JP6879032B2

JP6879032B2 - レーザレーダ装置およびレーザレーダ光集積回路

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Publication number: JP6879032B2
Application number: JP2017086255A
Authority: JP
Inventors: 大介井上; 正市川; 朱里中尾
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Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2021-06-02
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Also published as: JP2018185196A

Description

本発明は、レーザレーダ装置およびレーザレーダ光集積回路に関する。

従来から、周波数変調されたＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)レーザの光を対象物に送信し、対象物で反射した反射光を受信部で受信してヘテロダイン検波を行うことにより、対象物とのドップラーシフト周波数を算出し、対象物までの距離および対象物の速度を測定するＦＭＣＷ方式のレーザレーダ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３３８２４３号公報

ＦＭＣＷ方式を用いたレーザレーダ装置のドップラーシフト周波数ｆ_dは、光の波長をλ、対象物との相対速度をｖとすれば、（１）式から算出される。

（数１）
ｆ_d＝２ｖ／λ ・・・（１）

例えば、レーザレーダ装置を実装した走行中の車両から対向車線を走行する車両までの距離を測定する場合に、それぞれの車両が時速１００ｋｍで走行しており、レーザレーダ装置から送信される光の波長が１μｍであるとする。この場合のドップラーシフト周波数ｆ_dは（１）式から１１１ＭＨｚとなる。

ドップラーシフト周波数ｆ_dはアナログ値として取得されるため、対象物までの距離等を演算するにあたり、レーザレーダ装置は、ＡＤ変換器でドップラーシフト周波数ｆ_dをデジタル値に変換する。

アナログ値で表される入力信号をデジタル値に変換するには、入力信号を２倍以上のサンプリング周波数でサンプリングする必要がある。したがって、上記の例では、２２２ＭＨｚ以上のサンプリング周波数を用いる必要があるが、取り扱う周波数が高くなるに従って、当該周波数に対応する部品の価格が上昇する。また、周波数が高くなるに従って雑音が発生しやすくなるため、発生する雑音を低減させる等の高周波特有の対策を行う必要がある。

更に、レーザレーダ装置に用いる光の波長を短くするほど、対象物までの距離の測定精度が高くなることから、レーザレーダ装置で測定されるドップラーシフト周波数ｆ_dは上昇する傾向にあり、それに伴ってレーザレーダ装置のコストも上昇することになる。

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、測定精度を低下させることなく、従来よりも簡単な構成で対象物までの距離を測定するレーザレーダ装置およびレーザレーダ光集積回路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に記載のレーザレーダ装置は、時間と共に周波数が変化する光を対象物に向けて送信する送信部と、前記送信部から送信した光のうち、前記対象物で反射した光を受信する受信部と、前記送信部で送信した光と、前記受信部で受信した光とのずれに基づいて、前記対象物までの距離を演算する演算部と、を備え、前記受信部に、通過する光の周波数によって屈折率が異なる異常分散材が設けられ、前記受信部に設けられた前記異常分散材は、通過する光を時間軸方向に伸長させる屈折率を有する。

請求項２に記載のレーザレーダ装置は、前記送信部に前記異常分散材が設けられ、前記送信部に設けられた前記異常分散材は、通過する光を時間軸方向に圧縮し、光の強度を圧縮前より上昇させる屈折率を有する。

請求項３に記載のレーザレーダ装置は、受信した光を時分割し、時分割した各々の光を異なる経路に伝播する光マルチプレクサが設けられ、前記経路の各々に前記異常分散材が設けられる。

請求項４に記載のレーザレーダ装置は、前記異常分散材が、複数のエアホールが配置されたフォトニック結晶である。

請求項５に記載のレーザレーダ装置は、前記複数のエアホールに、異なる大きさのエアホールが含まれる。

請求項６に記載のレーザレーダ装置は、前記異常分散材が回折格子である。

請求項７に記載のレーザレーダ装置は、前記異常分散材がプリズムである。

請求項８に記載のレーザレーダ光集積回路は、請求項１から請求項７の何れか１項に記載のレーザレーダ装置が光集積回路で構成される。

以上説明したように、本発明に係るレーザレーダ装置およびレーザレーダ光集積回路によれば、測定精度を低下させることなく、従来よりも簡単な構成で対象物までの距離を測定することができる、という効果を奏する。

