JP6328332B2 - ビーム走査装置、光無線通信システムおよびビーム走査方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームを走査するビーム走査装置、光無線通信システムおよびビーム走査方法に関する。

従来、波長可変光源と部分透過型エタロンとを備えたビーム走査装置がある（例えば、特許文献１参照）。ビーム走査装置は、波長可変光源から出力されたレーザビームを部分透過型エタロンに入射させてレーザビームを走査することにより、機械的な可動部品を用いることなくレーザビームの走査を実現している。

特開２００９−１４５８３８号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、副次的な回折光が発生し、レーザビームの光強度はピークが複数ある多峰性となる。副次的な回折光はノイズ成分となるため、ビーム走査装置を光無線通信に用いた場合に通信品質が劣化する、という問題があった。光無線通信では、光強度のピークが１つの単峰性のレーザビームで走査することが望まれる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、副次的な回折光を抑制し、波長を変化させて単峰性のレーザビームを二次元方向に走査することが可能なビーム走査装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のビーム走査装置は、波長を変えてレーザビームを出射可能な波長可変レーザを備える。また、ビーム走査装置は、レーザビームを平面波のレーザビームに変換する平面波変換部を備える。また、ビーム走査装置は、水平面内でレーザビームの出射方向に対して斜めに傾けて設置された第１の光強度分布変換部、および水平面と垂直かつレーザビームの出射方向と平行な面内でレーザビームの出射方向に対して斜めに傾けて設置された第２の光強度分布変換部を有し、平面波のレーザビームの波長によって平面波のレーザビームの光強度のピーク位置を変換する光強度分布変換部を備える。また、ビーム走査装置は、光強度のピーク位置が変換された平面波のレーザビームを球面波のレーザビームに変換する球面波変換部を備えることを特徴とする。

本発明にかかるビーム走査装置は、副次的な回折光を抑制し、波長を変化させて単峰性のレーザビームを二次元方向に走査することができる、という効果を奏する。

実施の形態１にかかるビーム走査装置を含む光無線通信システムの構成例を示すブロック図 実施の形態１にかかるビーム走査装置の光強度分布変換部の構成例を示すブロック図 実施の形態１にかかるビーム走査装置の各構成の配置の例を示す図 実施の形態１にかかるビーム走査装置の第１の光強度分布変換部に入射される平面波のレーザビームおよび出射される平面波のレーザビームを示す図 実施の形態１にかかるビーム走査装置において、ｘｙ平面に平行な第１の光強度分布変換部透過後の観測面における光強度分布のシミュレーション結果を示す図 実施の形態１にかかるビーム走査装置の第２の光強度分布変換部に入射される平面波のレーザビームおよび出射される平面波のレーザビームを示す図 実施の形態１にかかるビーム走査装置において、ｘｙ平面に平行な第２の光強度分布変換部透過後の観測面における光強度分布のシミュレーション結果を示す図 実施の形態１にかかるビーム走査装置のビーム走査方法の例を示すフローチャート 実施の形態２にかかるビーム走査装置において、光強度分布変換部内の２つのエタロンが異なるＦＳＲである場合の球面波変換部透過後の観測面におけるビーム走査の軌跡を模式的に示す図 実施の形態２にかかるビーム走査装置において、光強度分布変換部内の２つのエタロンが同一のＦＳＲである場合の球面波変換部透過後の観測面におけるビーム走査の軌跡を模式的に示す図 実施の形態３にかかるビーム走査装置を含む光無線通信システムの構成例を示すブロック図 実施の形態３にかかるビーム走査装置において、ｘｙ平面に平行な第１の光強度分布変換部のエタロン透過後の観測面における光強度分布のシミュレーション結果を示す図 実施の形態３にかかるビーム走査装置において、ｘｙ平面に平行な第２の光強度分布変換部のエタロン透過後の観測面における、光強度分布のシミュレーション結果を示す図 実施の形態３にかかるビーム走査装置において、光強度分布変換部内の２つのエタロンの温度調整をした場合の球面波変換部透過後の観測面におけるビーム走査の軌跡の例を模式的に示す図 実施の形態４にかかるビーム走査装置を含む光無線通信システムの構成例を示すブロック図 実施の形態４にかかるビーム走査装置の第２の光強度分布変換部に入射される平面波のレーザビーム、第２の光強度分布変換部から出射される平面波のレーザビーム、および光強度受光部の配置の例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかるビーム走査装置、光無線通信システムおよびビーム走査方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるビーム走査装置５を含む光無線通信システム１０の構成例を示すブロック図である。光無線通信システム１０は、ビーム走査装置５と、受信装置６と、を備える。図１では、ビーム走査装置５においてレーザビームの波長を変化させてレーザビームを走査することにより、ビーム走査装置５から出射されたレーザビームの光信号を受信装置６が受信する様子を示している。

