JP4007493B2 - 光制御型フェーズドアレーアンテナ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光波によりアレイアンテナから放射するマイクロ波ビームを制御する光制御型フェーズドアレーアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１４は、例えば特開平０３−０４４２０２号公報に開示された従来の光制御型フェーズドアレーアンテナのブロック図である。図１４において、光放射器１００の内部に設けられたレーザから放射されるビーム光を２つの分岐光に分岐し、一方の分岐光の周波数をマイクロ波発振器２から入力されるマイクロ波信号の周波数だけ偏移させて第１のビーム光１０として出力し、他方の分岐光をそのまま第２のビーム光１７として出力する。
【０００３】
光放射器１００から放射された第１のビーム光１０は、ミラー１０１を介してイメージマスク１０２に入射され、イメージマスク１０２を透過する。イメージマスク１０２は入射された第１のビーム光を、例えば扇形ビームパターンなどの所望のアンテナ放射パターンのビーム形状に対応したビーム光１１に変換して、フーリエ変換レンズ３０に放射する。
【０００４】
一方、光放射器１００から放射された第２のビーム光１７は分布調整器１０３に放射され、分布調整器１０３は、第２のビーム光１７を所定の強度分布に調整し、調整後の第２のビーム光１７をローカルビーム光１８としてビーム合成器３５に放射する。
【０００５】
光合成器すなわちビーム合成器３５は、フーリエ変換レンズ３０を透過した第１のビーム光１１と分布調整器１０３からのローカルビーム光１８とを混合して合成した後、合成光をサンプリング光ファイバアレー４０に放射する。
【０００６】
サンプリング光ファイバアレー４０は、所定の間隔をおいて光ファイバの長手方向が平行になるように、ある平面に並置された複数Ｎ本の光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎから成り、このサンプリング光ファイバアレーに入射される合成光は、空間的にサンプリングされ各光ファイバを伝搬する。サンプリング光ファイバアレー４０に入射された合成光は、Ｎ本の光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎを介して、各々光電変換器５０−１乃至５０−Ｎに入射される。
【０００７】
光電変換器５０−１乃至５０−Ｎはそれぞれ、入射された上記第１のビーム光１１と上記ローカルビーム光１８である第２のビーム光１７の差の周波数であって、入力されるビーム光１１とローカルビーム光１８との振幅の積に比例し、かつその位相に一致したマイクロ波信号に光電変換した後、電力増幅器５１−１乃至５１−Ｎを介し、アレーアンテナ５３を構成する直線上あるいは平面上に並置されるアンテナ素子５２−１乃至５２−Ｎに出力する。
【０００８】
イメージマスク１０２をフーリエ変換レンズ３０の前側焦点面３１に、サンプリング光ファイバアレー４０をフーリエ変換レンズ３０の後側焦点面３２に設置すると、イメージマスク１０２のパターンと、サンプリング光ファイバアレー４０のサンプリング面上での第１のビーム光１０のファーフィールドパターンとは、お互いにフーリエ変換の関係となる。
【０００９】
さらに、各アンテナ素子５２−１乃至５２−Ｎから放射される各マイクロ波信号強度の分布と、これらが合成されたアレーアンテナ５３からの放射ビーム５４のパターンとはお互いにフーリエ変換の関係がある。
【００１０】
以上の様に、フーリエ変換レンズ３０透過時およびアレーアンテナ５３放射時の合計２回のフーリエ変換が行われるので、アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４のパターンはイメージマスク１０２で設定されるパターンに対応する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１４に示された従来例の光制御型フェーズドアレーアンテナは、イメージマスク１０２を透過させることにより、アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４のパターンを設定しているため、放射ビーム５４の放射パターンを変えるにはイメージマスク１０２を取り替えなければならないため制御の柔軟性に欠け、パターン生成速度が制限されるなどの問題点があった。
【００１２】
さらに、放射ビーム５４を走査するには、イメージマスク１０２を動かさなければならず、機械的な可動部が必要となる等の問題点があった。
【００１３】
また、前述の公報にはイメージマスク１０２として液晶素子などの透過型空間光強度変調素子を用いることも可能であると示されている。液晶素子を用いることにより制御の柔軟性は向上し、機械的な可動部をなくすことが可能となるが、一般的な液晶素子の応答時間は１０から数１０ｍｓｅｃオーダであるため、ビーム走査またはビーム生成速度も１０から数１０ｍｓｅｃオーダに制限される。また、一般的な液晶素子は温度依存性があり低温での動作が困難であるため、使用できる環境が制限される。また、一般的な透過型空間光変調素子では、アレーを構成する各光変調素子に制御信号を送る線路により透過光が遮断されるために開口率が制限され信号強度が弱くなるなど、液晶素子などの透過型空間光強度変調素子をイメージマスクに用いても様々な課題がある。
【００１４】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、簡易な構成でフーリエ変換レンズの前側焦点面上に任意の形状の光強度分布を容易にかつ高速に生成することにより、所望のパターンのアレーアンテナ放射ビームを高速に生成できる光制御型フェーズドアレーアンテナを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、レーザから放射した光を第１、第２の分岐光に分岐する光分岐部と、第１の分岐光の周波数を変換する光周波数変換器と、周波数変換された第１の分岐光を所望の空間強度分布で反射する、多数の反射鏡を含む反射型空間光強度変調素子と、この反射型空間光強度変調素子で反射した第１の分岐光を透過するフーリエ変換レンズと、このフーリエ変換レンズを透過した第１の分岐光と前記第２の分岐光とを合成する光合成器と、この光合成器による合成光を空間的にサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、前記反射型空間光強度変調素子の各反射鏡による反射光の空間強度分布を制御することで、前記アレーアンテナからの放射ビームを制御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にある。
【００１６】
また、上記光制御型フェーズドアレーアンテナにおいて、前記反射型空間光強度変調素子で、同時に複数の領域で反射鏡を制御して、前記アレーアンテナから同時に複数のビームを放射することを特徴とする。
【００１７】
また、レーザ光を３つ以上のＭ個に分岐する光分岐部と、第１から第Ｍ−１の分岐光に対し各々の分岐光の周波数を変換するＭ−１個の光周波数変換器と、周波数変換されたＭ−１個の分岐光について各々の光の反射強度分布を制御するそれぞれ多数の反射鏡を含むＭ−１個の反射型空間光強度変調素子と、これらの反射型空間光強度変調素子からのＭ−１個の反射光を合成する第１の光合成器と、この第１の光合成器からの合成光を透過するフーリエ変換レンズと、このフーリエ変換レンズの透過光と第Ｍの分岐光を合成する第２の光合成器と、この第２の光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、アレーアンテナから放射する複数のビームを独立に制御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にある。
【００１８】
また、レーザ光を３つ以上のＭ個に分岐する光分岐部と、第１から第Ｍ−１の分岐光に対し各々の分岐光の周波数を変換するＭ−１個の光周波数変換器と、周波数変換されたＭ−１個の分岐光について各々の光の反射強度分布を制御するそれぞれ多数の反射鏡を含むＭ−１個の反射型空間光強度変調素子と、これらのＭ−１個の反射型空間光強度変調素子からのＭ−１個の反射光の各々を透過するＭ−１個のフーリエ変換レンズと、これらのフーリエ変換レンズを透過したＭ−１個の透過光を合成する第１の光合成器と、Ｍ−１個の透過光が合成された合成光と、第Ｍの分岐光を合成する第２の光合成器と、この第２の光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、アレーアンテナから放射する複数のビームを独立に制御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にある。
【００１９】
また、それぞれ前記レーザ、光分岐部、光周波数変換器、反射型空間光強度変調素子、フーリエ変換レンズおよび光合成器からなる複数の構成部と、前記各構成部から放射された光を合成する第２の光合成器と、この第２の光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、アレーアンテナから放射する複数のビームを独立に制御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にある。
【００２１】
また、レーザから放射した光を第１、第２の分岐光に分岐する光分岐部と、第１の分岐光の周波数を変換する光周波数変換器と、前記第２の分岐光および周波数変換された第１の分岐光を所望の強度分布で反射する、多数の反射鏡を含む反射型空間光強度変調素子と、この反射型空間光強度変調素子で反射した第１、第２の分岐光を透過するフーリエ変換レンズと、このフーリエ変換レンズの透過光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、前記反射型空間光強度変調素子の各反射鏡による反射光の空間強度分布を制御することで、前記アレーアンテナからの放射ビームを制御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にある。
【００２２】
また、光ファイバアレーを構成する複数Ｎ本の光ファイバの長さを、光ファイバアレーでの位置により変えたことを特徴とする。
【００２３】
また、各光ファイバに接続された各々の光電変換器とアンテナ素子間にマイクロ波移相器または遅延線路を挿入し、各移相量または遅延量が各光ファイバで異なることを特徴とする。
【００２４】
また、光ファイバアレーを構成する各光ファイバ中に可変光遅延線路を設けたことを特徴とする。
【００２５】
また、各光電変換器と各アンテナ素子間に可変マイクロ波移相器または可変遅延線路を設けたことを特徴とする。
【００２６】
また、光周波数変換器で周波数変換されない分岐光を合成する光合成器の代わりに、光導波路型の光合成器を光ファイバアレーの各光ファイバに設け、光ファイバアレーで合成することを特徴とする。
【００２７】
また、反射型空間光強度変調素子の反射鏡を制御する領域の面積を変えることで、アレーアンテナから放射するビームの幅を制御することを特徴とする。
【００２８】
また、反射型空間光強度変調素子の反射鏡で、多数の反射鏡の隣接する複数の反射鏡を同時に制御し、これをずらしながらアレーアンテナから放射するビームを制御することを特徴とする。
【００２９】
また、反射型空間光強度変調素子の多数の反射鏡を複数の領域を同時に制御し、各領域内の制御する反射鏡の数を変えることで、アレーアンテナから放射するビームの形状を制御することを特徴とする。
【００３０】
また、光ファイバアレーの光サンプリング側にレンズアレーを設けたことを特徴とする。
【００３１】
また、円筒形状で屈折率が外周に近づくに従い低くなるレンズを設けたことを特徴とする。
【００３２】
また、光ファイバアレーを構成する各光ファイバのサンプリング側に、分布屈折率型光ファイバを接続したことを特徴とする。
【００３３】
また、前記光ファイバアレーの代わりに前記複数の光電変換器を前記光合成器による合成光をサンプリングするサンプリング面にアレー状に配したことを特徴とする。
【００３４】
また、前記光分岐部および周波数変換器の代わりに、レーザから放射した光を変調する変調手段と、変調により発生した複数の周波数成分のレーザ光の中から複数の光を抽出する光帯域フィルタと、を備えたことを特徴とする。
【００３５】
また、前記光分岐部および周波数変換器の代わりに、複数の波長を同時に放射するレーザと、レーザ放射光の中から周波数の異なる複数のレーザ光を抽出する光帯域フィルタと、をさらに備えたことを特徴とする。
【００３６】
また、前記光分岐部および周波数変換器の代わりに、複数のレーザと、これらの各レーザからの光の波長の互いの同期をとる位相同期回路と、を備え、各レーザから放射した光を分岐光としたことを特徴とする。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下この発明を各実施の形態に従って説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。図１において、レーザ１から放射される光を２つの分岐光に分岐し(例えばレーザ１の出力端あるいはレーザ１と別体にその出力側に光分岐部(特に図示せず)を有する)、一方の分岐光をその周波数を、光周波数変換器３によりマイクロ波発振器２から入力されるマイクロ波信号の周波数に応じて偏移させて第１のビーム光１０として出力し、他方の分岐光はそのまま第２のビーム光１７として出力する。光の周波数を偏移させる光周波数変換器としては、例えば音響光学効果(Ａ／Ｏ)を用いた光周波数シフタが商品化されている。
【００３８】
第１のビーム光１０は、必要に応じて光ファイバ９、レンズ８を介して、所定のビーム幅に変換して反射型空間光強度変調素子２０に照射する。反射型空間光強度変調素子２０は、多数の微小な反射鏡２１がアレー状に配置されており、一つ一つの反射鏡の反射特性を変えることで、反射光の空間強度分布を制御できる。反射光の空間強度分布の制御特性として、例えば１０μｓｅｃのオーダーで高速に制御できるものや、反射鏡の開口率が８０％以上の高いものも報告されている。
【００３９】
反射型空間光強度変調素子２０に入射した第１のビーム光１０は、アレー状に配置された各々の微小な反射鏡２１により、反射光の空間強度分布を制御できる。反射型空間光強度変調素子２０の各反射鏡の制御に対応した強度分布で、反射型空間光強度変調素子２０に入射した第１のビーム光１０の一部はフーリエ変換レンズ３０の方向に反射し、フーリエ変換レンズ３０を透過する。
【００４０】
以下、反射型空間光強度変調素子２０を構成する各反射鏡２１の状態を、各反射鏡２１に入射したビーム光１０がフーリエ変換レンズ３０を透過する反射光１１となる場合をオンと定義し、その他の場合をオフと定義する。オン状態の反射鏡２１のパターンで、第１のビーム光１０が反射して、フーリエ変換レンズ３０へ入射する。
【００４１】
一方、レーザ１から放射した第２のビーム光１７はレンズ８を介して所定のビーム幅に変換し、変換後の第２のビーム光をローカルビーム光１８としてビーム(光)合成器３５に放射する。
【００４２】
ビーム合成器３５は、フーリエ変換レンズ３０を透過した第１のビーム光１１と、ローカルビーム光１８とを混合して合成した後、合成光をサンプリング光ファイバアレー４０に放射する。