第１実施形態に係るレーザレーダ装置の構成例を示す図である。伸長前の送信光および受信光の波形の一例を示す図である。光の伸長の一例を示す模式図である。伸長後の送信光および受信光の波形の一例を示す図である。フォトニック結晶の一例を示す図である。フォトニック結晶における屈折率特性の一例を示す図である。フォトニック結晶の一例を示す図である。回折格子の一例を示す図である。回折格子における光の経路例を示す図である。プリズム群の一例を示す図である。第２実施形態に係るレーザレーダ装置の構成例を示す図である。光の圧縮によるピークパワーの変化の一例を示す模式図である。第３実施形態に係るレーザレーダ装置の構成例を示す図である。第３実施形態に係るレーザレーダ装置の受信光の波形の一例を示す図である。光フェーズドアレイアンテナの一例を示す図である。

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。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施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。図１に示すように、レーザレーダ装置１０は、導波路４〜８、駆動回路１２、レーザ光源１４、ＳＳＢ(Single Side Band)変調器１６、送信アンテナ１８、受信アンテナ２０、伸長器２２、フォトダイオード２４、ＡＤ(Analog/Digital)変換器２６、信号処理回路２８および制御回路３０を含む。

駆動回路１２がレーザ光源１４に供給する電圧または電流の大きさを調整してレーザ光源１４を駆動することで、レーザ光源１４からレーザ光が照射される。

レーザ光源１４には、例えば予め定めた単一波長のレーザ光を照射するＤＦＢ(Distributed Feedback)レーザが用いられる。

レーザ光源１４から照射されたレーザ光（以降、「送信光ＰＴ」という）は導波路４を伝播してＳＳＢ変調器１６に入力さる。

ＳＳＢ変調器１６は、予め定めた周波数を有する搬送波信号を用いて送信光ＰＴの周波数を上昇させると共に、送信光ＰＴを線形に掃引して、例えば時間と共に周波数が変化する送信光ＰＴに変調する。

図２は、ＳＳＢ変調器１６で変調された送信光ＰＴの波形の一例を示す図である。図２の横軸は時間を表し、縦軸は周波数を表す。

ＳＳＢ変調器１６は、時間と共に送信光ＰＴの周波数を直線的に上昇させ、周波数が予め定めた上限周波数まで達すると、周波数を上昇前の周波数まで直線的に低下させ、予め定めた期間経過後に再び周波数を直線的に上昇させるような変調を繰り返すことで、送信光ＰＴの波形を図２に示すような三角形状の波形（いわゆる三角波）に制御する。

ＳＳＢ変調器１６で変調された送信光ＰＴは、導波路４に設けられた図示しない光カプラ等の分岐装置によって分岐され、分岐した一方の送信光ＰＴは送信アンテナ１８から対象物に向かって送信される。また、分岐した他方の送信光ＰＴは後ほど説明する伸長器２２に入力される。

ここで「対象物」とは、レーザレーダ装置１０による位置および動きに関する属性の測定対象となる物体のことをいい、レーザレーダ装置１０は、対象物のレーザレーダ装置１０からの距離や移動速度といった属性を測定する。

対象物に向かって送信された送信光ＰＴのうち対象物で反射した光は、受信アンテナ２０で受信光ＰＲとして受信される。受信アンテナ２０で受信した受信光ＰＲは、導波路８を伝播して伸長器２２に入力される。

伸長器２２は、周波数に応じて光の経路長を変化させ、光の波形を時間軸方向に伸長する装置である。具体的には、伸長器２２は、周波数が高くなるに従って経路長が長くなるように光の経路長を調整した装置である。

図３は、伸長器２２における光の伸長例を示す図である。図３において波形の横方向は時間軸を表す。伸長器２２に波形３４Ａを有する光が入力されると、波形が密の部分、すなわち比較的周波数が高い領域の光ほど伸長されることによって、図３に示すように波形３４Ａが時間軸方向に伸長され、波形３４Ｂのような波形を有する伸長された光に変換される。

波形３４Ａが時間軸方向に伸長されると、波形３４Ａを有する光の周波数が伸長前の周波数に比べて低下することになる。したがって、伸長器２２で送信光ＰＴおよび受信光ＰＲの各々の周波数が低下される。

フォトダイオード２４は、各々周波数が低下された送信光ＰＴおよび受信光ＰＲによる干渉光（以降、単に「干渉光」という場合がある）を受光し、受光した干渉光の光量に応じた電圧値をＡＤ変換器２６に出力する。なお、フォトダイオード２４は、受光した干渉光の光量に応じた電流値を出力するものであってもよい。