ビーム走査装置５は、波長可変レーザ１と、平面波変換部２と、光強度分布変換部３と、球面波変換部４と、を備える。ビーム走査装置５では、波長可変レーザ１がレーザビームを出射すると、平面波変換部２がレーザビームを平面波のレーザビームに変換する。光強度分布変換部３は、後述するように、波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの波長、例えば、波長λ₁または波長λ₂に従って、波長によって異なる位置に光強度のピークを分布させる光強度分布変換を行う。また、光強度分布変換部３は、光強度分布変換によってレーザビームを単峰性の光強度分布とし、波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの波長に従って光強度分布を空間的に変化させる。球面波変換部４は、光強度分布変換部３で光強度分布変換された平面波のレーザビームを球面波のレーザビームに変換し、光強度分布変換部３から入射されたレーザビームの位置に基づいてレーザビームの出射方向を変化させる。受信装置６は、ビーム走査装置５から自装置の方向に出射されたレーザビームを受信する。受信装置６は、レーザビームすなわち光信号を受信する装置であり、移動型または固定型のいずれでも良い。このように、ビーム走査装置５は、波長を変化させてレーザビームを走査することにより、受信装置６の位置にレーザビームを送信することができる。

ビーム走査装置５の各構成について詳細に説明する。

波長可変レーザ１は、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ）レーザまたはＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザなどの半導体レーザ素子であり、平面波変換部２へ波長を変えながらレーザビームを出射する。波長可変レーザ１は、規定されたエリアにおいてレーザビームの走査ができるように、波長を変えてレーザビームを生成し、生成したレーザビームを出射する。波長可変レーザ１は、ここでは、球面波のレーザビームを平面波変換部２へ出射する。波長可変レーザ１では、半導体レーザ素子を使用する場合、半導体レーザ素子の温度を変化させることで容易にレーザビームの波長を変化させることができる。半導体レーザ素子の温度を変化させる方法には、例えば、ペルチェ素子上に半導体レーザ素子を配置して温度を変化させる方法、また、半導体レーザ素子周辺に薄膜抵抗などといった抵抗体を配置して電流を流し、温度を変化させる方法などがある。また、波長可変レーザ１では、半導体レーザ素子にキャリア注入を行い、キャリアプラズマ効果によりレーザビームの波長シフトを行っても良い。なお、波長可変レーザ１については、ファイバレーザなどを用いても良い。

平面波変換部２は、コリメートレンズにより構成される。平面波変換部２は、波長可変レーザ１から入射されたレーザビームのスポットサイズに合わせて焦点距離を調整し、波長可変レーザ１から入射されたレーザビームのビーム径を光強度分布変換部３において望まれるビーム径に拡大する。平面波変換部２では、例えば、光強度分布変換部３へ出射するレーザビームのビーム径を０．５ｍｍまで拡大する場合、波長可変レーザ１から入射されたレーザビームの波長を１５５０ｎｍとすると、レーザビームの広がり角度は約０．０９４°程度となり、ビーム径が拡大されたレーザビームを疑似的に平面波と見なすことができる。このように、平面波変換部２は、波長可変レーザ１から入射された球面波のレーザビームを平面波のレーザビームに変換して、光強度分布変換部３へ出射する。なお、平面波変換部２では、波長可変レーザ１におけるレーザビームの出射方向を変化させることなく、波長可変レーザ１から入射されたレーザビームを平面波のレーザビームに変換するものとする。

光強度分布変換部３は、一例として、２つの光強度分布変換部によって構成されるものとする。図２は、実施の形態１にかかるビーム走査装置５の光強度分布変換部３の構成例を示すブロック図である。また、図３は、実施の形態１にかかるビーム走査装置５の各構成の配置の例を示す図である。図２に示すように、光強度分布変換部３は、第１の光強度分布変換部３１と、第２の光強度分布変換部３２と、を備える。また、図３の平面図に示すように、第１の光強度分布変換部３１を、水平面（ｘｚ平面）内で波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの出射方向（ｚ方向）、すなわち平面波変換部２から出射された平面波のレーザビームの出射方向に対して斜めに傾けて設置する。具体的に、平面波のレーザビームの出射方向と入射面３１１の法線方向との角度が０°よりも大きく９０°より小さい角度となる。これにより、第１の光強度分布変換部３１の入射面３１１の法線方向に対して、平面波のレーザビームが傾いて入射面３１１に入射される。入射面３１１を第１の入射面とする。また、図３の側面図に示すように、第２の光強度分布変換部３２を、水平面と垂直かつ波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの出射方向と平行な面（ｙｚ面）内で波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの出射方向（ｚ方向）、すなわち第１の光強度分布変換部３１から出射された平面波のレーザビームの出射方向に対して斜めに傾けて設置する。具体的に、平面波のレーザビームの出射方向と入射面３２１の法線方向との角度が０°よりも大きく９０°より小さい角度となる。これにより、第２の光強度分布変換部３２の入射面３２１の法線方向に対して、平面波のレーザビームが傾いて入射面３２１に入射される。入射面３２１を第２の入射面とする。なお、ここでは、図３に示すように、水平面内でレーザビームの出射方向に垂直な方向をｘ方向、鉛直方向をｙ方向とし、レーザビームの出射方向をｚ方向とする。

