数
差を一定に保持しながら発光する光の波長を変化可能な
Ｍ個の波長可変光源装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃから出
力される各光信号は第１の光導波路４１ａ，４１ｂ，４
１ｃによって伝送された後、第３の光導波路４２によっ
て各光信号がＮ本の第２の光導波路に分配される。ラミ
ポール型偏光子４５は第２の光導波路によって伝送され
た各光信号に含まれる２つの偏波成分を偏光抽出し、Ｎ
個のフォトダイオード５１−１乃至５１−Ｎは偏光抽出
された両偏波成分を混合して周波数差を有するＮ個の無
線信号をアレーアンテナに出力して光の波長に対応した
指向方向にビームを形成して放射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光空間において複
数の無線信号を処理することにより、それぞれ独立に所
定の指向方向に無線信号を送信する光制御型フェーズド
アレーアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】光空間において複数の無線信号を処理す
ることにより、それぞれ独立に所定の指向方向に電波を
送信する光制御型フェーズドアレーアンテナ装置が、例
えば、特開平９−１３９６２０号公報の特許出願（以
下、第１の従来例という。）、及び特願平９−０３４７
６６号の特許出願（以下、第２の従来例という。）にお
いて開示されている。

【０００３】第１の従来例においては、光信号処理技術
を用いたビーム形成回路を用いてマルチビームアンテナ
を実現しているが、各ビームの指向方向は固定であり、
変化させることができないという問題点があった。

【０００４】この問題点を解決するために、本発明者ら
は、第２の従来例において、光信号処理技術を用いたビ
ーム形成回路により指向方向を変化することができる指
向可変マルチビームアンテナを実現している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第２の
従来例においては、光ファイバケーブルの端部をその支
持移動機構により機械的に移動させることにより各ビー
ムの指向方向を変化させているので、高精度で当該端部
を移動させることが難しく、そのため、各ビームを高精
度で制御することができなかった。また、上記支持移動
機構などの機械機構を備える必要があるので、第２の従
来例の光回路を光集積化することができなかった。

【０００６】本発明の目的は以上の問題点を解決し、各
ビームの指向方向を従来例に比較して高精度で制御する
ことができ、しかも光集積化することができる光制御型
フェーズドアレーアンテナ装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１記
載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置は、所定の
間隔で配列された複数Ｎ個のアンテナ素子を備えたアレ
ーアンテナと、互いに直交する２つの偏波成分の波長の
周波数差を一定に保持しながら発光する光の波長を変化
可能な複数Ｍ個の波長可変光源装置と、複屈折性光導波
路基板上に形成され、上記各波長可変光源装置から出力
されるＭ個の光信号を伝送する複数Ｍ本の第１の光導波
路と、上記複屈折性光導波路基板上に互いに所定の光路
長差を有して形成され、複数Ｎ個の光信号を伝送する複
数Ｎ本の第２の光導波路と、上記複屈折性光導波路基板
上に形成され、上記複数Ｍ本の第１の光導波路から出力
される複数Ｍ個の光信号をそれぞれ、上記複数Ｎ本の第
２の光導波路に分配する第３の光導波路と、上記複数Ｍ
本の第１の光導波路から上記第３の光導波路及び上記複
数Ｎ本の第２の光導波路を介して伝送される複数Ｎ個の
光信号にそれぞれ含まれる２つの偏波成分を偏光抽出し
て出力する偏光子手段と、上記偏光子手段から出力され
る各光信号に含まれる２つの偏波成分を混合して当該２
つの偏波成分の周波数差に等しい周波数をそれぞれ有す
る複数Ｎ個の無線信号をそれぞれ上記複数Ｎ個のアンテ
ナ素子に出力する複数Ｎ個の混合手段とを備え、上記各
混合手段から出力された複数Ｎ個の無線信号を、それぞ
れ対応する各アンテナ素子から放射することにより、上
記複数Ｎ個の波長可変光源装置によって発生される光の
波長に対応した所望の指向方向にビームを形成して複数
の無線信号を放射することを特徴とする。

【０００８】また、請求項２記載の光制御型フェーズド
アレーアンテナ装置は、請求項１記載の光制御型フェー
ズドアレーアンテナ装置において、上記複数Ｎ個の波長
可変光源装置から出力される各光信号の２つの偏波成分
のうちの所定の一方の偏波成分を、入力されるデジタル
信号に従って変調して上記各第１の光導波路に出力する
複数Ｎ個の光変調手段をさらに備えたことを特徴とす
る。

【０００９】さらに、請求項３記載の光制御型フェーズ
ドアレーアンテナ装置は、請求項１又は２記載の光制御
型フェーズドアレーアンテナ装置において、上記第２と
第３の光導波路はＴｉ拡散法により形成され、上記偏光
子手段はラミポール型偏光子であることを特徴とする。

【００１０】また、請求項４記載の光制御型フェーズド
アレーアンテナ装置は、請求項１乃至３のうちの１つに
記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置におい
て、上記複数Ｎ個の波長可変光源装置は、互いに異なる
周波数差を有する光信号を発生して出力し、これによっ
て、上記各混合手段から出力された互いに異なる周波数
を有する複数Ｎ個の無線信号を、それぞれ対応する各ア
ンテナ素子から放射することを特徴とする。

【００１１】さらに、請求項５記載の光制御型フェーズ
ドアレーアンテナ装置は、請求項１乃至３のうちの１つ
に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置におい
て、上記複数Ｎ個の波長可変光源装置は、互いに同一の
周波数差を有する光信号を発生して出力し、これによっ
て、上記各混合手段から出力された互いに同一の周波数
を有する複数Ｎ個の無線信号を、それぞれ対応する各ア
ンテナ素子から放射することを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施形態について説明する。