ＡＤ変換器２６は、連続値である干渉光の光量に応じた電圧値を離散値に変換して、送信光ＰＴおよび受信光ＰＲの周波数の差分に相当した周波数を有する干渉光の波形を取得し、信号処理回路２８に出力する。

信号処理回路２８は、受け付けた干渉光の波形に対して、例えば高速フーリエ変換を実行してドップラーシフト周波数ｆ_dを算出する。そして、信号処理回路２８は、ドップラーシフト周波数ｆ_dを用いて、例えば（１）式に基づいて対象物までの距離を算出すると共に、干渉光の周波数特性から対象物との相対速度を算出する。

制御回路３０は、駆動回路１２、ＡＤ変換器２６および信号処理回路２８で上述した動作が行われるように、駆動回路１２、ＡＤ変換器２６および信号処理回路２８をそれぞれ制御する。

なお、導波路４、駆動回路１２、レーザ光源１４、ＳＳＢ変調器１６および送信アンテナ１８は、送信光ＰＴを対象物に向けて送信する送信部に含まれる構成要素の一例であり、導波路８、受信アンテナ２０、伸長器２２およびフォトダイオード２４は、対象物で反射した光を受信する受信部に含まれる構成要素の一例である。また、ＡＤ変換器２６、信号処理回路２８および制御回路３０は、演算部に含まれる構成要素の一例である。

レーザレーダ装置１０において、レーザレーダ装置１０に伸長器２２を配置しなかった場合における送信光ＰＴと受信光ＰＲとの時間経過に伴う周波数の変化が図２で示されるとする。この場合、送信光ＰＴと受信光ＰＲとの周波数の差、すなわち「差周波」はΔｆ₁で示される。

一方、レーザレーダ装置１０に伸長器２２を配置した場合における送信光ＰＴと受信光ＰＲとの時間経過に伴う周波数の変化は、例えば図４で示される。伸長器２２によって送信光ＰＴおよび受信光ＰＲの周波数が低下するため、図２に示す波形に比べて、それぞれ時間変化に対する周波数変化の傾きが低く抑えられる。

したがって、図４における差周波Δｆ₂は、図２における差周波Δｆ₁より小さくなるため、ＡＤ変換器２６におけるサンプリング周波数を、伸長器２２を用いなかった場合に要するサンプリング周波数よりも低く設定することができる。

上述した伸長器２２は、通過する光の波長に応じて通過時間が異なるように構成された異常分散材を用いることで実現できる。

図５は、フォトニック結晶４０の一例を示す図である。フォトニック結晶４０は、例えば同じ大きさのエアホール４２を複数配列した結晶体であり、エアホールの配置位置および大きさを調整することで、フォトニック結晶４０を通過する光の屈折率を周波数に応じて制御することができる。

図６は、フォトニック結晶４０における屈折率特性の一例を示す図である。図６において横軸は光の波長を示し、縦軸は群速度屈折率を示す。

フォトニック結晶４０における屈折率特性は、例えばエアホール４２の配置によって、光の波長が波長λ_Aを超えると、群速度屈折率の増加割合が波長λ_A以下における群速度屈折率の増加割合に比べて上昇するような特性に設定することができる。

この場合、周波数が低い光ほど、光がフォトニック結晶４０を通過する際の経路の長さ、いわゆる「経路長」が長くなる。したがって、周波数が低い光ほどフォトニック結晶を通過するのに要する時間が長くなることで光の波形が伸長され、光の周波数がフォトニック結晶４０を通過する前の周波数より低下することになる。

フォトニック結晶４０で光の周波数を低下させる効果を高めるには、図６に示した屈折率特性において、波長λ_Aを超える範囲の群速度屈折率の増加度合い、すなわち群速度屈折率の傾きを大きくすればよい。

したがって、図７に示すフォトニック結晶４０Ａでは、エアホール４２Ａの大きさを他のエアホール４２の大きさより小さくして共振器を構成することで、共振器の共鳴波長近傍の波長を有する光の群速度屈折率の傾きを高めている。フォトニック結晶４０Ａは、図５に示したフォトニック結晶４０に比べて、光の群速度屈折率の傾きを数１０倍程度大きくすることができる。すなわち、フォトニック結晶４０、４０Ａは異常分散材の一例である。