図４は、実施の形態１にかかるビーム走査装置５の第１の光強度分布変換部３１に入射される平面波のレーザビームおよび出射される平面波のレーザビームを示す図である。図４は、第１の光強度分布変換部３１としてエタロンを用い、ファブリペロー干渉を利用する様子を示している。第１の光強度分布変換部３１の入射面３１１には、平面波のレーザビームが無反射で入射するようにＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コートが一部分に施されるとともに、内部で平面波のレーザビームが全反射するように金コートが他の部分に施されている。一方、第１の光強度分布変換部３１の出射面３１２には平面波のレーザビームが部分反射するように部分反射コートが施されている。なお、図４に示すように、平面波変換部２から入射された平面波のレーザビームの進行方向をｚ方向、紙面に垂直な方向をｙ方向としている。図４において、実線の矢印で模式的に示すように、第１の光強度分布変換部３１に入射された平面波のレーザビームは第１の光強度分布変換部３１の内部で多重反射し、複数の平面波のレーザビームが第１の光強度分布変換部３１の出射面３１２から出射される。ここで、ビーム走査装置５では、波長可変レーザ１、または平面波変換部２、または波長可変レーザ１および平面波変換部２の制御により、第１の光強度分布変換部３１に入射されるビーム径を、第１の光強度分布変換部３１内部で多重反射される複数の平面波のレーザビームについて隣接する平面波のレーザビーム同士が重なるビーム径、すなわち、第１の光強度分布変換部３１から第２の光強度分布変換部３２へ出射される複数の平面波のレーザビーム間で隙間が発生しないビーム径とする。これにより、第１の光強度分布変換部３１では、副次的な回折光を抑制しつつ、単峰性の光強度分布となり、光強度分布をレーザビームの波長に従って二次元方向に空間的に変化させることができる。第１の光強度分布変換部３１では、隣接する平面波のレーザビームが重なって干渉することにより、平面波のレーザビームの光強度のピーク位置を、平面波のレーザビームの波長によって異なる位置に分布される単峰性の光強度分布に変換する。

図５は、実施の形態１にかかるビーム走査装置５において、ｘｙ平面に平行な第１の光強度分布変換部３１透過後の観測面における光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。図５において、縦軸は光強度（ａ．ｕ．（ａｒｂｉｔｒａｒｙ．ｕｎｉｔ．）で示す任意単位）を表し、横軸は図４に示すｘ軸方向の位置（ｍｍ単位）を表す。なお、波長可変レーザ１から出射されたレーザビームのビーム径の中心の位置のｘ座標をｘ＝０とする。図５に示すように、波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの波長λ₁＝１５５０．５３ｎｍのときの光強度と、波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの波長λ₂＝１５５０．７３ｎｍのときの光強度とを比較すると、第１の光強度分布変換部３１透過後では、光強度のピーク位置が０．１３８ｍｍ異なることが分かる。このように、第１の光強度分布変換部３１では、波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの波長変化によって水平（ｘ軸）方向に光強度分布を変化させることができる。第１の光強度分布変換部３１から出射されるレーザビームについて、出射されるレーザビームは平面波に近いため、出射角度は変わらずに光強度分布を維持したまま第２の光強度分布変換部３２に伝搬することになる。

図６は、実施の形態１にかかるビーム走査装置５の第２の光強度分布変換部３２に入射される平面波のレーザビームおよび出射される平面波のレーザビームを示す図である。図６は、第２の光強度分布変換部３２としてエタロンを用い、ファブリペロー干渉を利用する様子を示している。第２の光強度分布変換部３２の入射面３２１には、平面波のレーザビームが無反射で入射するようにＡＲコートが一部分に施されるとともに、内部で平面波のレーザビームが全反射するように金コートが他の部分に施されている。一方、第２の光強度分布変換部３２の出射面３２２には平面波のレーザビームが部分反射するように部分反射コートが施されている。なお、図６で示すように、第１の光強度分布変換部３１から入射された平面波のレーザビームの進行方向をｚ方向、紙面に垂直な方向をｘ方向としている。図６において、実線の矢印で模式的に示すように、第２の光強度分布変換部３２に入射された平面波のレーザビームは第２の光強度分布変換部３２の内部で多重反射し、複数の平面波のレーザビームが第２の光強度分布変換部３２の出射面３２２から出射される。ここで、ビーム走査装置５では、波長可変レーザ１、または平面波変換部２、または波長可変レーザ１および平面波変換部２の制御により、第１の光強度分布変換部３１から第２の光強度分布変換部３２に入射されるビーム径を、第２の光強度分布変換部３２内部で多重反射される複数の平面波のレーザビームについて隣接する平面波のレーザビーム同士が重なるビーム径、すなわち、第２の光強度分布変換部３２から球面波変換部４へ出射される複数の平面波のレーザビーム間で隙間が発生しないビーム径とする。これにより、第２の光強度分布変換部３２では、副次的な回折光を抑制しつつ、単峰性の光強度分布となり、光強度分布をレーザビームの波長に従って二次元方向に空間的に変化させることができる。第２の光強度分布変換部３２では、隣接する平面波のレーザビームが重なって干渉することにより、平面波のレーザビームの光強度のピーク位置を、平面波のレーザビームの波長によって異なる位置に分布される単峰性の光強度分布に変換する。