【００１３】＜第１の実施形態＞図１は、本発明に係る
第１の実施形態である波長可変光源装置１０の構成を示
すブロック図である。この実施形態の波長可変光源装置
１０は、半導体レーザであるレーザダイオード１によっ
て発生されたレーザ光を偏光子５を介して外部の２個の
回折格子板によって反射し、その反射光を偏光子５を介
してレーザダイオード１に帰還させることにより共振帰
還光路を形成してなるレーザ共振器を備えた従来技術の
外部共振器型半導体レーザ装置（例えば、従来技術文献
２の図１参照。）において、上記２個の回折格子板を１
個のみ用い、上記共振帰還光路中に、水平偏光及び垂直
偏光によって出射光の進行方向が変化するウォラストン
プリズム３を挿入することにより、図２に示すように、
垂直偏波成分の波長と水平偏波成分の波長との周波数差
を一定に保持しながら発光する光の波長を変化可能な波
長可変光源装置を実現することを特徴としている。

【００１４】図１において、ウォラストンプリズム３を
除いて、レーザダイオード１及び回折格子板６とそれら
の間の構成要素である集光レンズ２、デポラライザ４及
び偏光子５により、従来技術の外部共振器型半導体レー
ザ装置を構成している。本実施形態では、集光レンズ２
とデポラライザ４との間にウォラストンプリズム３を挿
入することにより、外部共振器型半導体レーザ装置１０
０を構成している。この外部共振器型半導体レーザ装置
１００において、レーザダイオード１は、例えばＧａＡ
ｓ又はＩｎＡｌＡｓＰにてなる活性層を含む公知の面発
光半導体レーザ装置であり、その面発光面である側面が
ＡＲコート１ａされている。レーザダイオード１によっ
て発光された光は、ＡＲコート１ａの面から集光レンズ
２、ウォラストンプリズム３、デポラライザ４及び偏光
子５を介して回折格子板６に入射する。

【００１５】ウォラストンプリズム３は、図３を参照し
て詳細後述するように、ＬｉＮｂＯ₃で形成された２つ
のプリズムＰ１，Ｐ２で構成されてなり、入射する光を
垂直偏光成分の光Ｑ１と水平偏光成分の光Ｑ２とに偏光
分離してデポラライザ４及び偏光子５を介して回折格子
板６に入射させる。そして、そのウォラストンプリズム
３の伝送光軸を挟設するように２枚の電極９ａ，９ｂが
設けられ、電極９ａ，９ｂには、可変電圧直流電源８に
より直流電圧が印加されてウォラストンプリズム３に直
流電界が印加される。ここで、直流電源８の電圧を変化
することにより、ウォラストンプリズム３により偏光分
離される垂直偏光成分の光Ｑ１と水平偏光成分の光Ｑ２
の分離角を変化することができる。これにより、垂直偏
光成分の光Ｑ１と水平偏光成分の光Ｑ２に対する共振経
路長を変化させて、垂直偏光成分の光Ｑ１と水平偏光成
分の光Ｑ２との間の差周波数Δｆを変化させることがで
きる。

【００１６】また、デポラライザ４及び偏光子５は、そ
れらの光軸に対する回転角に応じて各偏光方向の利得
を、当該外部共振器型半導体レーザ装置１００における
共振条件を満たすように調整するための光減衰器として
用いられる。さらに、回折格子板６は、回転角度に応じ
て入射する垂直偏光成分の光Ｑ１と水平偏光成分の光Ｑ
２の波長を変化させて、これら２つの光を回折反射して
偏光子５、デポラライザ４、ウォラストンプリズム３及
び集光レンズ２を介してレーザダイオード１のＡＲコー
ト１ａの面に入射させて帰還させる。ここで、回折格子
板６の回転角度は回転モータ７により回転されて変化さ
れ、これにより、垂直偏光成分の光Ｑ１と水平偏光成分
の光Ｑ２の回折格子板６への入射角度を変化させること
ができる。従って、回折格子板６により回折反射する光
の波長を変化させることができ、すなわち、回折格子板
６の回転角度により外部共振させる光の波長を変化させ
て、当該半導体レーザ装置１００によって発生する全体
の光の波長を変化させることができる。

【００１７】半導体レーザ装置１００によって発生され
た垂直偏光成分の光と水平偏光成分の光は、レーザダイ
オード１のＡＲコート１ａ面とは対向する面から出射し
て、集光レンズ１１、光アイソレータ１２及び出射光フ
ァイバケーブル１３を介して偏向ビームスプリッタ１４
に入射する。偏向ビームスプリッタ１４は、入射する光
を、垂直偏光成分の光と水平偏光成分の光とに偏向分離
して、ここで、垂直偏光成分の光を光アイソレータ１５
を介して９０度偏波回転器１６に出射するとともに、水
平偏光成分の光を光アイソレータ１７及び光ファイバケ
ーブル１８ａを介して光ファイバカプラー１８に出射す
る。ここで、９０度偏波回転器１６は、入射する光の偏
波を９０度だけ回転させることにより上記水平偏光成分
の光と偏波面を一致させて光ファイバケーブル１８ｂを
介して光ファイバカプラー１８に出射する。光ファイバ
カプラー１８は、２本の光ファイバケーブル１８ａ及び
１８ｂを互いに光学的な結合が生じるように互いに近接
させてなり、概ね３ｄＢの光カプラーを構成しており、
光ファイバケーブル１８ａの端部には光無反射終端器２
０が接続されている。光ファイバケーブル１８ａを介し
て伝送された水平偏光成分の光と、偏波回転器１６によ
り垂直偏波成分の光から水平偏波成分の光に偏波回転さ
れた光とが光ファイバカプラー１８により合成されて、
光ファイバケーブル１８ｂの端部に接続されたフォトダ
イオード１９に入射する。フォトダイオード１９は、入
射する光を電気信号に光電変換した後、スペクトルアナ
ライザ２１に出力し、スペクトルアナライザ２１により
半導体レーザ装置１００により発振された光のスペクト
ルを分析することができる。