【００４３】
サンプリング光ファイバアレー４０は、所定の間隔をおいて光ファイバの長手方向が平行になるように、ある平面に並置された複数Ｎ本の光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎから成り、このサンプリング光ファイバアレーに入射される合成光は、空間的にサンプリングされ各光ファイバを伝搬する。サンプリング光ファイバアレー４０に入射された合成光は、Ｎ本の光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎを介して、各光電変換器５０−１乃至５０−Ｎに入射される。
【００４４】
光電変換器５０−１乃至５０−Ｎはそれぞれ、入射された上記第１のビーム光１１と上記ローカルビーム光１８である第２のビーム光１７の差の周波数であって、入力されるビーム光１１とローカルビーム光１８の振幅の積に比例し、かつその位相差に一致したマイクロ波信号に光電変換した後、電力増幅器５１−１乃至５１−Ｎを介し、アレーアンテナ５３を構成する直線上あるいは平面上に並置されるアンテナ素子５２−１乃至５２−Ｎに出力する。
【００４５】
反射型空間光強度変調素子２０をフーリエ変換レンズ３０の前側焦点面３１に、サンプリング光ファイバアレー４０をフーリエ変換レンズ３０の後側焦点面３２に設置すると、反射型空間光強度変調素子２０中のオンにした反射鏡２１のパターンと、サンプリング光ファイバアレー４０のサンプリング面上での第１のビーム光１１のパターンとは、お互いにフーリエ変換の関係となる。
【００４６】
さらに、各アンテナ素子５２−１乃至５２−Ｎから放射される各マイクロ波信号の分布と、これらが合成されたアレーアンテナ５３からの放射ビーム５４のファーフィールドパターンとはお互いにフーリエ変換の関係がある。
【００４７】
以上のように、フーリエ変換レンズ３０透過時およびアレーアンテナ５３放射時に合計２回のフーリエ変換が行われるので、アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４のファーフィールドパターンは反射型空間光強度変調素子２０のオンにした反射鏡２１のパターンに対応する。
【００４８】
例えば、反射型空間光強度変調素子２０の中から１つの反射鏡２１のみをオンにした場合の、アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４の主ビームの方向について、１次元の場合で説明する。オンにする反射鏡２１の位置をフーリエ変換レンズ３０の光軸を原点にＸとおく。フーリエ変換レンズ３０の焦点距離をｆ、フーリエ変換レンズ３０の後側焦点面であるサンプリング面３２におけるサンプリング光ファイバアレー４０を構成する光ファイバ４１間の間隔をｄｏ、アレーアンテナ５３を構成する各アンテナ素子５２の素子間隔をｄｍ、レーザ光１の波長をλｏ、光電変換器５０で発生するマイクロ波の波長をλｍとおく。アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４の主ビームの方向をアレーアンテナ５３の正面方向からの角度θで表すと、角度θは
【００４９】
ｓｉｎθ＝{(ｄｏ／λｏ)／(ｄｍ／λｍ)}×Ｘ／ｆ
とおける。
【００５０】
オンにする反射鏡２１を順次切り替えることにより、アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４を走査することができる。例えば、ｄｏ＝１ｍｍ、λｏ＝１.５５μｍ、ｄｍ＝１.５ｃｍ、λｍ＝３.０ｃｍ、ｆ＝２００ｍｍとおくと、Ｘ＝５０μｍでは、アレーアンテナ５３から放射するマイクロ波の放射ビーム(主ビーム)５４の方向θは１８.８度、Ｘ＝１００μｍではθは４０.２度となる。
【００５１】
本計算例は、１次元のビーム走査について示したものであるが、反射型空間光強度変調素子２０を構成する反射鏡２１を２次元に配置し、サンプリング光ファイバアレー４０及びアレーアンテナ５３をそれぞれ２次元で構成すれば、放射ビーム５４の２次元走査も可能である。
【００５２】
以上のように、第１のビーム光１１の空間強度分布を反射型空間光強度変調素子２０による反射光で形成するので、フーリエ変換レンズ３０方向に放射するビーム光１１の空間分布を高速かつ柔軟に制御することができ、アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４を任意のパターンで高速かつ柔軟に制御できる。また、オンにする反射鏡２１を順次切り替えることにより、２次元の高速ビーム走査も可能となる。
【００５３】
実施の形態２．
以上の実施の形態１では、反射型空間光強度変調素子２０を構成する多数の反射鏡２１の中から、オンにする一つの反射鏡２１を順次切り替えて走査していたが、次に複数の反射鏡２１を同時にオンにした場合、アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４を同時に複数の方向へ発生させる実施の形態を示す。
【００５４】
図２は、この発明の実施の形態２による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図であり、このような場合の、反射型空間光強度変調素子２０での反射光１１の様子を示したものである。図２では反射型空間光強度変調素子２０を構成する反射鏡２１の中から、一番上の反射鏡２１と、一番下の反射鏡２１の２つの反射鏡２１をオンにしている。反射型空間光強度変調素子２０の２カ所で反射した２つの第１のビーム光１１−１および１１−２は、それぞれ異なる傾きでサンプリング光ファイバアレー４０に入射し、それぞれの傾きに相当する位相情報を保持したまた光電変換器５０−１乃至５０−Ｎでマイクロ波信号に光電変換されアレーアンテナ５３から放射される。
【００５５】
たとえば、図２のように反射光１１−１、１１−２により放射ビーム５４−１、５４−２をそれぞれ生成できる。このように、オンにする反射鏡２１の数、位置に応じて、放射ビーム５４を同時に複数の方向に向けることができる。
【００５６】
実施の形態３．
以上の実施の形態２では、一つの反射型空間光強度変調素子２０を用いて複数の方向に同じ周波数、信号が重畳された放射ビーム５４を発生させたものであるが、次に周波数、重畳信号が異なる複数の放射ビーム５４を発生できる実施の形態を示す。
【００５７】
図３はこの発明の実施の形態３による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図であり、周波数、重畳信号が異なる複数の放射ビームの生成、制御が可能な光制御型フェーズドアレーアンテナの構成図である。図３において、レーザ光１から放射した光を３つに分岐し、図１と同様に一つの分岐光はアレーアンテナ５３から放射させる第１の放射ビーム５４−１の周波数と等しい周波数だけ第１の光周波数変換器３−１で偏移させ、第１の反射型空間光強度変調素子２０−１に第１のビーム光１０−１として照射させる。また、一つの分岐光はアレーアンテナ５３から放射させる第２の放射ビーム５４−２の周波数と等しい周波数だけ第２の光周波数変換器３−２で偏移させ、第２の反射型空間光強度変調素子２０−２に第２のビーム光１０−２として照射させる。さらに、一つの分岐光は周波数を変えずに、図１と同様に空間に放射し、ローカルビーム光１８としてビーム合成器３５−１に照射する。
【００５８】
第１、第２のビーム光１０−１、１０−２はそれぞれ第１、第２の反射型空間光強度変調素子２０−１、２０−２のオンにした反射鏡２１の空間分布で反射し、各反射光１１−１、１１−２は、第１、第２の反射型空間光強度変調素子２０−１、２０−２とフーリエ変換レンズ３０との間に設置したビーム合成器３５−２により合成され、フーリエ変換レンズ３０へ放射する。
【００５９】
この合成光はフーリエ変換レンズ３０を透過し、ビーム合成器３５−１によりローカルビーム光１８と合成し、サンプリング光ファイバアレー４０に放射する。サンプリング光ファイバアレー４０を構成する各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎに入射した光は、各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎを伝搬し、各々光電変換器５０−１乃至５０−Ｎにより電気信号に変換される。
【００６０】
光電変換器５０−１乃至５０−Ｎでは、第１のビーム光１０−１とローカルビーム光１８との周波数の差と等しい第１のマイクロ波信号と、第２のビーム光１０−２とローカルビーム光１８との周波数の差と等しい第２のマイクロ波信号が発生する。各光電変換器５０−１乃至５０−Ｎで発生するマイクロ波信号の強度、位相はそれぞれ第１、第２のビーム光１１−１、１１−２の振幅と基準光の振幅の積に比例し、位相に対応するものが独立に発生する。
【００６１】
これらの第１、第２のマイクロ波信号をアレーアンテナ５３を構成する各アンテナ素子５２−１乃至５２−Ｎに給電することにより、アレーアンテナ５３から２つの放射ビーム５４−１、５４−２が放射される。
【００６２】
本実施の形態の構成では、二つの反射型空間光強度変調素子２０−１乃至２０−２に別々の光を照射し、各反射型空間光強度変調素子２０−１、２０−２を独立に制御できるため、２つの放射ビーム５４−１、５４−２は各々独立して制御できる。
【００６３】
また本実施の形態は、２つの反射型空間光強度変調素子２０−１、２０−２を用いて、アレーアンテナ５３の２つの放射ビーム５４−１、５４−２を発生させるものであるが、レーザ１から放射した光をさらに分岐し、新たな反射型空間光強度変調素子２０で反射光を制御し、新たなビーム合成器３５で合成させることにより、アンテナから放射させるビーム５４を追加させることができる。
【００６４】
実施の形態４．
以上の実施の形態では、フーリエ変換レンズ３０に対して、サンプリング光ファイバアレー４０と反対側の空間で第１、第２のビーム光を光合成器３５で合成させた後、第１、第２のビーム光１１−１、１１−２を同一のフーリエ変換レンズ３０に入射させていたが、次に、第１、第２のビーム光を別々のフーリエ変換レンズ３０に入射させる実施の形態を示す。
【００６５】
図４はこの発明の実施の形態４による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図であり、このような場合の構成を説明したものである。第１、第２のビーム光１０−１、１０−２を各々別々の反射型空間光強度変調素子２０−１、２０−２に照射し、各々の反射光１１−１、１１−２を別々のフーリエ変換レンズ３０−１、３０−２に入射させ、各々のフーリエ変換レンズ透過光を第１のビーム合成器３５−１で合成し、合成光を第２のビーム合成器３５−２により基準光１８と合成し、サンプリングアレー４０に照射する。
【００６６】
アレーアンテナ５３から複数の放射ビーム５４毎に反射型空間光強度変調素子２０、フーリエ変換レンズ３０を使用できるため、複数の放射ビーム５４を生成させるときの柔軟性が向上する。
【００６７】
実施の形態５．
以上の実施の形態では、第１、第２の反射型空間光強度変調素子２０−１、２０−２での反射ビーム光１１−１、１１−２を合成させた後、一つのローカルビーム光１８と合成させていたが、次に、各アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４毎に異なるローカルビーム光１８を使用する実施の形態を示す。
【００６８】
図５はこの発明の実施の形態５による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図であり、このような場合の構成を説明するものである。第１のレーザ１−１から放射した光を２つに分岐し、一つの分岐光を第１の光周波数変換器３−１により、アレーアンテナ５３から放射させる第１のマイクロ波の放射ビーム５４−１の周波数分、周波数を偏移させ、第１のビーム光１０−１として第１の反射型空間光強度変調素子２０−１に照射させる。別の分岐光はそのままレンズ８−１でビーム幅を調整して第１のビーム合成器３５−１に放射させる。
【００６９】
同様に、第２のレーザ１−２から放射した光を２つに分岐し、一つの分岐光を第２の光周波数変換器３−２により、第２のマイクロ波の放射ビーム５４−２の周波数分、周波数を偏移させ、第２のビーム光１０−２として第２の反射型空間光強度変調素子２０−２に照射させる。別の分岐光はそのままレンズ８−２でビーム幅を調整して第２のビーム合成器３５−２に放射させる。
【００７０】
第１のビーム光は第１の反射型空間光強度変調素子２０−１で所定の強度分布で反射し、第１のフーリエ変換レンズ３０−１を透過し、この第１の透過光１１−１は前述の第１の基準光と第１のビーム合成器３５−１で合成される。
【００７１】
同様に、第２のビーム光は第２の反射型空間光強度変調素子２０−２で所定の強度分布で反射し、第２のフーリエ変換レンズ３０−２を透過し、この第２の透過光１１−２は前述の第２の基準光と第２のビーム合成器３５−２で合成される。
【００７２】
以上の２つの合成光を第３のビーム合成器３５−３で合成し、サンプリング光ファイバアレー４０に照射、サンプリングさせ、サンプリングされた合成光は各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎを介して光電変換器５０−１乃至５０−Ｎで光電変換され、マイクロ波信号が発生する。このマイクロ波信号はマイクロ波のアレーアンテナ５３から放射する。
【００７３】
アレーアンテナから放射させるビーム５４毎に異なるレーザを用いるので、例えば、マイクロ波ビーム毎にレーザ光の波長帯を変えた光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎへの波長多重し、光波長フィルタを挿入することにより、光の波長帯により異なる光検出器(光電変換器)およびアレーアンテナに分岐することも可能である。
【００７４】
実施の形態６．
前述の実施の形態では、ローカルビーム光１８とフーリエ変換レンズ透過光１１とを光合波器３５で合成し、サンプリング光ファイバアレー４０に入射させていたが、図６に示すようにローカルビーム光１８を反射型空間光強度変調素子２０側から放射させ、フーリエ変換レンズ３０側を透過させてもよい。これにより光合成器を省略できる。
【００７５】
実施の形態７．
前述の実施の形態では、ローカルビーム光１８を直接フーリエ変換レンズ３０に入射させていたが、図７に示すようにローカルビーム光１８をレンズ８−２を介して、反射型空間光強度変調素子２０に照射し反射させて、フーリエ変換レンズ３０を透過させてもよい。
【００７６】
これにより、ローカルビーム光１８と第１のビーム光１１がフーリエ変換レンズに入射する角度差は小さくなるため、フーリエ変換レンズ３０の収差の影響を軽減できる。また、ローカルビーム光１８の強度分布を反射型空間光強度変調素子２０により制御できるため、ビーム走査、ビーム成型の制御の柔軟性が向上する。
【００７７】
実施の形態８．
前述の２つの実施の形態では、フーリエ変換レンズ３０に入射する反射型空間光強度変調素子２０で反射したビーム光１１と、ローカルビーム光１８の向きを一致させることができないため、各光電変換器５０−１乃至５０−Ｎに入射する合成光の位相を一致させることができず、アレーアンテナ５３の正面方向など、放射ビーム５４を向けることができない方向が存在する。