図７は、実施の形態１にかかるビーム走査装置５において、ｘｙ平面に平行な第２の光強度分布変換部３２透過後の観測面における光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。図７において、縦軸は光強度（ａ．ｕ．で示す任意単位）を表し、横軸は図６に示すｙ軸方向の位置（ｍｍ単位）を表す。なお、波長可変レーザ１から出射されたレーザビームのビーム径の中心の位置のｙ座標をｙ＝０とする。図７に示すように、波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの波長λ₁＝１５５０．５３ｎｍのときの光強度と、波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの波長λ₂＝１５５０．７３ｎｍのときの光強度とを比較すると、第２の光強度分布変換部３２透過後では、光強度のピーク位置が０．１３８ｍｍ異なることが分かる。このように、第２の光強度分布変換部３２では、波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの波長変化によって鉛直（ｙ軸）方向に光強度分布を変化させることができる。第２の光強度分布変換部３２から出射されるレーザビームについて、出射されるレーザビームは平面波に近いため、出射角度は変わらずに光強度分布を維持したまま球面波変換部４に伝搬することになる。

図１の説明に戻って、球面波変換部４は、凸レンズにより構成される。球面波変換部４は、入射された平面波のレーザビームを、球面波のレーザビームに変換する。ここで、光強度分布変換部３によって光強度分布が空間的に変化されたことで、球面波変換部４へ入射される平面波のレーザビームの光強度分布は変化されている。球面波変換部４では、平行に入射する光は出射側の焦点を通過するように直進するため、入射する平面波のレーザビームを、入射する平面波のレーザビームの光強度分布変化に従った出射角度に変換することが可能である。球面波変換部４へ入射される平面波のレーザビームの光強度分布は、光強度分布変換部３において二次元方向に変化されているため、ビーム走査装置５では、球面波変換部４通過後のレーザビームを二次元方向に走査することが可能である。

なお、図１において、ビーム走査装置５から受信装置６の位置までが非常に短距離の場合、球面波変換部４の凸レンズの焦点距離以下で使用することも可能であるが、焦点距離以降の結像後の光を使用しても良い。この場合、球面波変換部４から出射されるレーザビームは球面波となるため、減衰が大きくなる。また、凸レンズの中心位置からずれるため、凸レンズによる収差が発生し易くなる。そのため、凸レンズ中心軸近傍を使用することが好ましい。

ビーム走査装置５におけるビーム走査方法について、フローチャートを用いて説明する説明する。図８は、実施の形態１にかかるビーム走査装置５のビーム走査方法の例を示すフローチャートである。まず、ビーム走査装置５の波長可変レーザ１は、規定されたエリアでレーザビームの走査ができる範囲で波長を変えてレーザビームを出射する（ステップＳ１）。平面波変換部２は、波長可変レーザ１から出射されたレーザビームを平面波のレーザビームに変換する（ステップＳ２）。水平面内で前記レーザビームの出射方向に対して斜めに傾けて設置された第１の光強度分布変換部３１と、前記水平面と垂直かつ前記レーザビームの出射方向と平行な面内で前記レーザビームの出射方向に対して斜めに傾けて設置された第２の光強度分布変換部３２と、を有する光強度分布変換部３は、平面波のレーザビームの波長によって平面波のレーザビームの光強度のピーク位置を変換する（ステップＳ３）。そして、球面波変換部４は、光強度のピーク位置が変換された平面波のレーザビームを球面波のレーザビームに変換し、光強度のピーク位置によって出射角度を変えてレーザビームを出射する（ステップＳ４）。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ビーム走査装置５では、光強度分布変換部３において、エタロン内部で多重反射される平面波としての複数のレーザビームの隣接レーザビーム同士が重なるビーム径とすることで、副次的な回折光を抑制しつつ、単峰性の光強度分布となり、光強度分布をレーザビームの波長に従って二次元方向に空間的に変化させる。また、球面波変換部４により、光強度分布に従った出射角度に変換してレーザビームを出射することとした。これにより、レーザビームの波長を変化させてレーザビームを走査するビーム走査装置５において、単峰性のレーザビームを機械的な駆動に頼らず二次元方向に走査することができるという作用効果を奏する。

また、ビーム走査装置５を含む光無線通信システム１０では、副次的な回折光が抑制されて走査された単峰性のレーザビームの光信号を受信装置６で受信することができる。これにより、光無線通信システム１０において、副次的な回折光としてのノイズが抑制され、信号対雑音比といった通信品質に優れた光無線通信を行うことができるという作用効果を奏する。