【００１８】本実施形態では、レーザダイオード１とし
て、面発光半導体レーザ装置を用いているが、本発明は
これに限らず、例えば光アンプ用半導体レーザ装置など
の利得の偏光依存性が比較的小さい構造を有する半導体
レーザ装置を用いることが好ましい。

【００１９】ここで、利得の偏波依存性の小さい半導体
レーザ装置の構造について説明する。半導体レーザ装置
１００のレーザダイオード１は、光を増幅する役割を担
っているが、通常のレーザ装置の構造ではその活性層幅
が数ｍｍあるのに対して、活性層厚さは０．１ｍｍ程度
と非常に薄く、垂直偏波成分と水平偏波成分に対する増
幅利得が大きく異なっている。この場合、偏光子５を調
整して両偏波成分に対する利得差がなくなるように補償
することになるが、レーザ内部での損失が大きくなるた
めに、発振強度のしきい値の増大、量子効率の低下など
の性能低下につながる。利得の偏波依存性は半導体光増
幅器でも大きな問題とされ、これを解決する手段として
（１）活性層を厚くする、（２）活性層を引っ張り歪を
持つ量子井戸構造とする、などの方法があり、０．５ｄ
Ｂ以下という値が実現されている。また、面発光レーザ
では、その構造が通常のレーザと大きく異なっており、
レーザ光は基板に水平な面内に閉じ込められ、垂直な方
向に出射される。このため、水平面内の光の閉じ込め形
状を円形とすると、面内の両偏波成分に対する活性層形
状が同一となり、利得の偏波依存性が小さくなることが
知られている。また、例えば、利得の偏波依存性を高め
るために（３１１）面上に面発光レーザを作製してもよ
い。これらの利得の偏波依存性が小さいレーザ装置の構
造を用いることにより、当該半導体レーザ装置１００に
おいて、発振強度のしきい値を低くすることができ、し
かもより高い効率で発振させることができる。

【００２０】次いで、分離角可変偏光分離プリズムであ
るウォラストンプリズム３の動作について図３を参照し
て説明する。入射光の偏光成分によって出射方向が異な
る偏光分離プリズムとして、ウォラストンプリズム、ロ
ションプリズム、セナモンプリズムなどが知られてい
る。本実施形態では、代表的な例としてウォラストンプ
リズム３を用いて構成し、電気光学結晶を用いることで
分離角を可変できることを以下に示す。

【００２１】ウォラストンプリズム３は、図３に示すよ
うに、一軸性結晶（光学軸と呼ばれる方向の屈折率ｎ_e
がそれと直交する平面内の屈折率ｎ_oと異なっている結
晶であり、例えば石英やＬｉＮｂＯ₃などの結晶であ
る。）であり断面が直角三角形である三角柱形状を有す
る２個の直角プリズムＰ１，Ｐ２を、互いの光学軸が直
交するように接合したものである。このウォラストンプ
リズム３に対して偏向していない光を垂直に入射した場
合を考える。便宜上、第１のプリズムＰ１の結晶軸に対
応させて入射光の常光線及び異常光線を定義し、プリズ
ムＰ１及びプリズムＰ２の各光線に対する屈折率をそれ
ぞれｎ_o1、ｎ_e1、ｎ_o2、ｎ_e2とする。まず、入射面で
は、垂直入射のため各光線とも屈折しない。次に両プリ
ズムＰ１，Ｐ２の接合面では、斜めに入射する各光線に
対して入射媒質と出射媒質の屈折率が異なるため、出射
角が異なってくる。図３に示すように、プリズムＰ１と
プリズムＰ２の角度をθとし、常光線及び異常光線に対
する出射角をそれぞれθ_o1、θ_e1とし、スネルの法則
（屈折の法則）を適用すると、次式を得る。

【００２２】

【数１】常光線：ｎ_o1ｓｉｎθ＝ｎ_e2ｓｉｎθ_o1

【数２】異常光線：ｎ_e1ｓｉｎθ＝ｎ_o2ｓｉｎθ_e1

【００２３】出射面でも第２のプリズムと空気との屈折
率差により屈折する。常光線及び異常光線の最終的なプ
リズムからの出射角θ_o2、θ_e2は、次式のように表すこ
とができる。