また、図８は、回折格子４４の一例を示す図である。回折格子４４の周囲には、スリット４６が設けられたスリット面４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄが配置される。回折格子４４は、導波路８から入力された光が各スリット面４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄで屈折され、再び導波路８に出力されるように接続される。

図９は、回折格子４４における光の経路例を示す図である。図９に示すように、回折格子４４に入力された光は、例えばスリット面４４Ａ、スリット面４４Ｂ、スリット面４４Ｃおよびスリット面４４Ｄの順に屈折して回折格子４４から出力される。

この場合、周波数が低い光ほど回折格子４４における経路長が長くなるようにスリット４６を設ける。周波数が低い光ほど回折格子４４を通過するのに要する時間が長くなることで光の波形が伸長され、光の周波数が回折格子４４を通過する前の周波数より低下することになる。すなわち、回折格子４４は異常分散材の一例である。

なお、図８に示した回折格子４４の形状、スリット面４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄの位置およびスリット面４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄの数は一例であり、通過する光の波長に応じて光の通過時間が異なるものであれば特に制約はない。

また、図１０は、プリズム群４８の一例を示す図である。プリズム群４８は、例えばプリズム４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ、４８Ｄを含む。プリズム群４８は、導波路８から入力された光が各プリズム４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ、４８Ｄで屈折され、再び導波路８に出力されるように配置される。

この場合、周波数が低い光ほどプリズム群４８における経路長が長くなるように、プリズム４８Ａ、４８Ｂ、４８Ｃ、４９Ｄが配置される。周波数が低い光ほどプリズム群４８を通過するのに要する時間が長くなることで光の波形が伸長され、光の周波数がプリズム群４８を通過する前の周波数より低下することになる。すなわち、プリズム群４８は異常分散材の一例である。

なお、レーザレーダ装置１０を光集積回路として構成してもよい。フォトニック結晶４０、４０Ａは、回折格子４４およびプリズム群４８に比べて小型化が可能である。したがって、光集積回路の小型化の観点から、伸長器２２の異常分散材にはフォトニック結晶４０、４０Ａを用いることが好ましい。更に、フォトニック結晶４０、４０Ａは、異常分散を制御できるため、群速度遅延が線形となる構成も取ることができる。

このように第１実施形態に係るレーザレーダ装置１０によれば、導波路８に光を伸長する伸長器２２を配置することで、導波路８を伝播する光の周波数を低下させる。したがって、送信光ＰＴと受信光ＰＲとの差周波が、伸長器２２を配置しない場合と比較して低下するため、ＡＤ変換器２６における干渉光のサンプリング周波数を低下させることができる。

すなわち、レーザレーダ装置１０は、対象物に送信する送信光ＰＴの周波数を低下させることなく差周波だけを低下させることができるため、測定精度を低下させることなく、レーザレーダ装置１０の構成を簡略化してコストを低減させることができる。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、受信部に伸長器２２を配置したレーザレーダ装置１０について説明したが、第２実施形態では、送信部に圧縮器３２を配置したレーザレーダ装置１０Ａについて説明する。

図１１は、第２実施形態に係るレーザレーダ装置１０Ａの構成例を示す図である。図１１に示すレーザレーダ装置１０Ａの構成が、図１に示したレーザレーダ装置１０と異なる点は、導波路４に圧縮器３２が追加される一方、導波路８から伸長器２２が削除されると共に、導波路４および導波路８を接続する導波路６が削除された点である。また、ＡＤ変換器２６がカウンタ３６に置き換えられている。

送信光ＰＴの波長が短くなるほどレーダの距離分解能が向上し、測定精度が向上することが知られている。また、送信光ＰＴの波長が短くなるほど、例えば送信アンテナ１８等のレーザレーダ装置１０Ａに含まれる装置の小型化が図られるため、レーザレーダ装置１０Ａは、ＳＳＢ変調器１６と送信アンテナ１８との間に圧縮器３２を有する。

圧縮器３２は、図１２に示すように、入力された送信光ＰＴを圧縮して、圧縮器３２に入力される前の送信光ＰＴの最大強度、すなわち「ピークパワー」を大きくする。送信光ＰＴのピークパワーを大きくすることでＳ／Ｎ比が向上し、かつ、距離分解能も向上することから、レーザレーダ装置１０Ａの測定精度が向上する。