【００７８】
そこで本実施の形態では、光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎの長さをビーム光１１とローカルビーム光１８の傾きに応じて変える。例えば、反射型空間光強度変調素子２０の中心の素子にビーム光１０を照射したときに、各光電変換器５０−１乃至５０−Ｎで光電変換された電気信号の位相が全て一致するように各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎの長さを校正することにより、アレーアンテナ５３の正面方向にも放射ビーム５４を向けることができる。
【００７９】
実施の形態９．
前述の実施の形態では、各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎの長さを変えることにより校正するものであるが、これは光電変換器５０−１乃至５０−Ｎとアンテナ素子５２−１乃至５２−Ｎ間にマイクロ波の移相器、あるいは遅延線路を挿入して各光ファイバで移相量や遅延量が異なるようにしてもよい。
【００８０】
実施の形態１０．
また、既に述べたいずれの実施の形態において、全ての光ファイバ５０−１乃至５０−Ｎの長さ、及び光電変換器５０−１乃至５０−Ｎの出力端からアレーアンテナ５４の各アンテナ素子５３−１乃至５３−Ｎまでの線路長の長さに誤差があるとアレーアンテナ５３から放射するビーム５４の形状が所望の形状と異なってしまう。
【００８１】
これは光電変換器５０−１乃至５０−Ｎとアンテナ素子５３−１乃至５３−Ｎ間に可変マイクロ波移相器あるいは可変マイクロ波遅延線(線路)を挿入することにより、光ファイバ、あるいはマイクロ波線路長に製造誤差があったり、環境による変動が生じても補正できる。
【００８２】
また、この補正は、各サンプリング光ファイバ５０−１乃至５０−Ｎ線路中に可変光遅延線を挿入してもよい。マイクロ波の移相器はマイクロ波の周波数依存性があるが、光遅延線(線路)はマイクロ波の周波数に依存しないため、広帯域マイクロ波信号にも対応できる。
【００８３】
実施の形態１１．
以上の実施の形態では、反射型空間光強度変調素子２０で反射した第１のビーム光１１とローカルビーム光１８とを光合成器３５で空間的に合成し、サンプリング光ファイバアレー４０に照射させていたが、図８に示すように、第１のビーム光１１のみをサンプリング光ファイバアレー４０でサンプリングし、サンプリング光と、ローカルビーム光１８を平板光導波路や光ファイバなどによる光導波路型の光合成器４２−１乃至４２−Ｎを用いて光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎ中で合成しても良い。これにより光学系のアライメントを容易にすることができる。
【００８４】
実施の形態１２．
以上に述べた各実施の形態では、反射型空間光強度変調素子２０の中から一つの反射鏡２１をオンにして、オンにする反射鏡２１を順次切り替えることにより放射ビーム５４を走査しているが、これは図９に示すように隣接する複数の反射鏡２１を同時にオンにしても良い。
【００８５】
図９の(ｂ)は反射型空間光強度変調素子２０を構成する複数の反射鏡２１のオン、オフの状態を１次元で示したものであり、(ａ)は反射鏡２１の状態によるアレーアンテナ５３からの放射ビーム５４のビーム幅を模式的に示したものである。図９の(ｂ)中、黒はオン状態の反射鏡を、白はオフ状態の反射鏡を示す。
【００８６】
反射型空間光強度変調素子２０のオンにする反射鏡の分布を２０−１のようにした場合の、放射ビームの分布が５４−１、反射鏡の分布を２０−２のようにした場合の放射のビームの分布が５４−２、のように対応する。
【００８７】
図のように、隣接する複数の反射鏡２１を同時にオンにし、反射領域を広げることにより放射ビーム５４の幅を太くすることができる。また、同時にオンにする反射鏡の数が増えるので、反射型空間光強度変調素子２０で反射する光量が増大し、ダイナミックレンジを向上させることができる。図９は１次元で説明しているが、２次元に拡張しても同様である。
【００８８】
実施の形態１３．
オンにする一つの、あるいは複数の反射鏡２１を切り替えてビームを走査する場合、放射ビーム５４の幅が細い場合、放射ビーム５４を向けられる方向に隙間ができることがある。
【００８９】
図１０は複数の反射鏡を同時にオンにし、オンにする反射鏡の範囲を順次、ずらしたビーム走査のこの発明による実施の形態を示したものである。反射型空間光強度変調素子２０のオンにする反射鏡の分布を図１０の(ｂ)の２０−１のようにした場合の、放射ビームの分布が図１０の(ａ)の５４−１、反射鏡の分布を２０−２のようにした場合の放射のビームの分布が５４−２、のように対応する。これにより放射ビーム５４の幅を太くし、隣接方向の放射ビーム５４とオーバラップさせるので、放射ビーム５４が覆う領域に抜けが生じなくなる。
【００９０】
実施の形態１４．
以上の実施の形態の形態では、隣接する領域内で複数の反射鏡２１を同時にオンにしていたが、オンにする反射鏡２１の領域内で、例えば、図１１のように、中心付近は全ての反射鏡２１をオンにし、周辺部ではオンにする反射鏡２１の数を減らすことにより、擬似的に反射光の強度を周辺部で小さくなるように、強度分布を制御することができる。
【００９１】
図１１では、反射型空間光強度変調素子２０−１の状態に対して、２０−２、２０−３で周辺部の反射鏡の数を減らしている。一般に、アレーアンテナ５３の各アンテナ素子５２−１乃至５２−Ｎへの給電電力を中心付近のアンテナ素子で高く、周辺部分で低くなるようにテーパ分布をつけることによりアレーアンテナ５３からの放射ビーム５４のパターンのサイドローブを低減できることが知られている。
【００９２】
前述のように、オンにする反射鏡２１の分布を制御することにより、擬似的に反射光１１の強度分布を制御し、サイドローブなどの放射ビーム５４のパターン制御が実現できる。
【００９３】
以上の説明は、周辺部でオンにする反射鏡２１の数を減らしたものであるが、中心付近の反射鏡２１のオン、オフを制御するなど、周辺部の反射鏡２１に限ったものではない。
【００９４】
実施の形態１５．
以上の実施の形態では光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎを並べてサンプリング光ファイバアレー４０を構成していた。図１２はサンプリング光ファイバアレー４０の先端付近のこの発明による実施の形態を示したものである。図１２のように、サンプリング光ファイバアレー４０を構成する各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎの前(光サンプリング側)に小型レンズ４５−１乃至４５−Ｎを装着しても良い。
【００９５】
一般的なシングルモード用の光ファイバ４１はクラッド４６の径１２５μｍに対して、コア４３径は約１０μｍと開口率は１％以下と非常に小さいために受光効率が低いが、レンズ４５を装着することにより開口率が向上し、サンプリング光ファイバアレー４０への入射光は各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎの各コア４３−１乃至４３−Ｎ付近に集光され、コア４３に結合する光量が増え、ダイナミックレンジを向上させることができる。
【００９６】
レンズ４５は球面レンズに限らず、円筒型で中心の屈折率が高く、外周部に行くに従い屈折率が連続的に低くなる分布屈折率型レンズを用いても良い。図１３４はこの発明による実施の形態を示したものである。円筒形の分布屈折率型レンズは長さにより結像特性を制御でき、レンズ端面あるいは近傍を焦点面にすることもできる。焦点面をレンズ端面あるいは近傍にすることにより、レンズ付きサンプリング光ファイバアレー４０を組み立てる時のレンズと光ファイバ間の位置の調整を容易にすることができる。
【００９７】
実施の形態１６．
前記、円筒型分布屈折率型レンズに変えて、分布屈折率型光ファイバ４７−１乃至４７−Ｎ(一般にＧＩファイバと呼ぶ)をサンプリング光ファイバアレー４０を構成する各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎのサンプリング側に融着しても良い。一般的なＧＩファイバのスポットサイズの直径は６０μｍ程度あり、一般的なシングルモードファイバのコアの直径１０μｍに対し、大きいので受光効率を向上させることができる。
【００９８】
また、ＧＩファイバはシングルモードファイバに比べてモード分散が大きいため、伝送帯域が制限されるという課題があるが、サンプリング面に近い場所でシングルモードファイバに接続しても良い。これにより、モード分散の影響を低減できる。更に、ＧＩファイバの長さを短くすることにより、実施の形態１５の分布屈折率型レンズと同様の形態をとることができる。
【００９９】
実施の形態１７．
前述の実施の形態では、サンプリング光ファイバアレー４０を介して各光電変換器５０−１乃至５０−Ｎに光を導いていたが、例えば図１に示すフーリエ変換レンズ３０の後側焦点面３２であるサンプリング面に光電変換器５０−１乃至５０−Ｎをアレー状に配置しても良い。
【０１００】
実施の形態１８．
以上の実施の形態では、レーザ１から放射された分岐光の中から、周波数を偏移させないものをローカルビーム光１８としていたが、基準ビームの周波数を偏移させ、反射型空間光強度変調素子２０に照射させるビーム光１０の周波数はそのままにしても良い。または、両方を偏移させても良い。
【０１０１】
実施の形態１９．
以上の実施の形態では、一つのレーザ１から放射した光を２分岐して、周波数変換器３により片方の周波数を偏移させていたが、レーザ１を直接変調する、あるいはレーザ１から放射した光を外部変調器を用いて外部変調にするなどにより、変調により発生した周波数の異なる複数の光から、それらの差がアレーアンテナから放射させるマイクロ波の周波数となる２つを、それぞれ光帯域フィルタである光波長フィルタで取り出し、一方を反射型空間光強度変調素子２０への照射光と、他方をローカルビーム光１８としても良い。
【０１０２】
実施の形態２０．
レーザに所定の周波数間隔で多数の周波数成分の光を同時に放射するレーザを使用し、その放射光の中から、それらの差がアンテナから放射させるマイクロ波の周波数となる２つを、それぞれ光帯域フィルタである光波長フィルタで取り出し、一方を反射型空間光強度変調素子２０への照射光と、他方をローカルビーム光１８としても良い。このようなレーザとしては例えば、モードロックレーザが知られている。
【０１０３】
実施の形態２１．
以上の実施の形態では、一つのレーザから放射した光を制御して周波数の異なる２つの光を取り出していたが、単一周波数の光を放射するレーザを２つ用い、それらから放射する光の周波数差を、アンテナから放射させるマイクロ波の周波数と等しくなるようにレーザを制御しても良い。また例えば、複数のレーザからの光の波長の互いの同期をとる位相同期回路を設け、制御を行うようにしてもよい。
【０１０４】
実施の形態２２．
以上の実施の形態では、フーリエ変換レンズ３０として透過屈折型の単レンズを用いて説明したが、複数の透過屈折型レンズを組み合わせて構成してもよい。単レンズを用いた場合の焦点距離と、複数のレンズを組み合わせた合成焦点距離とを等しくすれば同等のビーム走査性能は得られ、かつ、光学系の長さを短くすることができる。
【０１０５】
実施の形態２３．
以上の実施の形態では、１枚あるいは複数枚の透過屈折型レンズを用いて構成していたが、反射型レンズで構成、あるいは透過屈折率型レンズと反射型レンズを組み合わせて構成しても良い。反射型を用いることにより光学系の全長を短くすることができ、また、レンズの色収差を低減することも可能である。
【０１０６】
なお、上記各実施の形態におけるレーザから分岐する分岐光の数は必要に応じて選択可能で、分岐光の数分だけ必要の構成を設ければよい。
【０１０７】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、レーザから放射した光を第１、第２の分岐光に分岐する光分岐部と、第１の分岐光の周波数を変換する光周波数変換器と、周波数変換された第１の分岐光を所望の強度分布で反射させる、多数の反射鏡を含む反射型空間光強度変調素子と、この反射型空間光強度変調素子で反射した第１の分岐光を透過するフーリエ変換レンズと、このフーリエ変換レンズを透過した第１の分岐光と前記第２の分岐光とを合成する光合成器と、この光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、前記反射型空間光強度変調素子の各反射鏡の反射特性を制御することで、前記アレーアンテナからの放射ビームを制御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としたので、第１の分岐光の振幅分布を反射型空間光強度変調素子による反射光で形成するので、フーリエ変換レンズ方向に放射するビーム光の空間分布を高速かつ柔軟に制御することができ、アレーアンテナからの放射ビームを任意のパターンで高速かつ柔軟に制御できる。また、オンにする反射鏡を順次切り替えることにより、２次元の高速ビーム走査も可能となる。
【０１０８】
また、前記反射型空間光強度変調素子で、同時に複数の領域で反射鏡を制御して、前記アレーアンテナから複数のビームを放射するようにしたので、オンする反射鏡の数、位置に応じて、放射ビームを同時に複数の方向に向けることができる。
【０１０９】
また、レーザ光を３つ以上のＭ個に分岐する光分岐部と、第１から第Ｍ−１の分岐光に対し各々の分岐光の周波数を変換するＭ−１個の光周波数変換器と、周波数変換されたＭ−１個の分岐光について各々の光の反射強度分布を制御するＭ−１個の反射型空間光強度変調素子と、これらの反射型空間光強度変調素子からのＭ−１個の反射光を合成する第１の光合成器と、この第１の光合成器からの合成光を透過するフーリエ変換レンズと、このフーリエ変換レンズの透過光と第Ｍの分岐光を合成する第２の光合成器と、この第２の光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、アレーアンテナから放射する複数のビームを独立に制御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としたので、複数の反射型空間光強度変調素子に別々の光を照射し、各反射型空間光強度変調素子を独立に制御できるため、複数の放射ビームは各々独立して制御できる。
【０１１０】
また、レーザ光を３つ以上のＭ個に分岐する光分岐部と、第１から第Ｍ−１の分岐光に対し各々の分岐光の周波数を変換するＭ−１個の光周波数変換器と、周波数変換されたＭ−１個の分岐光について各々の光の反射強度分布を制御するＭ−１個の反射型空間光強度変調素子と、これらのＭ−１個の反射型空間光強度変調素子からのＭ−１個の反射光の各々を透過するＭ−１個のフーリエ変換レンズと、これらのフーリエ変換レンズを透過したＭ−１個の透過光を合成する第１の光合成器と、Ｍ−１個の透過光が合成された合成光と、第Ｍの分岐光を合成する第２の光合成器と、この第２の光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、アレーアンテナから放射する複数のビームを独立に制御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としたので、アレーアンテナから複数の放射ビーム毎に反射型空間光強度変調素子、フーリエ変換レンズを使用できるため、複数の放射ビームを生成させるときの柔軟性が向上する。