【００２４】

【数３】 常光線：ｎ_e2ｓｉｎ（π／２−θ−θ_o1）＝ｓｉｎθ_o2

【数４】異常光線：ｎ_o2ｓｉｎ（θ＋θ_e1−π／２）＝
ｓｉｎθ_e2

【００２５】次いで、数１及び数２を用いてθについて
解くと、次式を得ることができる。

【００２６】

【数５】常光線：θ_o2＝ｓｉｎ^-1{ｎ_e2(ｃｏｓθ√(１
−ｎ_o1 ²／ｎ_e2 ²ｓｉｎ²θ)−ｎ_o1／ｎ_e2ｓｉｎ²θ）｝

【数６】異常光線：θ_e2＝ｓｉｎ^-1{−ｎ_oｃｏｓθ(√
(１−ｎ_e1 ²／ｎ_o2 ²ｓｉｎ²θ)＋ｎ_e1／ｎ_o2ｓｉｎ²θ)}

【００２７】ここで、プリズムＰ１，Ｐ２の材質を電気
光学効果を持つ一軸性結晶（ＬｉＮｂＯ₃など）で作製
し、一方あるいは両方のプリズムＰ１，Ｐ２に電極９
ａ，９ｂを付けて直流電圧を印加して変化することによ
り、屈折率ｎ_o1、ｎ_e1、ｎ_o2、ｎ_e2を変化させ、これに
より常光線及び異常光線の出射角度を制御することがで
きる。

【００２８】以上説明したように、入射光の偏光成分に
よって出射方向が異なる偏光分離プリズム（例えば、ウ
ォラストンプリズム）において、出射時の分離角を印加
電圧によって可変できることが示された。同様に、結晶
の光軸方向が異なるだけで同一の動作原理を持つロショ
ンプリズムやセナモンプリズムでも同様の作用効果が得
られる。

【００２９】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、外部共振器型半導体レーザ装置の共振帰還光路にウ
ォラストンプリズム３を挿入することにより、偏光によ
って共振波長が異なり、外部でこれらの差周波信号をと
ると安定な高周波信号が得られる。両偏光成分は同一の
活性層内で発振するために雑音成分に強い相関があり、
特にＰＬＬ回路などを用いて制御をしなくても差周波信
号の雑音は低く押さえられる。全体の発振波長は、回折
格子板６の回転角度を調整することで可変できる。

【００３０】従って、本実施形態の波長可変光源装置１
０の効果は以下の通りである。 （１）例えば、マイクロ波以上の高周波信号の差周波数
を一定に保持しながら２つの偏波成分の光を、高周波信
号の基準信号発生器なしに、簡単な構造で容易に発生す
ることができる。 （２）２つの偏光成分は、レーザダイオード１の同一の
活性層内で発振するために雑音成分に強い相関があり、
特にＰＬＬ回路などを用いて制御をしなくても差周波信
号の雑音は低く押さえることができ、発生する光のＳ／
Ｎ比を従来例に比較して大きくすることができる。 （３）回折格子板６の回転角度を変化させることによ
り、発生する光の波長を容易に変化させることができ、
これにより、光段階では波長の違いを利用した様々な信
号処理を施し、最後のフォトダイオード１９の検波後は
同一の周波数を有するマイクロ波信号を出力するような
高機能なシステム（例えば、第２の実施形態参照。）を
容易に構成できる。 （４）第２の従来例では２つの回折格子板を用いている
が、これに対して、本実施形態では、１つの回折格子板
６を用いて装置を構成したことにより、装置構成が簡単
になり、製造コストが安価になる。また、振動に対する
マイクロ波信号の安定度も改善される。 （５）ウォラストンプリズム３の電極９ａ，９ｂに印加
する直流電圧を変化することにより、ウォラストンプリ
ズム３による偏光の分離角を変化させることができ、２
つの偏波成分間の差周波数を有するマイクロ波信号の周
波数を容易に変化させて調整することができる。 （６）偏光子５及びデポラライザ４の回転角度を変化す
ることにより、発振帰還光路中の光の利得を変化させて
半導体レーザ装置の発振条件を容易に調整することがで
きる。

【００３１】＜第２の実施形態＞図４は、本発明に係る
第２の実施形態であ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ブロック図である。この光制御型フ
ェーズドアレーアンテナ装置は、第１の実施形態の波長
可変光源装置１０である３個の波長可変光源装置１０
ａ，１０ｂ，１０ｃと、ラミポール偏光子４５が形成さ
れた複屈折性光導波路装置８０とを用いて、波長可変光
源装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃから出力される光信号の
波長を変化させることにより、リニアアレーで配列され
たアレーアンテナ７０から放射される各ビームの指向方
向を変化させることを特徴としている。

【００３２】図４において、波長可変光源装置１０ａ，
１０ｂ，１０ｃの出力端は、図１の光アイソレータ１２
の出力端に対応する。

【００３３】図４において、波長可変光源装置１０ａ，
１０ｂ，１０ｃから出力される光信号の波長は、ビーム
コントローラ３０により、波長可変光源装置１０ａ，１
０ｂ，１０ｃ内の回折格子板６（図１参照。）の回転角
度を変化することにより変化させ、これにより、詳細後
述するように、アレーアンテナ７０から放射される指向
方向を変化させる。ここで、波長可変光源装置１０ａ，
１０ｂ，１０ｃから出力される光信号は、互いに直交す
る垂直偏光成分と水平偏光成分とを含み、それらの間の
差周波数は各装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃ毎で異なり、
装置１０ａが差周波数Δｆ１を有し、装置１０ｂが差周
波数Δｆ２を有し、装置１０ｃが差周波数Δｆ３を有し
ているとき、アレーアンテナ７０から放射される無線信
号のビームＢ１は差周波数Δｆ１の無線周波数を有し、
無線信号のビームＢ２は差周波数Δｆ２の無線周波数を
有し、無線信号のビームＢ３は差周波数Δｆ３の無線周
波数を有する。