なお、光集積回路では光のピークパワーが大きくなるに従って、非線形光学効果による光の損失が大きくなるため、光集積回路を通過する光のピークパワーを予め定めた上限以下に制限する必要がある。しかし、レーザレーダ装置１０Ａでは、光の出力端である送信アンテナ１８の近くに圧縮器３２を配置している。したがって、レーザレーダ装置１０Ａを光集積回路で構成して光のピークパワーを大きくしたとしても、ピークパワーを大きくした光が伝播される距離が短いことから光の損失が抑制され、予め定めた上限を超えるピークパワーを有する送信光ＰＴを送信することができる。

レーザレーダ装置１０Ａは、圧縮器３２で圧縮した送信光ＰＴを対象物に向かって送信し、対象物に向かって送信した送信光ＰＴのうち対象物で反射した光を受信アンテナ２０で受信光ＰＲとして受信する。

受信アンテナ２０で受信した受信光ＰＲは、導波路８を伝播してフォトダイオード２４で受光される。そして、フォトダイオード２４は、受信光ＰＲの光量に応じた電圧をカウンタ３６に通知する。

カウンタ３６は、送信光ＰＴを送信したタイミングでタイマを起動し、フォトダイオード２４から受信光ＰＲの受光を通知されたタイミングでタイマを停止することで、送信光ＰＴを送信してから受信光ＰＲを受信するまでの時間差を計測する。

信号処理回路２８は、カウンタから通知された送信光ＰＴと受信光ＰＲの時間差および光の速度を用いて、レーザレーダ装置１０Ａから対象物までの距離を算出する、いわゆる「タイムオブフライト(Time Of Flight:TOF)方式」の距離測定を行う回路である。

制御回路３０は、駆動回路１２、カウンタ３６および信号処理回路２８で上述した動作が行われるように、駆動回路１２、カウンタ３６および信号処理回路２８を制御する。

なお、導波路４、駆動回路１２、レーザ光源１４、ＳＳＢ変調器１６、圧縮器３２および送信アンテナ１８は、送信光ＰＴを対象物に向けて送信する送信部に含まれる構成要素の一例であり、導波路８、受信アンテナ２０およびフォトダイオード２４は、対象物で反射した光を受信する受信部に含まれる構成要素の一例である。また、カウンタ３６、信号処理回路２８および制御回路３０は、演算部に含まれる構成要素の一例である。

圧縮器３２は、レーザレーダ装置１０における伸長器２２と同じく、異常分散材を用いて光の経路長を周波数に応じて変化させ、光の波形を時間軸方向に圧縮する装置である。具体的には、圧縮器３２は、周波数が低くなるに従って経路長が短くなるように、光の経路長を調整した異常分散材を用いて、光の波形を時間軸方向に圧縮する。光の波形が時間軸方向に圧縮されると、光のピークパワーが圧縮前のピークパワーに比べて上昇することになる。

圧縮器３２の異常分散材としては、上述したフォトニック結晶４０、回折格子４４またはプリズム群４８を用いることができる。

このように第２実施形態に係るレーザレーダ装置１０Ａによれば、圧縮器３２で圧縮した送信光ＰＴを対象物に向けて送信すると共に、対象物で反射した光を受信光ＰＲとして受信し、送信光ＰＴと受信光ＰＲの位相のずれ、すなわち時間差を用いて、対象物までの距離を測定する。

レーザレーダ装置１０Ａは、送信光ＰＴを圧縮器３２で圧縮することから距離の測定精度が向上する。更に、レーザレーダ装置１０Ａは、信号処理回路２８で受信光ＰＲの周波数解析等を行わなくとも、送信光ＰＴと受信光ＰＲとの位相差から対象物までの距離を測定できるため、演算部の構成を比較的簡素化することができる。

＜第３実施形態＞
第１実施形態では、導波路８を伝播する光を１つの伸長器２２で伸長したが、第３実施形態では、導波路８を伝播する光を時分割して、複数の伸長器２２で伸長するレーザレーダ装置１０Ｂについて説明する。

図１３は、第３実施形態に係るレーザレーダ装置１０Ｂの構成例を示す図である。レーザレーダ装置１０Ｂの構成が、図１に示した第１実施形態に係るレーザレーダ装置１０の構成と異なる点は、送信光ＰＴおよび受信光ＰＲによる干渉光を時分割する光マルチプレクサ５０が導波路８に配置された点である。また、光マルチプレクサ５０で時分割された干渉光が伝播される導波路５２Ａ、５２Ｂに、それぞれ伸長器２２Ａ、２２Ｂ及びフォトダイオード２４Ａ、２４Ｂが配置される。更に、フォトダイオード２４Ａの出力はＡＤ変換器２６Ａを介して信号処理回路２８Ａに入力され、フォトダイオード２４Ｂの出力はＡＤ変換器２６Ｂを介して信号処理回路２８Ｂに入力される。