【０１１１】
また、それぞれ請求項１記載の前記光分岐部、光周波数変換器、反射型空間光強度変調素子および光合成器からなる複数の構成部と、前記各構成部から放射された光を合成する第２の光合成器と、この第２の光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、アレーアンテナから放射する複数のビームを独立に制御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としたので、アレーアンテナから放射させるビーム毎に異なるレーザを用いるので、例えば、マイクロ波ビーム毎にレーザ光の波長帯を変えた光ファイバへの波長多重し、光波長フィルタを挿入することにより、光の波長帯により異なる光電変換器およびアレーアンテナに分岐することも可能となる。
【０１１２】
また、レーザから放射した光を第１、第２の分岐光に分岐する光分岐部と、第１の分岐光の周波数を変換する光周波数変換器と、周波数変換された第１の分岐光を所望の強度分布で反射する、多数の反射鏡を含む反射型空間光強度変調素子と、この反射型空間光強度変調素子で反射した第１の分岐光と第２の分岐光を透過するフーリエ変換レンズと、このフーリエ変換レンズを透過した第１、第２の分岐光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、前記反射型空間光強度変調素子の各反射鏡による反射光の空間強度分布を制御することで、前記アレーアンテナからの放射ビームを制御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としたので、光合成器を省略できる。
【０１１３】
また、レーザから放射した光を第１、第２の分岐光に分岐する光分岐部と、第１の分岐光の周波数を変換する光周波数変換器と、前記第２の分岐光および周波数変換された第１の分岐光を所望の強度分布で反射する、多数の反射鏡を含む反射型空間光強度変調素子と、この反射型空間光強度変調素子で反射した第１、第２の分岐光を透過するフーリエ変換レンズと、このフーリエ変換レンズの透過光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、前記反射型空間光強度変調素子の各反射鏡による反射光の空間強度分布を制御することで、前記アレーアンテナからの放射ビームを制御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としたので、第２の分岐光である基準ビーム光と第１の分岐光がフーリエ変換レンズに入射する角度差は小さくなるため、フーリエ変換レンズの収差の影響を軽減できる。また、サンプリング光ファイバアレーに入射する基準ビーム光の強度分布を反射型空間光強度変調素子により制御できるため、ビーム走査、ビーム成型の制御の柔軟性が向上する。
【０１１４】
また、光ファイバアレーを構成する複数Ｎ本の光ファイバの長さを、各光ファイバ毎に設定できるようにしたので、各光電変換器で光電変換された電気信号の位相が全て一致するように各光ファイバの長さを校正することにより、放射ビームの校正を行うことができ、例えばアレーアンテナの正面方向にも放射ビームを向けることができる。
【０１１５】
また、各光ファイバに接続された各々の光電変換器とアンテナ素子間にマイクロ波移相器または遅延線路を挿入し、各素子毎に位相量または遅延量を設定できるようにしたので、上記と同様に放射ビームの校正を行うことができる。
【０１１６】
また、光ファイバアレーを構成する各光ファイバ中に可変光遅延線路を設けるようにしたので、光遅延線路はマイクロ波の周波数に依存しないため、広帯域マイクロ波信号にも対応できる。
【０１１７】
また、各光電変換器と各アンテナ素子間に可変マイクロ波移相器または可変遅延線路を設けるようにしたので、光ファイバ、あるいはマイクロ波線路長に製造誤差があったり、環境による変動が生じても補正できる。
【０１１８】
また、光周波数変換器で周波数変換されない分岐光を合成する光合成器の代わりに、光導波路型の光合成器を光ファイバアレーの各光ファイバ中に設け、光ファイバアレーで合成するようにしたので、光学系のアライメントを容易にすることができる。
【０１１９】
また、反射型空間光強度変調素子の反射鏡を制御する領域の面積を変えることで、アレーアンテナから放射するビームの幅を制御するようにしたので、隣接する複数の反射鏡を同時にオンにし、反射領域を広げることにより放射ビームの幅を太くすることができる。また、同時にオンにする反射鏡の数が増えるので、反射型空間光強度変調素子で反射する光量が増大し、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【０１２０】
また、反射型空間光強度変調素子の反射鏡で、隣接する複数の反射鏡を同時に制御し、これをずらしながらアレーアンテナから放射するビームを制御するようにしたので、これにより放射ビームの幅を太くし、隣接方向の放射ビームとオーバラップさせるので、放射ビームが覆う領域に抜けが生じなくなる。
【０１２１】
また、反射型空間光強度変調素子の反射鏡を複数の領域で同時に制御し、各領域内の制御する反射鏡の数を変えることで、アレーアンテナから放射するビームの形状を制御するようにしたので、オンにする反射鏡の分布を制御することにより、擬似的に反射光の強度分布を制御し、サイドローブなどの放射ビームのパターン制御が実現できる。
【０１２２】
また、光ファイバアレーを構成する各光ファイブのサンプリング側にレンズアレーを設けるようにしたので、受光効率を向上させることができる。
【０１２３】
また、円筒形状で屈折率が外周に近づくに従い低くなるレンズを設けるようにしたので、レンズの長さにより結像特性を制御でき、レンズ端面あるいは近傍を焦点面にすることもでき、焦点面をレンズ端面あるいは近傍にすることにより、レンズ付きサンプリング光ファイバアレーを組み立てる時のレンズと光ファイバ間の位置の調整を容易にすることができる。
【０１２４】
また、光ファイバアレーのサンプリング側に、分布屈折率型光ファイバを接続するようにしたので、これはシングルモードファイバに比べてコアが大きいので受光効率を向上させることができる。
【０１２５】
また、前記光ファイバアレーの代わりに前記複数の光電変換器をフーリエ変換レンズ透過光または光合成器による合成光をサンプリングするサンプリング面にアレー状に配し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としたので光ファイバアレーが不要となる。
【０１２６】
また、前記光周波数変換器の代わりに、レーザから放射した光を変調する変調手段と、変調により発生した複数の周波数成分のレーザ光の中から複数の光を抽出する光帯域フィルタと、を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としたので光周波数変換器が不要となる。
【０１２７】
また、前記光周波数変換器の代わりに、複数の波長を同時に放射するレーザと、レーザ放射光の中から周波数の異なる複数のレーザを抽出する光帯域フィルタと、をさらに備えたので光周波数変換器が不要となる。
【０１２８】
また、前記光周波数変換器の代わりに、複数のレーザと、これらの各レーザからの光の波長の互いの同期をとる位相同期回路と、を備え、各レーザから放射した光を分岐光とし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としたので光周波数変換器が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図２】 この発明の実施の形態２による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態３による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態４による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態５による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態６による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図７】 この発明の実施の形態７による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図８】 この発明の実施の形態１１による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図９】 この発明の実施の形態１２による光制御型フェーズドアレーアンテナを説明するための図である。
【図１０】 この発明の実施の形態１３による光制御型フェーズドアレーアンテナを説明するための図である。
【図１１】 この発明の実施の形態１４による光制御型フェーズドアレーアンテナを説明するための図である。
【図１２】 この発明の実施の形態１５による光制御型フェーズドアレーアンテナを説明するための図である。
【図１３】 この発明の実施の形態１６による光制御型フェーズドアレーアンテナを説明するための図である。
【図１４】 従来の光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザ、２ マイクロ波発振器、３ 光周波数変換器、８ レンズ、９ 光ファイバ、１０ 第１のビーム光、１１ 反射光、１７ 第２のビーム光、１８ ローカルビーム光、２０ 反射型空間光強度変調素子、２１ 反射鏡、３０フーリエ変換レンズ、３１ 前側焦点面、３２ 後側焦点面、３５ ビーム合成器(光合成器)、４０ サンプリング光ファイバアレー、４１、４７ 光ファイバ、４２ 光ファイバ合波器、４３ コア、４５ 小型レンズ、４６ クラッド、５０ 光電変換器、５１ 電力増幅器、５２ アレーアンテナ素子、５３ アレーアンテナ、５４ 放射ビーム。
【発明の属する技術分野】
この発明は、光波によりアレイアンテナから放射するマイクロ波ビームを制御する光制御型フェーズドアレーアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１４は、例えば特開平０３−０４４２０２号公報に開示された従来の光制御型フェーズドアレーアンテナのブロック図である。図１４において、光放射器１００の内部に設けられたレーザから放射されるビーム光を２つの分岐光に分岐し、一方の分岐光の周波数をマイクロ波発振器２から入力されるマイクロ波信号の周波数だけ偏移させて第１のビーム光１０として出力し、他方の分岐光をそのまま第２のビーム光１７として出力する。
【０００３】
光放射器１００から放射された第１のビーム光１０は、ミラー１０１を介してイメージマスク１０２に入射され、イメージマスク１０２を透過する。イメージマスク１０２は入射された第１のビーム光を、例えば扇形ビームパターンなどの所望のアンテナ放射パターンのビーム形状に対応したビーム光１１に変換して、フーリエ変換レンズ３０に放射する。
【０００４】
一方、光放射器１００から放射された第２のビーム光１７は分布調整器１０３に放射され、分布調整器１０３は、第２のビーム光１７を所定の強度分布に調整し、調整後の第２のビーム光１７をローカルビーム光１８としてビーム合成器３５に放射する。
【０００５】
光合成器すなわちビーム合成器３５は、フーリエ変換レンズ３０を透過した第１のビーム光１１と分布調整器１０３からのローカルビーム光１８とを混合して合成した後、合成光をサンプリング光ファイバアレー４０に放射する。
【０００６】
サンプリング光ファイバアレー４０は、所定の間隔をおいて光ファイバの長手方向が平行になるように、ある平面に並置された複数Ｎ本の光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎから成り、このサンプリング光ファイバアレーに入射される合成光は、空間的にサンプリングされ各光ファイバを伝搬する。サンプリング光ファイバアレー４０に入射された合成光は、Ｎ本の光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎを介して、各々光電変換器５０−１乃至５０−Ｎに入射される。
【０００７】
光電変換器５０−１乃至５０−Ｎはそれぞれ、入射された上記第１のビーム光１１と上記ローカルビーム光１８である第２のビーム光１７の差の周波数であって、入力されるビーム光１１とローカルビーム光１８との振幅の積に比例し、かつその位相に一致したマイクロ波信号に光電変換した後、電力増幅器５１−１乃至５１−Ｎを介し、アレーアンテナ５３を構成する直線上あるいは平面上に並置されるアンテナ素子５２−１乃至５２−Ｎに出力する。
【０００８】
イメージマスク１０２をフーリエ変換レンズ３０の前側焦点面３１に、サンプリング光ファイバアレー４０をフーリエ変換レンズ３０の後側焦点面３２に設置すると、イメージマスク１０２のパターンと、サンプリング光ファイバアレー４０のサンプリング面上での第１のビーム光１０のファーフィールドパターンとは、お互いにフーリエ変換の関係となる。
【０００９】
さらに、各アンテナ素子５２−１乃至５２−Ｎから放射される各マイクロ波信号強度の分布と、これらが合成されたアレーアンテナ５３からの放射ビーム５４のパターンとはお互いにフーリエ変換の関係がある。
【００１０】
以上の様に、フーリエ変換レンズ３０透過時およびアレーアンテナ５３放射時の合計２回のフーリエ変換が行われるので、アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４のパターンはイメージマスク１０２で設定されるパターンに対応する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１４に示された従来例の光制御型フェーズドアレーアンテナは、イメージマスク１０２を透過させることにより、アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４のパターンを設定しているため、放射ビーム５４の放射パターンを変えるにはイメージマスク１０２を取り替えなければならないため制御の柔軟性に欠け、パターン生成速度が制限されるなどの問題点があった。
【００１２】
さらに、放射ビーム５４を走査するには、イメージマスク１０２を動かさなければならず、機械的な可動部が必要となる等の問題点があった。
【００１３】
また、前述の公報にはイメージマスク１０２として液晶素子などの透過型空間光強度変調素子を用いることも可能であると示されている。液晶素子を用いることにより制御の柔軟性は向上し、機械的な可動部をなくすことが可能となるが、一般的な液晶素子の応答時間は１０から数１０ｍｓｅｃオーダであるため、ビーム走査またはビーム生成速度も１０から数１０ｍｓｅｃオーダに制限される。また、一般的な液晶素子は温度依存性があり低温での動作が困難であるため、使用できる環境が制限される。また、一般的な透過型空間光変調素子では、アレーを構成する各光変調素子に制御信号を送る線路により透過光が遮断されるために開口率が制限され信号強度が弱くなるなど、液晶素子などの透過型空間光強度変調素子をイメージマスクに用いても様々な課題がある。