なお、実施の形態１では、光強度分布変換部３において２つのエタロンを使用する場合について説明したが、これに限定されるものではない。図１に示すビーム走査装置５において、光強度分布変換部３を１つのエタロンで構成しても同様の作用効果を奏する。この場合、光強度分布変換部３である１つのエタロンを水平面（ｘｚ平面）内で波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの出射方向（ｚ方向）に対して斜めに傾けて設置し、かつ、水平面と垂直かつ波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの出射方向と平行な面（ｙｚ面）内で波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの出射方向（ｚ方向）に対して斜めに傾けて設置する。具体的に、平面波変換部２から出射された平面波のレーザビームの出射方向と１つのエタロンの入射面の法線方向との角度が０°よりも大きく９０°より小さい角度となる。これにより、光強度分布変換部３である１つのエタロンの入射面の法線方向に対し、平面波変換部２から平面波のレーザビームが傾いて入射面に入射される。また、ビーム走査装置５では、波長可変レーザ１、または平面波変換部２、または波長可変レーザ１および平面波変換部２の制御により、光強度分布変換部３に入射されるビーム径を、光強度分布変換部３内部で多重反射される複数の平面波のレーザビームについて隣接する平面波のレーザビーム同士が重なるビーム径、すなわち、光強度分布変換部３から球面波変換部４へ出射される複数の平面波のレーザビーム間で隙間が発生しないビーム径とする。これにより、光強度分布変換部３では、副次的な回折光を抑制しつつ、単峰性の光強度分布となり、光強度分布をレーザビームの波長に従って二次元方向に空間的に変化させることができる。また、球面波変換部４により、光強度分布に従った出射角度に変換してレーザビームを出射することとした。これにより、光強度分布変換部３において２つのエタロンを使用する場合と同様、レーザビームの波長を変化させてレーザビームを走査するビーム走査装置５において、単峰性のレーザビームを機械的な駆動に頼らず二次元方向に走査することができるという作用効果を奏する。

実施の形態２．
実施の形態１では、光強度分布変換部３の第１の光強度分布変換部３１のエタロンおよび第２の光強度分布変換部３２のエタロンについて、フリースペクトルレンジ（以下、ＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ）とする）を指定していなかった。実施の形態２では、光強度分布変換部３の第１の光強度分布変換部３１および第２の光強度分布変換部３２において２つのエタロンが異なるＦＳＲを有する場合について説明する。

実施の形態２における光無線通信システム１０の構成は、図１に示す実施の形態１のときの構成と同様である。また、実施の形態２における光強度分布変換部３の構成は、図２に示す実施の形態１のときの構成と同様である。実施の形態２では、第１の光強度分布変換部３１のエタロンおよび第２の光強度分布変換部３２のエタロンについて、透過特性に周期的な波長依存性を有するエタロンを用いる。すなわち、実施の形態２では、波長可変レーザ１から出射されるレーザビームの波長変化に従って、第１の光強度分布変換部３１のエタロンおよび第２の光強度分布変換部３２のエタロンを透過する光の強度分布が周期的に変化する。これにより、ビーム走査装置５では、球面波変換部４から出射されるレーザビームの走査方向を周期的に変化することができる。レーザビームの走査方向の変化の周期は各エタロンのＦＳＲに対応し、ＦＳＲはエタロンの大きさと屈折率により一意に決定する。

図９は、実施の形態２にかかるビーム走査装置５において、光強度分布変換部３内の２つのエタロンが異なるＦＳＲである場合の球面波変換部４透過後の観測面におけるビーム走査の軌跡を模式的に示す図である。第１の光強度分布変換部３１のエタロンのＦＳＲが第２の光強度分布変換部３２のエタロンのＦＳＲの１／８倍の場合、ｘｙ平面に平行な凸レンズを有する球面波変換部４透過後におけるビーム走査の軌跡は図９のように示すことができる。水平方向のビーム走査周期が鉛直方向のビーム走査周期の１／８倍となるため、ビーム走査装置５では、図９に示すように軌跡の限定されたレーザビームの走査を行う。

図１０は、実施の形態２にかかるビーム走査装置５において、光強度分布変換部３内の２つのエタロンが同一のＦＳＲである場合の球面波変換部４透過後の観測面におけるビーム走査の軌跡を模式的に示す図である。第１の光強度分布変換部３１のエタロンのＦＳＲが第２の光強度分布変換部３２のエタロンのＦＳＲと同一の場合、ｘｙ平面に平行な凸レンズを有する球面波変換部４透過後におけるビーム走査の軌跡は図１０のように示すことができる。ｘ方向およびｙ方向において光強度分布の変化が同じため、ビーム走査装置５では、図１０に示すように軌跡の限定されたレーザビームの走査を行う。

図９および図１０から、ビーム走査装置５では、光強度分布変換部３内の２つのエタロンが各々異なるＦＳＲを有する場合、光強度分布変換部３内の２つのエタロンが同一の場合よりも、ビームの走査範囲を広げることが可能であることが分かる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ビーム走査装置５では、実施の形態１と同様の効果を得るとともに、光強度分布変換部３内の２つのエタロンについて異なるＦＳＲにすることにより、光強度分布変換部３内の２つのエタロンが同一のＦＳＲの場合よりも、レーザビームの走査範囲を広げることができるという作用効果を奏する。