以下、レーザレーダ装置Ｂの作用について説明する。

導波路８を伝播する干渉光は、光マルチプレクサ５０に入力される。光マルチプレクサ５０は、例えば共振周波数が異なる２つのリング共振器５０Ａ、５０Ｂを備える。リング共振器５０Ａ、５０Ｂは、リング形状の導波路に共振する波長の光だけを通過する光フィルタとして機能する。光マルチプレクサ５０は、リング共振器５０Ａ、５０Ｂの周囲にそれぞれ実装された図示しないヒータに電流を注入し、リング共振器５０Ａ、５０Ｂの共振周波数を調整することで干渉光を周期に応じて交互に分割するスイッチング制御を行い、干渉光を時分割する。光マルチプレクサ５０は、時分割した干渉光を周期に応じて交互に導波路５２Ａ及び導波路５２Ｂに伝播させる。

図１４は、光マルチプレクサ５０で時分割された干渉光の一例を示す模式図である。図１４において、波形５４は光マルチプレクサ５０に入力された干渉光の波形例である。波形５４で表される干渉光が光マルチプレクサ５０に入力されると、干渉光が周期毎に交互に分割され、波形５６Ａで示した干渉光（時分割干渉光Ａ）と波形５６Ｂで示した干渉光（時分割干渉光Ｂ）に分割される。このように光マルチプレクサ５０は、周期に従って交互に時分割するため、時間軸に沿って時分割干渉光Ａと時分割干渉光Ｂを見た場合、干渉光が重複する期間が存在しないことになる。時分割干渉光Ａは、例えば導波路５２Ａを伝播し、時分割干渉光Ｂは例えば導波路５２Ｂを伝播する。

導波路５２Ａを伝播する時分割干渉光Ａは、伸長器２２Ａによって波形５６Ａが時間軸方向に伸長され、例えば図１４の波形５８Ａに示すような波形に変換される。また、導波路５２Ｂを伝播する時分割干渉光Ｂは、伸長器２２Ｂによって波形５６Ｂが時間軸方向に伸長され、例えば図１４の波形５８Ｂに示すような波形に変換される。

伸長器２２Ａで伸長された時分割干渉光Ａの光量は、フォトダイオード２４Ａで電流値に変換され、ＡＤ変換器２６Ａで離散値に変換された後に信号処理回路２８Ａに入力される。信号処理回路２８Ａでは、受け付けた時分割干渉光Ａの波形に対して、例えば高速フーリエ変換を実行してドップラーシフト周波数ｆ_dAを算出する。

一方、伸長器２２Ｂで伸長された時分割干渉光Ａの光量は、フォトダイオード２４Ｂで電流値に変換され、ＡＤ変換器２６Ｂで離散値に変換された後に信号処理回路２８Ｂに入力される。信号処理回路２８Ｂでは、受け付けた時分割干渉光Ｂの波形に対して、例えば高速フーリエ変換を実行してドップラーシフト周波数ｆ_dBを算出する。

このようにレーザレーダ装置１０Ｂでは、光マルチプレクサ５０で時分割した干渉光の各々に対して、それぞれ伸長器２２、フォトダイオード２４、ＡＤ変換器２６、及び信号処理回路２８が独立して設けられている。したがって、信号処理回路２８Ａ、２８Ｂでドップラーシフト周波数を並列して算出することができるため、干渉光を時分割しないで対象物までの距離及び対象物との相対速度を算出する場合と比較して、算出速度を向上させることができる。

なお、図１３に示したレーザレーダ装置１０Ｂでは、光マルチプレクサ５０で干渉光を２つの時分割干渉光に分割したが、リング共振器を追加して３つ以上の時分割干渉光に分割してもよい。この場合、分割数に合わせて伸長器２２、フォトダイオード２４、ＡＤ変換器２６、及び信号処理回路２８を設ければよい。

なお、図１、図１１及び図１３に示した送信アンテナ１８および受信アンテナ２０には、図１５に示す光フェーズドアレイアンテナ（以降、「光フェーズドアレイ」という）を用いることができる。ここでは、光フェーズドアレイを送信アンテナ１８に適用する例について説明するが、光フェーズドアレイを受信アンテナ２０に適用する場合は、光の伝播方向が逆になるだけある。