【００１４】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、簡易な構成でフーリエ変換レンズの前側焦点面上に任意の形状の光強度分布を容易にかつ高速に生成することにより、所望のパターンのアレーアンテナ放射ビームを高速に生成できる光制御型フェーズドアレーアンテナを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、レーザから放射した光を第１、第２の分岐光に分岐する光分岐部と、第１の分岐光の周波数を変換する光周波数変換器と、周波数変換された第１の分岐光を所望の空間強度分布で反射する、多数の反射鏡を含む反射型空間光強度変調素子と、この反射型空間光強度変調素子で反射した第１の分岐光を透過するフーリエ変換レンズと、このフーリエ変換レンズを透過した第１の分岐光と前記第２の分岐光とを合成する光合成器と、この光合成器による合成光を空間的にサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、前記反射型空間光強度変調素子の各反射鏡による反射光の空間強度分布を制御することで、前記アレーアンテナからの放射ビームを制御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にある。
【００１６】
また、上記光制御型フェーズドアレーアンテナにおいて、前記反射型空間光強度変調素子で、同時に複数の領域で反射鏡を制御して、前記アレーアンテナから同時に複数のビームを放射することを特徴とする。
【００１７】
また、レーザ光を３つ以上のＭ個に分岐する光分岐部と、第１から第Ｍ−１の分岐光に対し各々の分岐光の周波数を変換するＭ−１個の光周波数変換器と、周波数変換されたＭ−１個の分岐光について各々の光の反射強度分布を制御するそれぞれ多数の反射鏡を含むＭ−１個の反射型空間光強度変調素子と、これらの反射型空間光強度変調素子からのＭ−１個の反射光を合成する第１の光合成器と、この第１の光合成器からの合成光を透過するフーリエ変換レンズと、このフーリエ変換レンズの透過光と第Ｍの分岐光を合成する第２の光合成器と、この第２の光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、アレーアンテナから放射する複数のビームを独立に制御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にある。
【００１８】
また、レーザ光を３つ以上のＭ個に分岐する光分岐部と、第１から第Ｍ−１の分岐光に対し各々の分岐光の周波数を変換するＭ−１個の光周波数変換器と、周波数変換されたＭ−１個の分岐光について各々の光の反射強度分布を制御するそれぞれ多数の反射鏡を含むＭ−１個の反射型空間光強度変調素子と、これらのＭ−１個の反射型空間光強度変調素子からのＭ−１個の反射光の各々を透過するＭ−１個のフーリエ変換レンズと、これらのフーリエ変換レンズを透過したＭ−１個の透過光を合成する第１の光合成器と、Ｍ−１個の透過光が合成された合成光と、第Ｍの分岐光を合成する第２の光合成器と、この第２の光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、アレーアンテナから放射する複数のビームを独立に制御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にある。
【００１９】
また、それぞれ前記レーザ、光分岐部、光周波数変換器、反射型空間光強度変調素子、フーリエ変換レンズおよび光合成器からなる複数の構成部と、前記各構成部から放射された光を合成する第２の光合成器と、この第２の光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、アレーアンテナから放射する複数のビームを独立に制御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にある。
【００２１】
また、レーザから放射した光を第１、第２の分岐光に分岐する光分岐部と、第１の分岐光の周波数を変換する光周波数変換器と、前記第２の分岐光および周波数変換された第１の分岐光を所望の強度分布で反射する、多数の反射鏡を含む反射型空間光強度変調素子と、この反射型空間光強度変調素子で反射した第１、第２の分岐光を透過するフーリエ変換レンズと、このフーリエ変換レンズの透過光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、前記反射型空間光強度変調素子の各反射鏡による反射光の空間強度分布を制御することで、前記アレーアンテナからの放射ビームを制御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にある。
【００２２】
また、光ファイバアレーを構成する複数Ｎ本の光ファイバの長さを、光ファイバアレーでの位置により変えたことを特徴とする。
【００２３】
また、各光ファイバに接続された各々の光電変換器とアンテナ素子間にマイクロ波移相器または遅延線路を挿入し、各移相量または遅延量が各光ファイバで異なることを特徴とする。
【００２４】
また、光ファイバアレーを構成する各光ファイバ中に可変光遅延線路を設けたことを特徴とする。
【００２５】
また、各光電変換器と各アンテナ素子間に可変マイクロ波移相器または可変遅延線路を設けたことを特徴とする。
【００２６】
また、光周波数変換器で周波数変換されない分岐光を合成する光合成器の代わりに、光導波路型の光合成器を光ファイバアレーの各光ファイバに設け、光ファイバアレーで合成することを特徴とする。
【００２７】
また、反射型空間光強度変調素子の反射鏡を制御する領域の面積を変えることで、アレーアンテナから放射するビームの幅を制御することを特徴とする。
【００２８】
また、反射型空間光強度変調素子の反射鏡で、多数の反射鏡の隣接する複数の反射鏡を同時に制御し、これをずらしながらアレーアンテナから放射するビームを制御することを特徴とする。
【００２９】
また、反射型空間光強度変調素子の多数の反射鏡を複数の領域を同時に制御し、各領域内の制御する反射鏡の数を変えることで、アレーアンテナから放射するビームの形状を制御することを特徴とする。
【００３０】
また、光ファイバアレーの光サンプリング側にレンズアレーを設けたことを特徴とする。
【００３１】
また、円筒形状で屈折率が外周に近づくに従い低くなるレンズを設けたことを特徴とする。
【００３２】
また、光ファイバアレーを構成する各光ファイバのサンプリング側に、分布屈折率型光ファイバを接続したことを特徴とする。
【００３３】
また、前記光ファイバアレーの代わりに前記複数の光電変換器を前記光合成器による合成光をサンプリングするサンプリング面にアレー状に配したことを特徴とする。
【００３４】
また、前記光分岐部および周波数変換器の代わりに、レーザから放射した光を変調する変調手段と、変調により発生した複数の周波数成分のレーザ光の中から複数の光を抽出する光帯域フィルタと、を備えたことを特徴とする。
【００３５】
また、前記光分岐部および周波数変換器の代わりに、複数の波長を同時に放射するレーザと、レーザ放射光の中から周波数の異なる複数のレーザ光を抽出する光帯域フィルタと、をさらに備えたことを特徴とする。
【００３６】
また、前記光分岐部および周波数変換器の代わりに、複数のレーザと、これらの各レーザからの光の波長の互いの同期をとる位相同期回路と、を備え、各レーザから放射した光を分岐光としたことを特徴とする。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下この発明を各実施の形態に従って説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。図１において、レーザ１から放射される光を２つの分岐光に分岐し(例えばレーザ１の出力端あるいはレーザ１と別体にその出力側に光分岐部(特に図示せず)を有する)、一方の分岐光をその周波数を、光周波数変換器３によりマイクロ波発振器２から入力されるマイクロ波信号の周波数に応じて偏移させて第１のビーム光１０として出力し、他方の分岐光はそのまま第２のビーム光１７として出力する。光の周波数を偏移させる光周波数変換器としては、例えば音響光学効果(Ａ／Ｏ)を用いた光周波数シフタが商品化されている。
【００３８】
第１のビーム光１０は、必要に応じて光ファイバ９、レンズ８を介して、所定のビーム幅に変換して反射型空間光強度変調素子２０に照射する。反射型空間光強度変調素子２０は、多数の微小な反射鏡２１がアレー状に配置されており、一つ一つの反射鏡の反射特性を変えることで、反射光の空間強度分布を制御できる。反射光の空間強度分布の制御特性として、例えば１０μｓｅｃのオーダーで高速に制御できるものや、反射鏡の開口率が８０％以上の高いものも報告されている。
【００３９】
反射型空間光強度変調素子２０に入射した第１のビーム光１０は、アレー状に配置された各々の微小な反射鏡２１により、反射光の空間強度分布を制御できる。反射型空間光強度変調素子２０の各反射鏡の制御に対応した強度分布で、反射型空間光強度変調素子２０に入射した第１のビーム光１０の一部はフーリエ変換レンズ３０の方向に反射し、フーリエ変換レンズ３０を透過する。
【００４０】
以下、反射型空間光強度変調素子２０を構成する各反射鏡２１の状態を、各反射鏡２１に入射したビーム光１０がフーリエ変換レンズ３０を透過する反射光１１となる場合をオンと定義し、その他の場合をオフと定義する。オン状態の反射鏡２１のパターンで、第１のビーム光１０が反射して、フーリエ変換レンズ３０へ入射する。
【００４１】
一方、レーザ１から放射した第２のビーム光１７はレンズ８を介して所定のビーム幅に変換し、変換後の第２のビーム光をローカルビーム光１８としてビーム(光)合成器３５に放射する。
【００４２】
ビーム合成器３５は、フーリエ変換レンズ３０を透過した第１のビーム光１１と、ローカルビーム光１８とを混合して合成した後、合成光をサンプリング光ファイバアレー４０に放射する。
【００４３】
サンプリング光ファイバアレー４０は、所定の間隔をおいて光ファイバの長手方向が平行になるように、ある平面に並置された複数Ｎ本の光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎから成り、このサンプリング光ファイバアレーに入射される合成光は、空間的にサンプリングされ各光ファイバを伝搬する。サンプリング光ファイバアレー４０に入射された合成光は、Ｎ本の光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎを介して、各光電変換器５０−１乃至５０−Ｎに入射される。
【００４４】
光電変換器５０−１乃至５０−Ｎはそれぞれ、入射された上記第１のビーム光１１と上記ローカルビーム光１８である第２のビーム光１７の差の周波数であって、入力されるビーム光１１とローカルビーム光１８の振幅の積に比例し、かつその位相差に一致したマイクロ波信号に光電変換した後、電力増幅器５１−１乃至５１−Ｎを介し、アレーアンテナ５３を構成する直線上あるいは平面上に並置されるアンテナ素子５２−１乃至５２−Ｎに出力する。
【００４５】
反射型空間光強度変調素子２０をフーリエ変換レンズ３０の前側焦点面３１に、サンプリング光ファイバアレー４０をフーリエ変換レンズ３０の後側焦点面３２に設置すると、反射型空間光強度変調素子２０中のオンにした反射鏡２１のパターンと、サンプリング光ファイバアレー４０のサンプリング面上での第１のビーム光１１のパターンとは、お互いにフーリエ変換の関係となる。
【００４６】
さらに、各アンテナ素子５２−１乃至５２−Ｎから放射される各マイクロ波信号の分布と、これらが合成されたアレーアンテナ５３からの放射ビーム５４のファーフィールドパターンとはお互いにフーリエ変換の関係がある。
【００４７】
以上のように、フーリエ変換レンズ３０透過時およびアレーアンテナ５３放射時に合計２回のフーリエ変換が行われるので、アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４のファーフィールドパターンは反射型空間光強度変調素子２０のオンにした反射鏡２１のパターンに対応する。
【００４８】
例えば、反射型空間光強度変調素子２０の中から１つの反射鏡２１のみをオンにした場合の、アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４の主ビームの方向について、１次元の場合で説明する。オンにする反射鏡２１の位置をフーリエ変換レンズ３０の光軸を原点にＸとおく。フーリエ変換レンズ３０の焦点距離をｆ、フーリエ変換レンズ３０の後側焦点面であるサンプリング面３２におけるサンプリング光ファイバアレー４０を構成する光ファイバ４１間の間隔をｄｏ、アレーアンテナ５３を構成する各アンテナ素子５２の素子間隔をｄｍ、レーザ光１の波長をλｏ、光電変換器５０で発生するマイクロ波の波長をλｍとおく。アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４の主ビームの方向をアレーアンテナ５３の正面方向からの角度θで表すと、角度θは
【００４９】
ｓｉｎθ＝{(ｄｏ／λｏ)／(ｄｍ／λｍ)}×Ｘ／ｆ
とおける。
【００５０】
オンにする反射鏡２１を順次切り替えることにより、アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４を走査することができる。例えば、ｄｏ＝１ｍｍ、λｏ＝１.５５μｍ、ｄｍ＝１.５ｃｍ、λｍ＝３.０ｃｍ、ｆ＝２００ｍｍとおくと、Ｘ＝５０μｍでは、アレーアンテナ５３から放射するマイクロ波の放射ビーム(主ビーム)５４の方向θは１８.８度、Ｘ＝１００μｍではθは４０.２度となる。
【００５１】
本計算例は、１次元のビーム走査について示したものであるが、反射型空間光強度変調素子２０を構成する反射鏡２１を２次元に配置し、サンプリング光ファイバアレー４０及びアレーアンテナ５３をそれぞれ２次元で構成すれば、放射ビーム５４の２次元走査も可能である。
【００５２】
以上のように、第１のビーム光１１の空間強度分布を反射型空間光強度変調素子２０による反射光で形成するので、フーリエ変換レンズ３０方向に放射するビーム光１１の空間分布を高速かつ柔軟に制御することができ、アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４を任意のパターンで高速かつ柔軟に制御できる。また、オンにする反射鏡２１を順次切り替えることにより、２次元の高速ビーム走査も可能となる。
【００５３】
実施の形態２．
以上の実施の形態１では、反射型空間光強度変調素子２０を構成する多数の反射鏡２１の中から、オンにする一つの反射鏡２１を順次切り替えて走査していたが、次に複数の反射鏡２１を同時にオンにした場合、アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４を同時に複数の方向へ発生させる実施の形態を示す。
【００５４】