実施の形態３．
実施の形態３では、第１の光強度分布変換部および第２の光強度分布変換部において各々がエタロンの温度を調整する素子である温調素子を備える場合について説明する。

図１１は、実施の形態３にかかるビーム走査装置５ａを含む光無線通信システム１０ａの構成例を示すブロック図である。光無線通信システム１０ａは、ビーム走査装置５ａと、受信装置６と、を備える。ビーム走査装置５ａは、図１に示すビーム走査装置５に対して、光強度分布変換部３を光強度分布変換部３ａに置き換えた構成である。光強度分布変換部３ａは、第１の光強度分布変換部３１ａと、第２の光強度分布変換部３２ａと、を備える。第１の光強度分布変換部３１ａは、エタロン３３と、温調素子３４と、を備える。また、第２の光強度分布変換部３２ａは、エタロン３５と、温調素子３６と、を備える。エタロン３３，３５は、透過特性に温度依存性を有するエタロンである。温調素子３４，３６は、ペルチェ素子またはヒーターなどの素子である。温調素子３４はエタロン３３の温度を制御し、温調素子３６はエタロン３５の温度を制御する。

ビーム走査装置５ａ内における第１の光強度分布変換部３１ａのエタロン３３の配置は、実施の形態１の第１の光強度分布変換部３１であるエタロンのビーム走査装置５内の配置と同様とする。また、エタロン３３に入射および出射されるレーザビームは図４と同様とする。同様に、ビーム走査装置５ａ内における第２の光強度分布変換部３２ａのエタロン３５の配置は、実施の形態１の第２の光強度分布変換部３２であるエタロンのビーム走査装置５内の配置と同様とする。また、エタロン３５に入射および出射されるレーザビームは図６と同様とする。

図１２は、実施の形態３にかかるビーム走査装置５ａにおいて、ｘｙ平面に平行な第１の光強度分布変換部３１ａのエタロン３３透過後の観測面における光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。図１２において、縦軸は光強度（ａ．ｕ．で示す任意単位）を表し、横軸は図４に示すｘ軸方向の位置（ｍｍ単位）を表す。なお、波長可変レーザ１から出射されたレーザビームのビーム径の中心の位置のｘ座標をｘ＝０とする。図１２に示すように、波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの波長が１５５０．５３ｎｍで一定の場合、エタロン３３の温度が２０℃のときの光強度と、エタロン３３の温度が３５℃のときの光強度を比較すると、光強度のピーク位置が０．１２２ｍｍ異なることが分かる。このように、第１の光強度分布変換部３１ａでは、平面波変換部２から出射された平面波のレーザビームについて、エタロン３３の温度変化によって水平（ｘ軸）方向に光強度分布を変化させることができる。

図１３は、実施の形態３にかかるビーム走査装置５ａにおいて、ｘｙ平面に平行な第２の光強度分布変換部３２ａのエタロン３５透過後の観測面における、光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。図１３において、縦軸は光強度（ａ．ｕ．で示す任意単位）を表し、横軸は図６に示すｙ軸方向の位置（ｍｍ単位）を表す。なお、波長可変レーザ１から出射されたレーザビームのビーム径の中心の位置のｙ座標をｙ＝０とする。図１３に示すように、波長可変レーザ１から出射されたレーザビームの波長が１５５０．５３ｎｍで一定の場合、エタロン３５の温度が２０℃のときの光強度と、エタロン３５の温度が３５℃のときの光強度を比較すると、光強度のピーク位置が０．１２２ｍｍ異なることが分かる。このように、第２の光強度分布変換部３２ａでは、第１の光強度分布変換部３１ａから出射された平面波のレーザビームについて、エタロン３５の温度変化によって鉛直（ｙ軸）方向に光強度分布を変化させることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ビーム走査装置５ａでは、光強度分布変換部３１ａおよび３２ａにおいて独立にエタロンを温度変化させることとした。これにより、ビーム走査装置５ａは、実施の形態１と同様の効果を得るとともに、光強度分布変換部３ａ透過後の光強度分布を水平方向および鉛直方向へ独立に変化させることができる。例えば、ビーム走査装置５ａは、ｘｙ平面に平行な球面波変換部４通過後において、実施の形態１，２と異なり、図１４に示すように任意の方向へレーザビームを走査できるという作用効果を奏する。図１４は、実施の形態３にかかるビーム走査装置５ａにおいて、光強度分布変換部３ａ内の２つのエタロンの温度調整をした場合の球面波変換部４透過後の観測面におけるビーム走査の軌跡の例を模式的に示す図である。

なお、ビーム走査装置５ａでは、光強度分布変換部３１ａ，３２ａの温度調整によって光強度分布変換部３１ａ，３２ａを透過する光強度分布を変化させることができる。そのため、最初にレーザビームを出射するレーザについては、出射するレーザビームの波長を可変可能なレーザでなくても良い。

実施の形態４．
実施の形態１のビーム走査装置５では、ファブリペロー干渉を利用するため、波長変化に対応するＦＳＲによってレーザビームの光出力が変動する。実施の形態４では、ビーム走査装置において、レーザビームの光出力を一定の状態でレーザビームの走査を可能とするため、ＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御を行う場合について説明する。