光フェーズドアレイ１８とは、送信光ＰＴを図示しない光カプラによって複数の導波路（図１５の例では、１８−１から１８−８の８本）に分岐させ、導波路１８−１〜導波路１８−８の端部から送信光ＰＴを送信する光アンテナの一例である。以降では、導波路１８−１から導波路１８−８をまとめて「導波路１８Ａ」という。

導波路１８Ａにおいて、送信光ＰＴを送信する側の端部には回折格子１８−５が設けられており、導波路１８Ａを伝播する送信光ＰＴは回折格子１８−５から対象物に向けて送信される。

また、光フェーズドアレイ１８には、導波路１８Ａの各々を加熱する薄膜ヒータ１８−３、１８−４が取り付けられており、薄膜ヒータ１８−３、１８−４で導波路１８Ａを加熱することで、導波路１８Ａを伝播する各々の光の屈折率を変化させ、回折格子１８−５から送信される光の送信角度を変えることができる。

光の屈折率は、導波路１８Ａに供給される熱量（薄膜ヒータ１８−３、１８−４の発熱量）に応じて変化するため、導波路１８Ａの各々から放射される光の位相が変化することで、送信光ＰＴの送信方向が変化する。したがって、光フェーズドアレイ１８は対象物に向けて送信光ＰＴを送信することができる。

なお、受信アンテナ２０に光フェーズドアレイを適用した場合には、薄膜ヒータで光フェーズドアレイの導波路が加熱されることで導波路の屈折率が変化し、光フェーズドアレイで受信可能な光の受信角度を変えることができる。

本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

例えば、図１に示したレーザレーダ装置１０及び図１３に示したレーザレーダ１０ＢのＳＳＢ変調器１６と送信アンテナ１８との間の導波路４に、図１１に示した圧縮器３２を配置してもよい。

この場合、送信光ＰＴが圧縮されるため、レーザレーダ装置１０、１０Ｂに比べて距離の測定精度が向上したレーザレーダ装置が実現できる。

４（６、８、１８Ａ）・・・導波路、１０（１０Ａ、１０Ｂ）・・・レーザレーダ装置、１２・・・駆動回路、１４・・・レーザ光源、１６・・・ＳＳＢ変調器、１８・・・送信アンテナ、２０・・・受信アンテナ、２２・・・伸長器、２４・・・フォトダイオード、２６・・・ＡＤ変換器、２８・・・信号処理回路、３０・・・制御回路、３２・・・圧縮器、３６・・・カウンタ、４０（４０Ａ）・・・フォトニック結晶、４４・・・回折格子、４８・・・プリズム群、ＰＲ・・・受信光、ＰＴ・・・送信光

Claims

時間と共に周波数が変化する光を対象物に向けて送信する送信部と、
前記送信部から送信した光のうち、前記対象物で反射した光を受信する受信部と、
前記送信部で送信した光と、前記受信部で受信した光とのずれに基づいて、前記対象物までの距離を演算する演算部と、
を備え、
前記受信部に、通過する光の周波数によって屈折率が異なる異常分散材が設けられ、前記受信部に設けられた前記異常分散材は、通過する光を時間軸方向に伸長させる屈折率を有する
レーザレーダ装置。
前記送信部に前記異常分散材が設けられ、
前記送信部に設けられた前記異常分散材は、通過する光を時間軸方向に圧縮し、光の強度を圧縮前より上昇させる屈折率を有する
請求項１記載のレーザレーダ装置。
前記受信部に、受信した光を時分割し、時分割した各々の光を異なる経路に伝播する光マルチプレクサが設けられ、
前記経路の各々に前記異常分散材が設けられた
請求項１記載のレーザレーダ装置。
前記異常分散材が、複数のエアホールが配置されたフォトニック結晶である
請求項１から請求項３の何れか１項に記載のレーザレーダ装置。
前記複数のエアホールに、異なる大きさのエアホールが含まれる
請求項４記載のレーザレーダ装置。
前記異常分散材が回折格子である
請求項１から請求項３の何れか１項に記載のレーザレーダ装置。
前記異常分散材がプリズムである
請求項１から請求項３の何れか１項に記載のレーザレーダ装置。
請求項１から請求項７の何れか１項に記載のレーザレーダ装置が光集積回路で構成されたレーザレーダ光集積回路。