図２は、この発明の実施の形態２による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図であり、このような場合の、反射型空間光強度変調素子２０での反射光１１の様子を示したものである。図２では反射型空間光強度変調素子２０を構成する反射鏡２１の中から、一番上の反射鏡２１と、一番下の反射鏡２１の２つの反射鏡２１をオンにしている。反射型空間光強度変調素子２０の２カ所で反射した２つの第１のビーム光１１−１および１１−２は、それぞれ異なる傾きでサンプリング光ファイバアレー４０に入射し、それぞれの傾きに相当する位相情報を保持したまた光電変換器５０−１乃至５０−Ｎでマイクロ波信号に光電変換されアレーアンテナ５３から放射される。
【００５５】
たとえば、図２のように反射光１１−１、１１−２により放射ビーム５４−１、５４−２をそれぞれ生成できる。このように、オンにする反射鏡２１の数、位置に応じて、放射ビーム５４を同時に複数の方向に向けることができる。
【００５６】
実施の形態３．
以上の実施の形態２では、一つの反射型空間光強度変調素子２０を用いて複数の方向に同じ周波数、信号が重畳された放射ビーム５４を発生させたものであるが、次に周波数、重畳信号が異なる複数の放射ビーム５４を発生できる実施の形態を示す。
【００５７】
図３はこの発明の実施の形態３による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図であり、周波数、重畳信号が異なる複数の放射ビームの生成、制御が可能な光制御型フェーズドアレーアンテナの構成図である。図３において、レーザ光１から放射した光を３つに分岐し、図１と同様に一つの分岐光はアレーアンテナ５３から放射させる第１の放射ビーム５４−１の周波数と等しい周波数だけ第１の光周波数変換器３−１で偏移させ、第１の反射型空間光強度変調素子２０−１に第１のビーム光１０−１として照射させる。また、一つの分岐光はアレーアンテナ５３から放射させる第２の放射ビーム５４−２の周波数と等しい周波数だけ第２の光周波数変換器３−２で偏移させ、第２の反射型空間光強度変調素子２０−２に第２のビーム光１０−２として照射させる。さらに、一つの分岐光は周波数を変えずに、図１と同様に空間に放射し、ローカルビーム光１８としてビーム合成器３５−１に照射する。
【００５８】
第１、第２のビーム光１０−１、１０−２はそれぞれ第１、第２の反射型空間光強度変調素子２０−１、２０−２のオンにした反射鏡２１の空間分布で反射し、各反射光１１−１、１１−２は、第１、第２の反射型空間光強度変調素子２０−１、２０−２とフーリエ変換レンズ３０との間に設置したビーム合成器３５−２により合成され、フーリエ変換レンズ３０へ放射する。
【００５９】
この合成光はフーリエ変換レンズ３０を透過し、ビーム合成器３５−１によりローカルビーム光１８と合成し、サンプリング光ファイバアレー４０に放射する。サンプリング光ファイバアレー４０を構成する各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎに入射した光は、各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎを伝搬し、各々光電変換器５０−１乃至５０−Ｎにより電気信号に変換される。
【００６０】
光電変換器５０−１乃至５０−Ｎでは、第１のビーム光１０−１とローカルビーム光１８との周波数の差と等しい第１のマイクロ波信号と、第２のビーム光１０−２とローカルビーム光１８との周波数の差と等しい第２のマイクロ波信号が発生する。各光電変換器５０−１乃至５０−Ｎで発生するマイクロ波信号の強度、位相はそれぞれ第１、第２のビーム光１１−１、１１−２の振幅と基準光の振幅の積に比例し、位相に対応するものが独立に発生する。
【００６１】
これらの第１、第２のマイクロ波信号をアレーアンテナ５３を構成する各アンテナ素子５２−１乃至５２−Ｎに給電することにより、アレーアンテナ５３から２つの放射ビーム５４−１、５４−２が放射される。
【００６２】
本実施の形態の構成では、二つの反射型空間光強度変調素子２０−１乃至２０−２に別々の光を照射し、各反射型空間光強度変調素子２０−１、２０−２を独立に制御できるため、２つの放射ビーム５４−１、５４−２は各々独立して制御できる。
【００６３】
また本実施の形態は、２つの反射型空間光強度変調素子２０−１、２０−２を用いて、アレーアンテナ５３の２つの放射ビーム５４−１、５４−２を発生させるものであるが、レーザ１から放射した光をさらに分岐し、新たな反射型空間光強度変調素子２０で反射光を制御し、新たなビーム合成器３５で合成させることにより、アンテナから放射させるビーム５４を追加させることができる。
【００６４】
実施の形態４．
以上の実施の形態では、フーリエ変換レンズ３０に対して、サンプリング光ファイバアレー４０と反対側の空間で第１、第２のビーム光を光合成器３５で合成させた後、第１、第２のビーム光１１−１、１１−２を同一のフーリエ変換レンズ３０に入射させていたが、次に、第１、第２のビーム光を別々のフーリエ変換レンズ３０に入射させる実施の形態を示す。
【００６５】
図４はこの発明の実施の形態４による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図であり、このような場合の構成を説明したものである。第１、第２のビーム光１０−１、１０−２を各々別々の反射型空間光強度変調素子２０−１、２０−２に照射し、各々の反射光１１−１、１１−２を別々のフーリエ変換レンズ３０−１、３０−２に入射させ、各々のフーリエ変換レンズ透過光を第１のビーム合成器３５−１で合成し、合成光を第２のビーム合成器３５−２により基準光１８と合成し、サンプリングアレー４０に照射する。
【００６６】
アレーアンテナ５３から複数の放射ビーム５４毎に反射型空間光強度変調素子２０、フーリエ変換レンズ３０を使用できるため、複数の放射ビーム５４を生成させるときの柔軟性が向上する。
【００６７】
実施の形態５．
以上の実施の形態では、第１、第２の反射型空間光強度変調素子２０−１、２０−２での反射ビーム光１１−１、１１−２を合成させた後、一つのローカルビーム光１８と合成させていたが、次に、各アレーアンテナ５３からの放射ビーム５４毎に異なるローカルビーム光１８を使用する実施の形態を示す。
【００６８】
図５はこの発明の実施の形態５による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図であり、このような場合の構成を説明するものである。第１のレーザ１−１から放射した光を２つに分岐し、一つの分岐光を第１の光周波数変換器３−１により、アレーアンテナ５３から放射させる第１のマイクロ波の放射ビーム５４−１の周波数分、周波数を偏移させ、第１のビーム光１０−１として第１の反射型空間光強度変調素子２０−１に照射させる。別の分岐光はそのままレンズ８−１でビーム幅を調整して第１のビーム合成器３５−１に放射させる。
【００６９】
同様に、第２のレーザ１−２から放射した光を２つに分岐し、一つの分岐光を第２の光周波数変換器３−２により、第２のマイクロ波の放射ビーム５４−２の周波数分、周波数を偏移させ、第２のビーム光１０−２として第２の反射型空間光強度変調素子２０−２に照射させる。別の分岐光はそのままレンズ８−２でビーム幅を調整して第２のビーム合成器３５−２に放射させる。
【００７０】
第１のビーム光は第１の反射型空間光強度変調素子２０−１で所定の強度分布で反射し、第１のフーリエ変換レンズ３０−１を透過し、この第１の透過光１１−１は前述の第１の基準光と第１のビーム合成器３５−１で合成される。
【００７１】
同様に、第２のビーム光は第２の反射型空間光強度変調素子２０−２で所定の強度分布で反射し、第２のフーリエ変換レンズ３０−２を透過し、この第２の透過光１１−２は前述の第２の基準光と第２のビーム合成器３５−２で合成される。
【００７２】
以上の２つの合成光を第３のビーム合成器３５−３で合成し、サンプリング光ファイバアレー４０に照射、サンプリングさせ、サンプリングされた合成光は各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎを介して光電変換器５０−１乃至５０−Ｎで光電変換され、マイクロ波信号が発生する。このマイクロ波信号はマイクロ波のアレーアンテナ５３から放射する。
【００７３】
アレーアンテナから放射させるビーム５４毎に異なるレーザを用いるので、例えば、マイクロ波ビーム毎にレーザ光の波長帯を変えた光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎへの波長多重し、光波長フィルタを挿入することにより、光の波長帯により異なる光検出器(光電変換器)およびアレーアンテナに分岐することも可能である。
【００７４】
実施の形態６．
前述の実施の形態では、ローカルビーム光１８とフーリエ変換レンズ透過光１１とを光合波器３５で合成し、サンプリング光ファイバアレー４０に入射させていたが、図６に示すようにローカルビーム光１８を反射型空間光強度変調素子２０側から放射させ、フーリエ変換レンズ３０側を透過させてもよい。これにより光合成器を省略できる。
【００７５】
実施の形態７．
前述の実施の形態では、ローカルビーム光１８を直接フーリエ変換レンズ３０に入射させていたが、図７に示すようにローカルビーム光１８をレンズ８−２を介して、反射型空間光強度変調素子２０に照射し反射させて、フーリエ変換レンズ３０を透過させてもよい。
【００７６】
これにより、ローカルビーム光１８と第１のビーム光１１がフーリエ変換レンズに入射する角度差は小さくなるため、フーリエ変換レンズ３０の収差の影響を軽減できる。また、ローカルビーム光１８の強度分布を反射型空間光強度変調素子２０により制御できるため、ビーム走査、ビーム成型の制御の柔軟性が向上する。
【００７７】
実施の形態８．
前述の２つの実施の形態では、フーリエ変換レンズ３０に入射する反射型空間光強度変調素子２０で反射したビーム光１１と、ローカルビーム光１８の向きを一致させることができないため、各光電変換器５０−１乃至５０−Ｎに入射する合成光の位相を一致させることができず、アレーアンテナ５３の正面方向など、放射ビーム５４を向けることができない方向が存在する。
【００７８】
そこで本実施の形態では、光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎの長さをビーム光１１とローカルビーム光１８の傾きに応じて変える。例えば、反射型空間光強度変調素子２０の中心の素子にビーム光１０を照射したときに、各光電変換器５０−１乃至５０−Ｎで光電変換された電気信号の位相が全て一致するように各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎの長さを校正することにより、アレーアンテナ５３の正面方向にも放射ビーム５４を向けることができる。
【００７９】
実施の形態９．
前述の実施の形態では、各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎの長さを変えることにより校正するものであるが、これは光電変換器５０−１乃至５０−Ｎとアンテナ素子５２−１乃至５２−Ｎ間にマイクロ波の移相器、あるいは遅延線路を挿入して各光ファイバで移相量や遅延量が異なるようにしてもよい。
【００８０】
実施の形態１０．
また、既に述べたいずれの実施の形態において、全ての光ファイバ５０−１乃至５０−Ｎの長さ、及び光電変換器５０−１乃至５０−Ｎの出力端からアレーアンテナ５４の各アンテナ素子５３−１乃至５３−Ｎまでの線路長の長さに誤差があるとアレーアンテナ５３から放射するビーム５４の形状が所望の形状と異なってしまう。
【００８１】
これは光電変換器５０−１乃至５０−Ｎとアンテナ素子５３−１乃至５３−Ｎ間に可変マイクロ波移相器あるいは可変マイクロ波遅延線(線路)を挿入することにより、光ファイバ、あるいはマイクロ波線路長に製造誤差があったり、環境による変動が生じても補正できる。
【００８２】
また、この補正は、各サンプリング光ファイバ５０−１乃至５０−Ｎ線路中に可変光遅延線を挿入してもよい。マイクロ波の移相器はマイクロ波の周波数依存性があるが、光遅延線(線路)はマイクロ波の周波数に依存しないため、広帯域マイクロ波信号にも対応できる。
【００８３】
実施の形態１１．
以上の実施の形態では、反射型空間光強度変調素子２０で反射した第１のビーム光１１とローカルビーム光１８とを光合成器３５で空間的に合成し、サンプリング光ファイバアレー４０に照射させていたが、図８に示すように、第１のビーム光１１のみをサンプリング光ファイバアレー４０でサンプリングし、サンプリング光と、ローカルビーム光１８を平板光導波路や光ファイバなどによる光導波路型の光合成器４２−１乃至４２−Ｎを用いて光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎ中で合成しても良い。これにより光学系のアライメントを容易にすることができる。
【００８４】
実施の形態１２．
以上に述べた各実施の形態では、反射型空間光強度変調素子２０の中から一つの反射鏡２１をオンにして、オンにする反射鏡２１を順次切り替えることにより放射ビーム５４を走査しているが、これは図９に示すように隣接する複数の反射鏡２１を同時にオンにしても良い。
【００８５】
図９の(ｂ)は反射型空間光強度変調素子２０を構成する複数の反射鏡２１のオン、オフの状態を１次元で示したものであり、(ａ)は反射鏡２１の状態によるアレーアンテナ５３からの放射ビーム５４のビーム幅を模式的に示したものである。図９の(ｂ)中、黒はオン状態の反射鏡を、白はオフ状態の反射鏡を示す。
【００８６】
反射型空間光強度変調素子２０のオンにする反射鏡の分布を２０−１のようにした場合の、放射ビームの分布が５４−１、反射鏡の分布を２０−２のようにした場合の放射のビームの分布が５４−２、のように対応する。
【００８７】
図のように、隣接する複数の反射鏡２１を同時にオンにし、反射領域を広げることにより放射ビーム５４の幅を太くすることができる。また、同時にオンにする反射鏡の数が増えるので、反射型空間光強度変調素子２０で反射する光量が増大し、ダイナミックレンジを向上させることができる。図９は１次元で説明しているが、２次元に拡張しても同様である。
【００８８】
実施の形態１３．
オンにする一つの、あるいは複数の反射鏡２１を切り替えてビームを走査する場合、放射ビーム５４の幅が細い場合、放射ビーム５４を向けられる方向に隙間ができることがある。
【００８９】
図１０は複数の反射鏡を同時にオンにし、オンにする反射鏡の範囲を順次、ずらしたビーム走査のこの発明による実施の形態を示したものである。反射型空間光強度変調素子２０のオンにする反射鏡の分布を図１０の(ｂ)の２０−１のようにした場合の、放射ビームの分布が図１０の(ａ)の５４−１、反射鏡の分布を２０−２のようにした場合の放射のビームの分布が５４−２、のように対応する。これにより放射ビーム５４の幅を太くし、隣接方向の放射ビーム５４とオーバラップさせるので、放射ビーム５４が覆う領域に抜けが生じなくなる。
【００９０】
実施の形態１４．
以上の実施の形態の形態では、隣接する領域内で複数の反射鏡２１を同時にオンにしていたが、オンにする反射鏡２１の領域内で、例えば、図１１のように、中心付近は全ての反射鏡２１をオンにし、周辺部ではオンにする反射鏡２１の数を減らすことにより、擬似的に反射光の強度を周辺部で小さくなるように、強度分布を制御することができる。
【００９１】