【００３４】波長可変光源装置１０ａから出力される光
信号は、互いに直交する垂直偏光成分と水平偏光成分と
を含み、偏向ビームスプリッタ３２ａにより偏向分離さ
れ、一方の水平偏波成分の光信号は、入力される第１の
デジタルデータ信号に従って光信号を強度変調する外部
光変調器（以下、ＥＯＭという。）３１ａを介して偏向
ビームスプリッタ３３ａに入力される一方、他方の水平
偏波成分の光信号は、そのまま偏向ビームスプリッタ３
３ａに入力される。偏向ビームスプリッタ３３ａは、入
力される２つの光信号を偏向合波して複屈折性光導波路
装置８０内の光導波路４１ａに出力する。ここで、水平
偏向成分の光信号は第２の従来例における基準光信号と
して用いられ、フォトダイオード５１−１乃至５１−Ｎ
における２乗検波における局部発振信号として用いられ
る。従って、偏向ビームスプリッタ３２ａ，３３ａとＥ
ＯＭ３１ａにより、垂直偏波成分の光信号のみを光変調
する光変調装置６０ａを構成している。

【００３５】また、波長可変光源装置１０ｂから出力さ
れる光信号は、互いに直交する垂直偏光成分と水平偏光
成分とを含み、光変調装置６０ａと同様に、偏向ビーム
スプリッタ３２ｂ，３３ｂ及びＥＯＭ３１ｂにより構成
される光変調装置６０ｂを介して複屈折性光導波路装置
８０内の光導波路４１ｂに出力する。ここで、ＥＯＭ３
１ｂは、入力される水平偏波成分の光信号を、第２のデ
ジタルデータ信号に従って強度変調して出力する。

【００３６】さらに、波長可変光源装置１０ｃから出力
される光信号は、互いに直交する垂直偏光成分と水平偏
光成分とを含み、光変調装置６０ａ，６０ｂと同様に、
偏向ビームスプリッタ３２ｃ，３３ｃ及びＥＯＭ３１ｃ
により構成される光変調装置６０ｃを介して複屈折性光
導波路装置８０内の光導波路４１ｃに出力する。ここ
で、ＥＯＭ３１ｃは、入力される水平偏波成分の光信号
を、第３のデジタルデータ信号に従って強度変調して出
力する。

【００３７】なお、波長可変光源装置１０ａと、複屈折
性光導波路装置８０の光導波路４１ａとの間、波長可変
光源装置１０ｂと、複屈折性光導波路装置８０の光導波
路４１ｂとの間、及び波長可変光源装置１０ｃと、複屈
折性光導波路装置８０の光導波路４１ｃとの間は、好ま
しくは、光ファイバケーブルで接続して構成され、とっ
て代わって光導波路で接続して構成されてもよい。

【００３８】複屈折性光導波路装置８０において、光導
波路４１ａ，４１ｂ，４１ｃは、その装置８０の縁端部
からＴｉ拡散による２次元光導波路４２の一方の縁端部
まで導かれるように、ＬｉＮｂＯ₃にてなる複屈折性光
導波路基板４０上に形成される。Ｔｉ拡散による２次元
光導波路４２は、複屈折性光導波路基板４０内におい
て、公知のＴｉ拡散方法により形成され、光導波路４１
ａ，４１ｂ，４１ｃの縁端部から出射される３つの光信
号について、当該基板４０の厚さ方向である上下方向
（垂直偏波成分の偏波変化方向に対応する。）のみに対
して光を閉じ込める長方形の面状の光導波路である。Ｔ
ｉ拡散による２次元光導波路４２の一方の縁端部に対向
する他方の縁端部には、複数Ｎ本の光導波路４４−１乃
至４４−Ｎが接続される。

【００３９】光導波路４１ａから出射された光信号は当
該２次元光導波路４２の面内で横方向に広がってすべて
の光導波路４４−１乃至４４−Ｎの入射部に入射する。
また、光導波路４１ｂから出射された光信号は、同様
に、当該２次元光導波路４２の面内で横方向に広がって
すべての光導波路４４−１乃至４４−Ｎの入射部に入射
する。さらに、光導波路４１ｃから出射された光信号
は、同様に、当該２次元光導波路４２の面内で横方向に
広がってすべての光導波路４４−１乃至４４−Ｎの入射
部に入射する。従って、２次元光導波路４２は、３個の
光導波路４１ａ，４１ｂ，４１ｃからそれぞれ出力され
る各光信号を、光スターカプラ形式でＮ本の光導波路４
４−１乃至４４−Ｎに分配して出力する。

【００４０】光導波路４４−１乃至４４−Ｎは、公知の
Ｔｉ拡散方法により形成されたＴｉ拡散による３次元光
導波路４３であり、２次元光導波路４２から光導波路４
４−１乃至４４−Ｎに入射した複数Ｎ本の光信号につい
て、当該基板４０の厚さ方向である上下方向（垂直偏波
成分の偏波変化方向に対応する。）及びその厚さ方向に
垂直な方向である左右方向（横方向；水平偏波成分の偏
波変化方向に対応する。）に対して光を閉じ込めてシン
グルモードで光信号を伝搬させる光導波路である。ここ
で、光導波路４４−１乃至４４−Ｎは互いに光路差が例
えば１ｍｍだけ異なるように例えば昇順で各光路長を、
アレーアンテナ７０のアンテナ素子５３−１乃至５３−
Ｎの設置位置に対応して変化させている。Ｔｉ拡散によ
る３次元光導波路４３の各光導波路４４−１乃至４４−
Ｎの他方の端部には、ＩｎＰ層上にＩｎＧａＡｓ層を形
成するように、直接的に一括してコーティングすること
によりラミポール型偏光子４５が形成され、ラミポール
型偏光子４５は各光導波路４４−１乃至４４−Ｎから出
射される光信号の垂直偏波成分と水平偏波成分とから約
４５度だけ傾斜された偏向成分のみを偏向抽出して出力
する光学素子である。この場合、ラミポール型偏光子４
５は、光信号の垂直偏波成分と水平偏波成分の両方の偏
波成分をそれぞれ若干減衰しながらも偏向抽出して各フ
ォトダイオード５１−１乃至５１−Ｎに出力する。な
お、ラミポール型偏光子４５は上述のように一括コーテ
ィングしてもいし、もしくは、各光導波路４４−１乃至
４４−Ｎに対して個別にコーティングして形成してもよ
い。