図１５は、実施の形態４にかかるビーム走査装置５ｂを含む光無線通信システム１０ｂの構成例を示すブロック図である。また、図１６は、実施の形態４にかかるビーム走査装置５ｂの第２の光強度分布変換部３２ｂに入射される平面波のレーザビーム、第２の光強度分布変換部３２ｂから出射される平面波のレーザビーム、および光強度受光部７の配置の例を示す図である。光無線通信システム１０ｂは、ビーム走査装置５ｂと、受信装置６と、を備える。ビーム走査装置５ｂは、図１に示すビーム走査装置５に対して、波長可変レーザ１および光強度分布変換部３を波長可変レーザ１ｂおよび光強度分布変換部３ｂに置き換え、さらに、光強度受光部７を追加した構成である。

光強度分布変換部３ｂは、第１の光強度分布変換部３１と、第２の光強度分布変換部３２ｂとを備える。第２の光強度分布変換部３２ｂはエタロンにより構成される。第２の光強度分布変換部３２ｂのエタロンは、実施の形態１の第２の光強度分布変換部３２のエタロンと異なり、入射面３２ｂ１にはレーザビームが無反射で入射するようにＡＲコートが一部分に施されるとともに、内部でレーザビームが部分反射するように部分反射コートが他の部分に施されている。なお、第２の光強度分布変換部３２ｂのエタロンの配置は、実施の形態１の第２の光強度分布変換部３２のエタロンと同様である。

光強度受光部７は、第２の光強度分布変換部３２ｂのエタロンの入射面３２ｂ１側で、入射面３２ｂ１における透過光強度の変動をモニタすることで、第２の光強度分布変換部３２ｂのエタロンの出射面３２ｂ２の透過光強度の変動の情報を得る。入射面３２ｂ１を第２の入射面とする。光強度受光部７は、モニタした結果得られた第２の光強度分布変換部３２ｂのエタロンの出射面３２ｂ２の透過光強度の変動の情報に基づいて、第２の光強度分布変換部３２ｂのエタロンの出射面３２ｂ２の透過光強度が一定になるように、すなわち球面波変換部４から出射されるレーザビームの光強度が一定になるように、波長可変レーザ１ｂに流す電流を制御する。光強度受光部７は、例えば、球面波変換部４から出射されるレーザビームの光強度が一定の光強度より大きい場合は波長可変レーザ１ｂに流す電流を小さくし、球面波変換部４から出射されるレーザビームの光強度が一定の光強度より小さい場合は波長可変レーザ１ｂに流す電流を大きくする制御を行う。なお、光強度受光部７は、球面波変換部４から出射されるレーザビームの光強度が規定された範囲内の光強度になるように、波長可変レーザ１ｂに流す電流を制御しても良い。光強度受光部７は、図１６に示すような配置において、第２の光強度分布変換部３２ｂのエタロンの入射面３２ｂ１側で、入射面３２ｂ１における透過光強度の変動をモニタする。光強度受光部７は、例えば、レーザビームの光強度を測定する素子、および波長可変レーザ１ｂに流す電流を制御可能な処理回路により構成される。

波長可変レーザ１ｂは、光強度受光部７の制御によって、球面波変換部４から出射されるレーザビームの光強度が一定になるように、レーザビームの光強度を変化させて出射する。

なお、光強度受光部７が波長可変レーザ１ｂを制御する場合について説明したが、これに限定されるものではない。光強度受光部７が、第２の光強度分布変換部３２ｂのエタロンの出射面３２ｂ２の透過光強度の変動をモニタした結果の情報を波長可変レーザ１ｂへ通知し、波長可変レーザ１ｂが、光強度受光部７から取得した光強度受光部７によるモニタの結果、すなわち第２の光強度分布変換部３２ｂのエタロンの出射面３２ｂ２の透過光強度の変動の情報に基づいて、出射するレーザビームの光強度を制御しても良い。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ビーム走査装置５ｂは、第２の光強度分布変換部３２ｂのエタロンの入射面３２ｂ１側に光強度受光部７を設置して光強度をモニタし、ＡＰＣ制御を行うこととした。これにより、ビーム走査装置５ｂは、実施の形態１と同様の効果を得るとともに、一定の光強度で球面波変換部４からレーザビームを出射して、レーザビームの走査を行うことができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，１ｂ 波長可変レーザ、２ 平面波変換部、３，３ａ，３ｂ 光強度分布変換部、４ 球面波変換部、５，５ａ，５ｂ ビーム走査装置、６ 受信装置、７ 光強度受光部、１０，１０ａ，１０ｂ 光無線通信システム、３１，３１ａ 第１の光強度分布変換部、３２，３２ａ，３２ｂ 第２の光強度分布変換部、３３，３５ エタロン、３４，３６ 温調素子、３１１，３２１，３２ｂ１ 入射面、３１２，３２２，３２ｂ２ 出射面。

Claims (12)