図１１では、反射型空間光強度変調素子２０−１の状態に対して、２０−２、２０−３で周辺部の反射鏡の数を減らしている。一般に、アレーアンテナ５３の各アンテナ素子５２−１乃至５２−Ｎへの給電電力を中心付近のアンテナ素子で高く、周辺部分で低くなるようにテーパ分布をつけることによりアレーアンテナ５３からの放射ビーム５４のパターンのサイドローブを低減できることが知られている。
【００９２】
前述のように、オンにする反射鏡２１の分布を制御することにより、擬似的に反射光１１の強度分布を制御し、サイドローブなどの放射ビーム５４のパターン制御が実現できる。
【００９３】
以上の説明は、周辺部でオンにする反射鏡２１の数を減らしたものであるが、中心付近の反射鏡２１のオン、オフを制御するなど、周辺部の反射鏡２１に限ったものではない。
【００９４】
実施の形態１５．
以上の実施の形態では光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎを並べてサンプリング光ファイバアレー４０を構成していた。図１２はサンプリング光ファイバアレー４０の先端付近のこの発明による実施の形態を示したものである。図１２のように、サンプリング光ファイバアレー４０を構成する各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎの前(光サンプリング側)に小型レンズ４５−１乃至４５−Ｎを装着しても良い。
【００９５】
一般的なシングルモード用の光ファイバ４１はクラッド４６の径１２５μｍに対して、コア４３径は約１０μｍと開口率は１％以下と非常に小さいために受光効率が低いが、レンズ４５を装着することにより開口率が向上し、サンプリング光ファイバアレー４０への入射光は各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎの各コア４３−１乃至４３−Ｎ付近に集光され、コア４３に結合する光量が増え、ダイナミックレンジを向上させることができる。
【００９６】
レンズ４５は球面レンズに限らず、円筒型で中心の屈折率が高く、外周部に行くに従い屈折率が連続的に低くなる分布屈折率型レンズを用いても良い。図１３４はこの発明による実施の形態を示したものである。円筒形の分布屈折率型レンズは長さにより結像特性を制御でき、レンズ端面あるいは近傍を焦点面にすることもできる。焦点面をレンズ端面あるいは近傍にすることにより、レンズ付きサンプリング光ファイバアレー４０を組み立てる時のレンズと光ファイバ間の位置の調整を容易にすることができる。
【００９７】
実施の形態１６．
前記、円筒型分布屈折率型レンズに変えて、分布屈折率型光ファイバ４７−１乃至４７−Ｎ(一般にＧＩファイバと呼ぶ)をサンプリング光ファイバアレー４０を構成する各光ファイバ４１−１乃至４１−Ｎのサンプリング側に融着しても良い。一般的なＧＩファイバのスポットサイズの直径は６０μｍ程度あり、一般的なシングルモードファイバのコアの直径１０μｍに対し、大きいので受光効率を向上させることができる。
【００９８】
また、ＧＩファイバはシングルモードファイバに比べてモード分散が大きいため、伝送帯域が制限されるという課題があるが、サンプリング面に近い場所でシングルモードファイバに接続しても良い。これにより、モード分散の影響を低減できる。更に、ＧＩファイバの長さを短くすることにより、実施の形態１５の分布屈折率型レンズと同様の形態をとることができる。
【００９９】
実施の形態１７．
前述の実施の形態では、サンプリング光ファイバアレー４０を介して各光電変換器５０−１乃至５０−Ｎに光を導いていたが、例えば図１に示すフーリエ変換レンズ３０の後側焦点面３２であるサンプリング面に光電変換器５０−１乃至５０−Ｎをアレー状に配置しても良い。
【０１００】
実施の形態１８．
以上の実施の形態では、レーザ１から放射された分岐光の中から、周波数を偏移させないものをローカルビーム光１８としていたが、基準ビームの周波数を偏移させ、反射型空間光強度変調素子２０に照射させるビーム光１０の周波数はそのままにしても良い。または、両方を偏移させても良い。
【０１０１】
実施の形態１９．
以上の実施の形態では、一つのレーザ１から放射した光を２分岐して、周波数変換器３により片方の周波数を偏移させていたが、レーザ１を直接変調する、あるいはレーザ１から放射した光を外部変調器を用いて外部変調にするなどにより、変調により発生した周波数の異なる複数の光から、それらの差がアレーアンテナから放射させるマイクロ波の周波数となる２つを、それぞれ光帯域フィルタである光波長フィルタで取り出し、一方を反射型空間光強度変調素子２０への照射光と、他方をローカルビーム光１８としても良い。
【０１０２】
実施の形態２０．
レーザに所定の周波数間隔で多数の周波数成分の光を同時に放射するレーザを使用し、その放射光の中から、それらの差がアンテナから放射させるマイクロ波の周波数となる２つを、それぞれ光帯域フィルタである光波長フィルタで取り出し、一方を反射型空間光強度変調素子２０への照射光と、他方をローカルビーム光１８としても良い。このようなレーザとしては例えば、モードロックレーザが知られている。
【０１０３】
実施の形態２１．
以上の実施の形態では、一つのレーザから放射した光を制御して周波数の異なる２つの光を取り出していたが、単一周波数の光を放射するレーザを２つ用い、それらから放射する光の周波数差を、アンテナから放射させるマイクロ波の周波数と等しくなるようにレーザを制御しても良い。また例えば、複数のレーザからの光の波長の互いの同期をとる位相同期回路を設け、制御を行うようにしてもよい。
【０１０４】
実施の形態２２．
以上の実施の形態では、フーリエ変換レンズ３０として透過屈折型の単レンズを用いて説明したが、複数の透過屈折型レンズを組み合わせて構成してもよい。単レンズを用いた場合の焦点距離と、複数のレンズを組み合わせた合成焦点距離とを等しくすれば同等のビーム走査性能は得られ、かつ、光学系の長さを短くすることができる。
【０１０５】
実施の形態２３．
以上の実施の形態では、１枚あるいは複数枚の透過屈折型レンズを用いて構成していたが、反射型レンズで構成、あるいは透過屈折率型レンズと反射型レンズを組み合わせて構成しても良い。反射型を用いることにより光学系の全長を短くすることができ、また、レンズの色収差を低減することも可能である。
【０１０６】
なお、上記各実施の形態におけるレーザから分岐する分岐光の数は必要に応じて選択可能で、分岐光の数分だけ必要の構成を設ければよい。
【０１０７】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、レーザから放射した光を第１、第２の分岐光に分岐する光分岐部と、第１の分岐光の周波数を変換する光周波数変換器と、周波数変換された第１の分岐光を所望の強度分布で反射させる、多数の反射鏡を含む反射型空間光強度変調素子と、この反射型空間光強度変調素子で反射した第１の分岐光を透過するフーリエ変換レンズと、このフーリエ変換レンズを透過した第１の分岐光と前記第２の分岐光とを合成する光合成器と、この光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、前記反射型空間光強度変調素子の各反射鏡の反射特性を制御することで、前記アレーアンテナからの放射ビームを制御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としたので、第１の分岐光の振幅分布を反射型空間光強度変調素子による反射光で形成するので、フーリエ変換レンズ方向に放射するビーム光の空間分布を高速かつ柔軟に制御することができ、アレーアンテナからの放射ビームを任意のパターンで高速かつ柔軟に制御できる。また、オンにする反射鏡を順次切り替えることにより、２次元の高速ビーム走査も可能となる。
【０１０８】
また、前記反射型空間光強度変調素子で、同時に複数の領域で反射鏡を制御して、前記アレーアンテナから複数のビームを放射するようにしたので、オンする反射鏡の数、位置に応じて、放射ビームを同時に複数の方向に向けることができる。
【０１０９】
また、レーザ光を３つ以上のＭ個に分岐する光分岐部と、第１から第Ｍ−１の分岐光に対し各々の分岐光の周波数を変換するＭ−１個の光周波数変換器と、周波数変換されたＭ−１個の分岐光について各々の光の反射強度分布を制御するＭ−１個の反射型空間光強度変調素子と、これらの反射型空間光強度変調素子からのＭ−１個の反射光を合成する第１の光合成器と、この第１の光合成器からの合成光を透過するフーリエ変換レンズと、このフーリエ変換レンズの透過光と第Ｍの分岐光を合成する第２の光合成器と、この第２の光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、アレーアンテナから放射する複数のビームを独立に制御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としたので、複数の反射型空間光強度変調素子に別々の光を照射し、各反射型空間光強度変調素子を独立に制御できるため、複数の放射ビームは各々独立して制御できる。
【０１１０】
また、レーザ光を３つ以上のＭ個に分岐する光分岐部と、第１から第Ｍ−１の分岐光に対し各々の分岐光の周波数を変換するＭ−１個の光周波数変換器と、周波数変換されたＭ−１個の分岐光について各々の光の反射強度分布を制御するＭ−１個の反射型空間光強度変調素子と、これらのＭ−１個の反射型空間光強度変調素子からのＭ−１個の反射光の各々を透過するＭ−１個のフーリエ変換レンズと、これらのフーリエ変換レンズを透過したＭ−１個の透過光を合成する第１の光合成器と、Ｍ−１個の透過光が合成された合成光と、第Ｍの分岐光を合成する第２の光合成器と、この第２の光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、アレーアンテナから放射する複数のビームを独立に制御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としたので、アレーアンテナから複数の放射ビーム毎に反射型空間光強度変調素子、フーリエ変換レンズを使用できるため、複数の放射ビームを生成させるときの柔軟性が向上する。
【０１１１】
また、それぞれ請求項１記載の前記光分岐部、光周波数変換器、反射型空間光強度変調素子および光合成器からなる複数の構成部と、前記各構成部から放射された光を合成する第２の光合成器と、この第２の光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、アレーアンテナから放射する複数のビームを独立に制御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としたので、アレーアンテナから放射させるビーム毎に異なるレーザを用いるので、例えば、マイクロ波ビーム毎にレーザ光の波長帯を変えた光ファイバへの波長多重し、光波長フィルタを挿入することにより、光の波長帯により異なる光電変換器およびアレーアンテナに分岐することも可能となる。
【０１１２】
また、レーザから放射した光を第１、第２の分岐光に分岐する光分岐部と、第１の分岐光の周波数を変換する光周波数変換器と、周波数変換された第１の分岐光を所望の強度分布で反射する、多数の反射鏡を含む反射型空間光強度変調素子と、この反射型空間光強度変調素子で反射した第１の分岐光と第２の分岐光を透過するフーリエ変換レンズと、このフーリエ変換レンズを透過した第１、第２の分岐光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、前記反射型空間光強度変調素子の各反射鏡による反射光の空間強度分布を制御することで、前記アレーアンテナからの放射ビームを制御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としたので、光合成器を省略できる。
【０１１３】
また、レーザから放射した光を第１、第２の分岐光に分岐する光分岐部と、第１の分岐光の周波数を変換する光周波数変換器と、前記第２の分岐光および周波数変換された第１の分岐光を所望の強度分布で反射する、多数の反射鏡を含む反射型空間光強度変調素子と、この反射型空間光強度変調素子で反射した第１、第２の分岐光を透過するフーリエ変換レンズと、このフーリエ変換レンズの透過光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、を備え、前記反射型空間光強度変調素子の各反射鏡による反射光の空間強度分布を制御することで、前記アレーアンテナからの放射ビームを制御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としたので、第２の分岐光である基準ビーム光と第１の分岐光がフーリエ変換レンズに入射する角度差は小さくなるため、フーリエ変換レンズの収差の影響を軽減できる。また、サンプリング光ファイバアレーに入射する基準ビーム光の強度分布を反射型空間光強度変調素子により制御できるため、ビーム走査、ビーム成型の制御の柔軟性が向上する。
【０１１４】
また、光ファイバアレーを構成する複数Ｎ本の光ファイバの長さを、各光ファイバ毎に設定できるようにしたので、各光電変換器で光電変換された電気信号の位相が全て一致するように各光ファイバの長さを校正することにより、放射ビームの校正を行うことができ、例えばアレーアンテナの正面方向にも放射ビームを向けることができる。
【０１１５】
また、各光ファイバに接続された各々の光電変換器とアンテナ素子間にマイクロ波移相器または遅延線路を挿入し、各素子毎に位相量または遅延量を設定できるようにしたので、上記と同様に放射ビームの校正を行うことができる。
【０１１６】
また、光ファイバアレーを構成する各光ファイバ中に可変光遅延線路を設けるようにしたので、光遅延線路はマイクロ波の周波数に依存しないため、広帯域マイクロ波信号にも対応できる。
【０１１７】
また、各光電変換器と各アンテナ素子間に可変マイクロ波移相器または可変遅延線路を設けるようにしたので、光ファイバ、あるいはマイクロ波線路長に製造誤差があったり、環境による変動が生じても補正できる。
【０１１８】
また、光周波数変換器で周波数変換されない分岐光を合成する光合成器の代わりに、光導波路型の光合成器を光ファイバアレーの各光ファイバ中に設け、光ファイバアレーで合成するようにしたので、光学系のアライメントを容易にすることができる。
【０１１９】
また、反射型空間光強度変調素子の反射鏡を制御する領域の面積を変えることで、アレーアンテナから放射するビームの幅を制御するようにしたので、隣接する複数の反射鏡を同時にオンにし、反射領域を広げることにより放射ビームの幅を太くすることができる。また、同時にオンにする反射鏡の数が増えるので、反射型空間光強度変調素子で反射する光量が増大し、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【０１２０】
また、反射型空間光強度変調素子の反射鏡で、隣接する複数の反射鏡を同時に制御し、これをずらしながらアレーアンテナから放射するビームを制御するようにしたので、これにより放射ビームの幅を太くし、隣接方向の放射ビームとオーバラップさせるので、放射ビームが覆う領域に抜けが生じなくなる。
【０１２１】
また、反射型空間光強度変調素子の反射鏡を複数の領域で同時に制御し、各領域内の制御する反射鏡の数を変えることで、アレーアンテナから放射するビームの形状を制御するようにしたので、オンにする反射鏡の分布を制御することにより、擬似的に反射光の強度分布を制御し、サイドローブなどの放射ビームのパターン制御が実現できる。