【００４１】従って、上記２次元光導波路４２は、入射
する３つの光信号を合成して合波した後、複数Ｎ本の光
導波路４４−１乃至４４−Ｎに分配して分波する光学装
置を構成しており、次いで、ラミポール型偏光子４５に
より各光導波路４４−１乃至４４−Ｎにおける垂直偏波
成分と水平偏波成分の両方の偏波成分を偏光抽出して出
力する。

【００４２】各光導波路４４−１乃至４４−Ｎから出力
される光信号はそれぞれ、ラミポール型偏光子４５を介
して各フォトダイオード５１−１乃至５１−Ｎに入射さ
れて、２乗検波法により混合されて、２つの偏波成分の
差周波数Δｆ１，Δｆ２，Δｆ３を有するマイクロ波信
号に光電変換された後、変換後のマイクロ波信号は各無
線周波電力増幅器５２−１乃至５２−Ｎにより電力増幅
されて、アレーアンテナ７０の各アンテナ素子５３−１
乃至５３−Ｎから自由空間に向けて放射される。ここ
で、アレーアンテナ７０において、各アンテナ素子５３
−１乃至５３−Ｎは、例えば半波長の所定の間隔で１直
線上にリニアアレーで配置される。

【００４３】図５は、図２の複屈折性光導波路装置８０
の各光導波路の屈折率の波長依存特性（シミュレーショ
ン結果）を示すグラフである。ＬｉＮｂＯ₃にてなる複
屈折性光導波路基板４０において光導波路４２及び４３
のように、Ｔｉを熱拡散することにより、元の屈折率か
ら屈折率を例えば１％程度だけ変化させることができ、
しかも、図５に示すように、常光及び異常光とも光波長
に対して屈折率が変化しており、また、偏向方向の違い
により屈折率の変化が異なっている。すなわち、伝送さ
れる光の波長に応じて屈折率が変化するので、伝送後の
光の位相も光の波長に応じて変化させることができる。

【００４４】図６は、図２のアレーアンテナの制御装置
において波長可変光源装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃによ
る波長可変時の隣接アンテナ素子間の位相差（シミュレ
ーション結果）を示すグラフである。このシミュレーシ
ョン結果の条件は、垂直偏波成分と水平偏波成分との間
の差周波数、すなわちアレーアンテナ７０から放射され
る無線信号のマイクロ波周波数が６０ＧＨｚであり、３
次元光導波路４３の各光導波路４４−１乃至４４−Ｎに
おける各隣接する光導波路の光路差を１ｍｍに設定した
場合である。図６から明らかなように、波長可変光源装
置１０ａ，１０ｂ，１０ｃから出力される光信号の波長
を変化することにより、アレーアンテナ７０における各
隣接するアンテナ素子間の位相差を実質的に線形的に変
化させることができることがわかる。従って、光信号の
波長を変化させることにより、ビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３
の指向方向を変化させることができる。

【００４５】以上説明したように本実施形態によれば、
以下の特有の効果を有する。 （１）複数Ｎ本のビームからなるマルチビームアンテナ
の放射する各ビームの指向方向を、波長可変光源装置１
０ａ，１０ｂ，１０ｃの発光波長を変化することにより
独立に制御でき、しかも第２の従来例に比較して機械的
な機構を用いていないので高精度で制御できる。 （２）従来のマイクロ波回路で構成する場合に比べて、
簡単な構成で形成することができ、広帯域の信号を取り
扱い伝送することができる。 （３）少なくとも複屈折性光導波路装置８０は光導波路
として光集積化が可能であり、実用性が高く小型軽量化
することができ、これによって製造コストを大幅に低減
できる。さらに、光変調装置６０ａ，６０ｂ，６０ｃを
も光集積化が可能であり、さらに小型軽量化することが
でき、これによって製造コストを低減できる。

【００４６】以上の実施形態においては、Ｔｉ拡散方法
により分布屈折率光導波路である３次元及び２次元光導
波路４２，４３を形成しているが、本発明はこれに限ら
ず、公知のプロトン交換法により、ＬｉＮｂＯ₃の結晶
基板のリチウムイオン（Ｌｉ⁺）の一部をプロトン
（Ｈ⁺）で交換して、分布屈折率光導波路であるプロト
ン交換光導波路を構成してもよい。

【００４７】以上の実施形態においては、リニアアレー
で形成されたアレーアンテナ７０を用いているが，本発
明はこれに限らず、２次元のアレーアンテナであっても
よい。この変形例の場合においては、各ビームを、実施
形態のように平面内で変化させるのではなく、アレーア
ンテナの平面に対して垂直な方向に延在する空間で３次
元で変化させることができる。