1. 波長を変えてレーザビームを出射可能な波長可変レーザと、
   前記レーザビームを平面波のレーザビームに変換する平面波変換部と、
   水平面内で前記レーザビームの出射方向に対して斜めに傾けて設置された第１の光強度分布変換部、および前記水平面と垂直かつ前記レーザビームの出射方向と平行な面内で前記レーザビームの出射方向に対して斜めに傾けて設置された第２の光強度分布変換部を有し、前記平面波のレーザビームの波長によって前記平面波のレーザビームの光強度のピーク位置を変換する光強度分布変換部と、
   前記光強度のピーク位置が変換された平面波のレーザビームを球面波のレーザビームに変換する球面波変換部と、
   を備えることを特徴とするビーム走査装置。
2. 前記平面波変換部から出射された平面波のレーザビームは、前記第１の光強度分布変換部の第１の入射面の法線方向に対して傾いて入射され、
   前記第１の光強度分布変換部から出射された平面波のレーザビームは、前記第２の光強度分布変換部の第２の入射面の法線方向に対して傾いて入射される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のビーム走査装置。
3. 前記第１の光強度分布変換部および前記第２の光強度分布変換部はエタロンにより構成され、
   前記第１の光強度分布変換部のエタロンに入射される前記平面波のレーザビームのビーム径を、前記第１の光強度分布変換部のエタロン内部で多重反射される複数の平面波のレーザビームについて隣接する平面波のレーザビーム同士が重なるビーム径とし、
   前記第２の光強度分布変換部のエタロンに入射される前記平面波のレーザビームのビーム径を、前記第２の光強度分布変換部のエタロン内部で多重反射される複数の平面波のレーザビームについて隣接する平面波のレーザビーム同士が重なるビーム径とする、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のビーム走査装置。
4. 前記第１の光強度分布変換部および前記第２の光強度分布変換部はエタロンにより構成され、各エタロンは異なるフリースペクトルレンジを有する、
   ことを特徴とする請求項１，２または３に記載のビーム走査装置。
5. 前記第１の光強度分布変換部および前記第２の光強度分布変換部の各々は、
   透過特性に温度依存性を有するエタロンと、
   前記エタロンの温度を制御する温調素子と、
   を備えることを特徴とする請求項１，２または３に記載のビーム走査装置。
6. 前記温調素子はペルチェ素子であることを特徴とする請求項５に記載のビーム走査装置。
7. 前記温調素子はヒーターであることを特徴とする請求項５に記載のビーム走査装置。
8. 前記第２の光強度分布変換部の第２の入射面における透過光強度をモニタした結果に基づいて、前記波長可変レーザから出射される前記レーザビームの出力を制御する光強度受光部、
   を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載のビーム走査装置。
9. 前記第２の光強度分布変換部の第２の入射面における透過光強度をモニタする光強度受光部、を備え、
   前記波長可変レーザは、前記光強度受光部から取得したモニタの結果に基づいて、出射する前記レーザビームの出力を制御する、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載のビーム走査装置。
10. 波長を変えてレーザビームを出射可能な波長可変レーザと、
    前記レーザビームを平面波のレーザビームに変換する平面波変換部と、
    水平面内で前記レーザビームの出射方向に対して斜めに傾けて設置され、かつ、前記水平面と垂直かつ前記レーザビームの出射方向と平行な面内で前記レーザビームの出射方向に対して斜めに傾けて設置され、前記平面波のレーザビームの波長によって前記平面波のレーザビームの光強度のピーク位置を変換する光強度分布変換部と、
    前記光強度のピーク位置が変換された平面波のレーザビームを球面波のレーザビームに変換する球面波変換部と、
    を備え、前記光強度分布変換部の入射面の法線方向に対して、前記平面波のレーザビームが傾いて前記入射面に入射されることを特徴とするビーム走査装置。
11. 請求項１から１０のいずれか１つに記載のビーム走査装置と、
    前記ビーム走査装置から出射されたレーザビームの光信号を受信する受信装置と、
    を備えることを特徴とする光無線通信システム。
12. 波長可変レーザが、波長を変えてレーザビームを出射する出射ステップと、
    平面波変換部が、前記レーザビームを平面波のレーザビームに変換する平面波変換ステップと、
    水平面内で前記レーザビームの出射方向に対して斜めに傾けて設置された第１の光強度分布変換部、および前記水平面と垂直かつ前記レーザビームの出射方向と平行な面内で前記レーザビームの出射方向に対して斜めに傾けて設置された第２の光強度分布変換部を有する光強度分布変換部が、前記平面波のレーザビームの波長によって前記平面波のレーザビームの光強度のピーク位置を変換する光強度分布変換ステップと、
    球面波変換部が、前記光強度のピーク位置が変換された平面波のレーザビームを球面波のレーザビームに変換し、光強度のピーク位置によって出射角度を変えてレーザビームを出射する球面波変換ステップと、
    を含み、前記光強度分布変換部の入射面の法線方向に対して、前記平面波のレーザビームが傾いて前記入射面に入射されることを特徴とするビーム走査方法。

Images