【０１２２】
また、光ファイバアレーを構成する各光ファイブのサンプリング側にレンズアレーを設けるようにしたので、受光効率を向上させることができる。
【０１２３】
また、円筒形状で屈折率が外周に近づくに従い低くなるレンズを設けるようにしたので、レンズの長さにより結像特性を制御でき、レンズ端面あるいは近傍を焦点面にすることもでき、焦点面をレンズ端面あるいは近傍にすることにより、レンズ付きサンプリング光ファイバアレーを組み立てる時のレンズと光ファイバ間の位置の調整を容易にすることができる。
【０１２４】
また、光ファイバアレーのサンプリング側に、分布屈折率型光ファイバを接続するようにしたので、これはシングルモードファイバに比べてコアが大きいので受光効率を向上させることができる。
【０１２５】
また、前記光ファイバアレーの代わりに前記複数の光電変換器をフーリエ変換レンズ透過光または光合成器による合成光をサンプリングするサンプリング面にアレー状に配し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としたので光ファイバアレーが不要となる。
【０１２６】
また、前記光周波数変換器の代わりに、レーザから放射した光を変調する変調手段と、変調により発生した複数の周波数成分のレーザ光の中から複数の光を抽出する光帯域フィルタと、を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としたので光周波数変換器が不要となる。
【０１２７】
また、前記光周波数変換器の代わりに、複数の波長を同時に放射するレーザと、レーザ放射光の中から周波数の異なる複数のレーザを抽出する光帯域フィルタと、をさらに備えたので光周波数変換器が不要となる。
【０１２８】
また、前記光周波数変換器の代わりに、複数のレーザと、これらの各レーザからの光の波長の互いの同期をとる位相同期回路と、を備え、各レーザから放射した光を分岐光とし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としたので光周波数変換器が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図２】 この発明の実施の形態２による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態３による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図４】 この発明の実施の形態４による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態５による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態６による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図７】 この発明の実施の形態７による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図８】 この発明の実施の形態１１による光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【図９】 この発明の実施の形態１２による光制御型フェーズドアレーアンテナを説明するための図である。
【図１０】 この発明の実施の形態１３による光制御型フェーズドアレーアンテナを説明するための図である。
【図１１】 この発明の実施の形態１４による光制御型フェーズドアレーアンテナを説明するための図である。
【図１２】 この発明の実施の形態１５による光制御型フェーズドアレーアンテナを説明するための図である。
【図１３】 この発明の実施の形態１６による光制御型フェーズドアレーアンテナを説明するための図である。
【図１４】 従来の光制御型フェーズドアレーアンテナの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザ、２ マイクロ波発振器、３ 光周波数変換器、８ レンズ、９ 光ファイバ、１０ 第１のビーム光、１１ 反射光、１７ 第２のビーム光、１８ ローカルビーム光、２０ 反射型空間光強度変調素子、２１ 反射鏡、３０フーリエ変換レンズ、３１ 前側焦点面、３２ 後側焦点面、３５ ビーム合成器(光合成器)、４０ サンプリング光ファイバアレー、４１、４７ 光ファイバ、４２ 光ファイバ合波器、４３ コア、４５ 小型レンズ、４６ クラッド、５０ 光電変換器、５１ 電力増幅器、５２ アレーアンテナ素子、５３ アレーアンテナ、５４ 放射ビーム。
Claims (21)
- レーザから放射した光を第１、第２の分岐光に分岐する光分岐部と、
第１の分岐光の周波数を変換する光周波数変換器と、
周波数変換された第１の分岐光を所望の空間強度分布で反射する、多数の反射鏡を含む反射型空間光強度変調素子と、
この反射型空間光強度変調素子で反射した第１の分岐光を透過するフーリエ変換レンズと、
このフーリエ変換レンズを透過した第１の分岐光と前記第２の分岐光とを合成する光合成器と、
この光合成器による合成光を空間的にサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、
この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、
この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、
を備え、
前記反射型空間光強度変調素子の各反射鏡による反射光の空間強度分布を制御することで、前記アレーアンテナからの放射ビームを制御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。 - 請求項１記載の光制御型フェーズドアレーアンテナにおいて、前記反射型空間光強度変調素子で、同時に複数の領域で反射鏡を制御して、前記アレーアンテナから同時に複数のビーム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。
- レーザ光を３つ以上のＭ個に分岐する光分岐部と、
第１から第Ｍ−１の分岐光に対し各々の分岐光の周波数を変換するＭ−１個の光周波数変換器と、
周波数変換されたＭ−１個の分岐光について各々の光の反射強度分布を制御するそれぞれ多数の反射鏡を含むＭ−１個の反射型空間光強度変調素子と、
これらの反射型空間光強度変調素子からのＭ−１個の反射光を合成する第１の光合成器と、
この第１の光合成器からの合成光を透過するフーリエ変換レンズと、
このフーリエ変換レンズの透過光と第Ｍの分岐光を合成する第２の光合成器と、
この第２の光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、
この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、
この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、
を備え、アレーアンテナから放射する複数のビームを独立に制御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。 - レーザ光を３つ以上のＭ個に分岐する光分岐部と、
第１から第Ｍ−１の分岐光に対し各々の分岐光の周波数を変換するＭ−１個の光周波数変換器と、
周波数変換されたＭ−１個の分岐光について各々の光の反射強度分布を制御するそれぞれ多数の反射鏡を含むＭ−１個の反射型空間光強度変調素子と、
これらのＭ−１個の反射型空間光強度変調素子からのＭ−１個の反射光の各々を透過するＭ−１個のフーリエ変換レンズと、
これらのフーリエ変換レンズを透過したＭ−１個の透過光を合成する第１の光合成器と、
Ｍ−１個の透過光が合成された合成光と、第Ｍの分岐光を合成する第２の光合成器と、
この第２の光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、
この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、
この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、
を備え、アレーアンテナから放射する複数のビームを独立に制御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。 - それぞれ請求項１記載の前記レーザ、光分岐部、光周波数変換器、反射型空間光強度変調素子、フーリエ変換レンズおよび光合成器からなる複数の構成部と、
前記各構成部から放射された光を合成する第２の光合成器と、
この第２の光合成器による合成光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、
この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、
この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、
を備え、アレーアンテナから放射する複数のビームを独立に制御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。 - レーザから放射した光を第１、第２の分岐光に分岐する光分岐部と、
第１の分岐光の周波数を変換する光周波数変換器と、
前記第２の分岐光および周波数変換された第１の分岐光を所望の強度分布で反射する、多数の反射鏡を含む反射型空間光強度変調素子と、
この反射型空間光強度変調素子で反射した第１、第２の分岐光を透過するフーリエ変換レンズと、
このフーリエ変換レンズの透過光をサンプリングする、複数Ｎ本の光ファイバからなる光ファイバアレーと、
この光ファイバアレーでサンプリングされた光を光電変換する複数Ｎ個の光電変換器と、
この光電変換器の出力に従い放射ビームを発生する複数Ｎ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、
を備え、
前記反射型空間光強度変調素子の各反射鏡による反射光の空間強度分布を制御することで、前記アレーアンテナからの放射ビームを制御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。 - 請求項６記載のアンテナにおいて、光ファイバアレーを構成する複数Ｎ本の光ファイバの長さを、光ファイバアレーでの位置により変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。
- 請求項６記載のアンテナにおいて、各光ファイバに接続された各々の光電変換器とアンテナ素子間にマイクロ波移相器または遅延線路を挿入し、各移相量または遅延量が各光ファイバで異な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。
- 請求項１ないし７のいずれか記載のアンテナにおいて、光ファイバアレーを構成する各光ファイバ中に可変光遅延線路を設け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。
- 請求項１ないし６および８のいずれか記載のアンテナにおいて、各光電変換器と各アンテナ素子間に可変マイクロ波移相器または可変遅延線路を設け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。
- 請求項１ないし４のいずれか記載のアンテナにおいて、光周波数変換器で周波数変換されない分岐光を合成する光合成器の代わりに、光導波路型の光合成器を光ファイバアレーの各光ファイバに設け、光ファイバアレーで合成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。
- 請求項１ないし４のいずれか記載のアンテナにおいて、反射型空間光強度変調素子の反射鏡を制御する領域の面積を変えることで、アレーアンテナから放射するビームの幅を制御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。
- 請求項１および３ないし１２のいずれか記載のアンテナにおいて、反射型空間光強度変調素子の反射鏡で、多数の反射鏡の隣接する複数の反射鏡を同時に制御し、これをずらしながらアレーアンテナから放射するビームを制御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。
- 請求項１および３ないし１２のいずれか記載のアンテナにおいて、反射型空間光強度変調素子の多数の反射鏡を複数の領域を同時に制御し、各領域内の制御する反射鏡の数を変えることで、アレーアンテナから放射するビームの形状を制御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。
- 請求項１ないし１４のいずれか記載のアンテナにおいて、光ファイバアレーの光サンプリング側にレンズアレーを設け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。
- 請求項１５記載のアンテナにおいて、円筒形状で屈折率が外周に近づくに従い低くなるレンズを設け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。
- 請求項１ないし１４のいずれか記載のアンテナにおいて、光ファイバアレーを構成する各光ファイバのサンプリング側に、分布屈折率型光ファイバを接続し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。
- 請求項１ないし６、１０、１２ないし１４のいずれか記載のアンテナにおいて、前記光ファイバアレーの代わりに前記複数の光電変換器を前記光合成器による合成光をサンプリングするサンプリング面にアレー状に配し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。
- 請求項１ないし１８のいずれか記載のアンテナにおいて、前記光分岐部および周波数変換器の代わりに、
レーザから放射した光を変調する変調手段と、
変調により発生した複数の周波数成分のレーザ光の中から複数の光を抽出する光帯域フィルタと、
を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。 - 請求項１ないし１８のいずれか記載のアンテナにおいて、前記光分岐部および周波数変換器の代わりに、
複数の波長を同時に放射するレーザと、
レーザ放射光の中から周波数の異なる複数のレーザ光を抽出する光帯域フィルタと、
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。 - 請求項１ないし１８のいずれか記載のアンテナにおいて、前記光分岐部および周波数変換器の代わりに、
複数のレーザと、
これらの各レーザからの光の波長の互いの同期をとる位相同期回路と、
を備え、各レーザから放射した光を分岐光とし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。
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