【００４８】以上の実施形態において、波長可変光源装
置１０ａ，１０ｂ，１０ｃの各差周波数Δｆ１，Δｆ
２，Δｆ３を互いに異なるように設定しているが、本発
明はこれに限らず、同一に設定しても良い。この場合、
アレーアンテナ７０からは、同一の無線周波数であっ
て、例えば異なる指向方向のビームＢ１，Ｂ２，Ｂ３を
放射することができる。

【００４９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る請求項
１記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置によれ
ば、所定の間隔で配列された複数Ｎ個のアンテナ素子を
備えたアレーアンテナと、互いに直交する２つの偏波成
分の波長の周波数差を一定に保持しながら発光する光の
波長を変化可能な複数Ｍ個の波長可変光源装置と、複屈
折性光導波路基板上に形成され、上記各波長可変光源装
置から出力されるＭ個の光信号を伝送する複数Ｍ本の第
１の光導波路と、上記複屈折性光導波路基板上に互いに
所定の光路長差を有して形成され、複数Ｎ個の光信号を
伝送する複数Ｎ本の第２の光導波路と、上記複屈折性光
導波路基板上に形成され、上記複数Ｍ本の第１の光導波
路から出力される複数Ｍ個の光信号をそれぞれ、上記複
数Ｎ本の第２の光導波路に分配する第３の光導波路と、
上記複数Ｍ本の第１の光導波路から上記第３の光導波路
及び上記複数Ｎ本の第２の光導波路を介して伝送される
複数Ｎ個の光信号にそれぞれ含まれる２つの偏波成分を
偏光抽出して出力する偏光子手段と、上記偏光子手段か
ら出力される各光信号に含まれる２つの偏波成分を混合
して当該２つの偏波成分の周波数差に等しい周波数をそ
れぞれ有する複数Ｎ個の無線信号をそれぞれ上記複数Ｎ
個のアンテナ素子に出力する複数Ｎ個の混合手段とを備
え、上記各混合手段から出力された複数Ｎ個の無線信号
を、それぞれ対応する各アンテナ素子から放射すること
により、上記複数Ｎ個の波長可変光源装置によって発生
される光の波長に対応した所望の指向方向にビームを形
成して複数の無線信号を放射する。従って、本発明によ
れば以下の特有の効果を有する。 （１）複数Ｎ本のビームからなるマルチビームアンテナ
の放射する各ビームの指向方向を、複数Ｎ個の波長可変
光源装置の発光波長を変化することにより独立に制御で
き、しかも、第２の従来例に比較して機械的な機構を用
いていないので高精度で制御できる。 （２）従来のマイクロ波回路で構成する場合に比べて、
簡単な構成で形成することができ、広帯域の信号を取り
扱い伝送することができる。 （３）少なくとも複屈折性光導波路基板上に光導波路と
して光集積化が可能であり、実用性が高く小型軽量化す
ることができ、これによって製造コストを大幅に低減で
きる。

【００５０】また、請求項２記載の光制御型フェーズド
アレーアンテナ装置によれば、請求項１記載の光制御型
フェーズドアレーアンテナ装置において、上記複数Ｎ個
の波長可変光源装置から出力される各光信号の２つの偏
波成分のうちの所定の一方の偏波成分を、入力されるデ
ジタル信号に従って変調して上記各第１の光導波路に出
力する複数Ｎ個の光変調手段をさらに備える。従って、
複数Ｎ本のビームからなるマルチビームアンテナの放射
する各ビームの指向方向を、複数Ｎ個の波長可変光源装
置の発光波長を変化することにより独立に制御でき、し
かも各ビームをデジタル信号で変調できる。

【００５１】さらに、請求項３記載の光制御型フェーズ
ドアレーアンテナ装置によれば、請求項１又は２記載の
光制御型フェーズドアレーアンテナ装置において、上記
第２と第３の光導波路はＴｉ拡散法により形成され、上
記偏光子手段はラミポール型偏光子である。従って、当
該装置の構成は、複屈折性光導波路基板上に光導波路と
して光集積化が可能であり、実用性が高く小型軽量化す
ることができ、これによって製造コストを大幅に低減で
きる。

【００５２】また、請求項４記載の光制御型フェーズド
アレーアンテナ装置によれば、請求項１乃至３のうちの
１つに記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置に
おいて、上記複数Ｎ個の波長可変光源装置は、互いに異
なる周波数差を有する光信号を発生して出力し、これに
よって、上記各混合手段から出力された互いに異なる周
波数を有する複数Ｎ個の無線信号を、それぞれ対応する
各アンテナ素子から放射する。従って、複数Ｎ本のビー
ムからなるマルチビームアンテナの放射する各ビームの
指向方向を、複数Ｎ個の波長可変光源装置の発光波長を
変化することにより独立に制御でき、しかも各ビームの
周波数を異ならせることができる。

【００５３】さらに、請求項５記載の光制御型フェーズ
ドアレーアンテナ装置によれば、請求項１乃至３のうち
の１つに記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置
において、上記複数Ｎ個の波長可変光源装置は、互いに
同一の周波数差を有する光信号を発生して出力し、これ
によって、上記各混合手段から出力された互いに同一の
周波数を有する複数Ｎ個の無線信号を、それぞれ対応す
る各アンテナ素子から放射する。従って、複数Ｎ本のビ
ームからなるマルチビームアンテナの放射する各ビーム
の指向方向を、複数Ｎ個の波長可変光源装置の発光波長
を変化することにより独立に制御でき、しかも各ビーム
の周波数を同一にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る第１の実施形態である波長可変
光源装置１０の構成を示すブロック図である。

【図２】 図１の波長可変光源装置１０の動作を示す出
力光強度の波長特性を示すスペクトル図である。

【図３】 図１のウォラストンプリズム３の動作原理を
示す側面図である。

【図４】 本発明に係る第２の実施形態である光制御型
フェーズドアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図
である。

【図５】 図２の複屈折性光導波路装置８０の各光導波
路の屈折率の波長依存特性を示すグラフである。

【図６】 図２の光制御型フェーズドアレーアンテナ装
置において波長可変光源装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃに
よる波長可変時の隣接アンテナ素子間の位相差を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１…レーザダイオード、 １ａ…ＡＲコート、 ２…集光レンズ、 ３…ウォラストンプリズム、 ４…デポラライザ、 ５…偏光子、 ６…回折格子板、 ７…回転モータ、 ８…可変電圧直流電源、 ９ａ，９ｂ…電極、 １０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…波長可変光源装置、 １１…集光レンズ、 １２，１５，１７…光アイソレータ、 １３…出射光ファイバケーブル、 １４…偏向ビームスプリッタ、 １６…９０度偏波回転器、 １８…光ファイバカプラー、 １８ａ，１８ｂ…光ファイバケーブル、 １９…フォトダイオード、 ２０…光無反射終端器、 ２１…スペクトルアナライザ、 ３０…ビームコントローラ、 ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ…外部光変調器（ＥＯＭ）、 ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ…偏
向ビームスプリッタ、 ４０…複屈折性光導波路基板、 ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ…光導波路、 ４２…Ｔｉ拡散による２次元光導波路、 ４３…Ｔｉ拡散による３次元光導波路、 ４４−１乃至４４−Ｎ…光導波路、 ４５…ラシポール型偏光子、 ５１−１乃至５１−Ｎ…フォトダイオード、 ５２−１乃至５２−Ｎ…無線周波電力増幅器、 ５３−１乃至５３−Ｎ…アンテナ素子、 ６０ａ，６０ｂ，６０ｃ…光変調装置、 ７０…アレーアンテナ、 ８０…複屈折性光導波路装置、 １００…外部共振器型半導体レーザ装置、 Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３…ビーム。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の間隔で配列された複数Ｎ個のアン
   テナ素子を備えたアレーアンテナと、 互いに直交する２つの偏波成分の波長の周波数差を一定
   に保持しながら発光する光の波長を変化可能な複数Ｍ個
   の波長可変光源装置と、 複屈折性光導波路基板上に形成され、上記各波長可変光
   源装置から出力されるＭ個の光信号を伝送する複数Ｍ本
   の第１の光導波路と、 上記複屈折性光導波路基板上に互いに所定の光路長差を
   有して形成され、複数Ｎ個の光信号を伝送する複数Ｎ本
   の第２の光導波路と、 上記複屈折性光導波路基板上に形成され、上記複数Ｍ本
   の第１の光導波路から出力される複数Ｍ個の光信号をそ
   れぞれ、上記複数Ｎ本の第２の光導波路に分配する第３
   の光導波路と、 上記複数Ｍ本の第１の光導波路から上記第３の光導波路
   及び上記複数Ｎ本の第２の光導波路を介して伝送される
   複数Ｎ個の光信号にそれぞれ含まれる２つの偏波成分を
   偏光抽出して出力する偏光子手段と、 上記偏光子手段から出力される各光信号に含まれる２つ
   の偏波成分を混合して当該２つの偏波成分の周波数差に
   等しい周波数をそれぞれ有する複数Ｎ個の無線信号をそ
   れぞれ上記複数Ｎ個のアンテナ素子に出力する複数Ｎ個
   の混合手段とを備え、 上記各混合手段から出力された複数Ｎ個の無線信号を、
   それぞれ対応する各アンテナ素子から放射することによ
   り、上記複数Ｎ個の波長可変光源装置によって発生され
   る光の波長に対応した所望の指向方向にビームを形成し
   て複数の無線信号を放射する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。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光制御型フェーズドアレ
   ーアンテナ装置において、 上記複数Ｎ個の波長可変光源装置から出力される各光信
   号の２つの偏波成分のうちの所定の一方の偏波成分を、
   入力されるデジタル信号に従って変調して上記各第１の
   光導波路に出力する複数Ｎ個の光変調手段をさらに備え
   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。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の光制御型フェーズ
   ドアレーアンテナ装置において、 上記第２と第３の光導波路はＴｉ拡散法により形成さ
   れ、上記偏光子手段はラミポール型偏光子であることを
   特徴とする光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のうちの１つに記載の光
   制御型フェーズドアレーアンテナ装置において、 上記複数Ｎ個の波長可変光源装置は、互いに異なる周波
   数差を有する光信号を発生して出力し、これによって、
   上記各混合手段から出力された互いに異なる周波数を有
   する複数Ｎ個の無線信号を、それぞれ対応する各アンテ
   ナ素子から放射する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。
5. 【請求項５】 請求項１乃至３のうちの１つに記載の光
   制御型フェーズドアレーアンテナ装置において、 上記複数Ｎ個の波長可変光源装置は、互いに同一の周波
   数差を有する光信号を発生して出力し、これによって、
   上記各混合手段から出力された互いに同一の周波数を有
   する複数Ｎ個の無線信号を、それぞれ対応する各アンテ
   ナ素子から放射する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。