WO2023242932A1 - 送信指向性制御装置及び送信指向性制御方法 - Google Patents

送信指向性制御装置及び送信指向性制御方法 Download PDF

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WO2023242932A1
WO2023242932A1 PCT/JP2022/023696 JP2022023696W WO2023242932A1 WO 2023242932 A1 WO2023242932 A1 WO 2023242932A1 JP 2022023696 W JP2022023696 W JP 2022023696W WO 2023242932 A1 WO2023242932 A1 WO 2023242932A1
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optical signal
axis
phase gradient
wavelength
phase
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PCT/JP2022/023696
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English (en)
French (fr)
Inventor
穂乃花 伊藤
健 平賀
斗煥 李
宏礼 芝
淳 増野
裕文 笹木
康徳 八木
知哉 景山
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/25—Arrangements specific to fibre transmission
    • H04B10/2575—Radio-over-fibre, e.g. radio frequency signal modulated onto an optical carrier

Definitions

  • the present invention relates to a transmission directivity control device and a transmission directivity control method.
  • phased array antennas are often used because they do not use mechanical moving parts, have high durability and followability, and are suitable for making antennas smaller and lighter.
  • a phased array antenna uses a variable delay circuit or a variable attenuator circuit connected to multiple antenna elements arranged on a line or a plane, digital signal processing, etc. to generate RF (Radio Frequency) power that is fed to each antenna element. ; radio frequency) beam steering is performed electronically by controlling the phase and amplitude of the signal (hereinafter, controlling the phase and amplitude is referred to as weighting).
  • RF Radio Frequency
  • Phased array antennas that perform weighting using analog circuits are often used in fifth-generation mobile communication systems and millimeter-wave wireless LAN (Local Area Network) systems that use millimeter wave bands.
  • millimeter-wave wireless LAN Local Area Network
  • the phased array antenna requires weighting in order to perform two-dimensional beam steering using a two-dimensional array antenna in which antenna elements are arranged in a planar manner.
  • Non-Patent Document 1 discloses a 256-element phased array antenna used in a 5th generation mobile communication base station in the 28 GHz band. For example, when the radio frequency increases by about 10 times, such as 300 GHz, the free space propagation loss increases by 100 times, and it is thought that tens of thousands of antenna elements will be required.
  • the free space wavelength is 1 mm, so the spacing between antenna elements is generally half the wavelength, that is, 0.5 mm.
  • the phase shifter circuit it is difficult to install the phase shifter circuit near the antenna elements at intervals equivalent to the intervals between the antenna elements.
  • phase shifters in order to configure a circuit that forms a plurality of beams (multi-beam forming circuit), phase shifters as many as the number of beams must be arranged in parallel, which is expected to be even more difficult.
  • Non-Patent Document 2 discloses a method of performing two-dimensional beam steering using a passive circuit.
  • the circuit needs to be assembled three-dimensionally, and implementation in high frequency bands requires waveguides, mass production is difficult, and it is difficult to respond to multi-element implementation.
  • Non-Patent Document 3 proposes a method of converting a signal into light and weighting it using an optical circuit.
  • Patent Document 1 discloses a three-dimensional optical circuit that performs two-dimensional beam steering using a wavelength dispersion line.
  • Non-Patent Document 4 discloses a method using a loop configuration in which a phase shifter is repeatedly reused while converting the optical wavelength.
  • Non-Patent Document 5 discloses a one-dimensional (within one plane) phase shift circuit performed by a planar phase shift circuit and a FBG (fiber bragg gratings) reflection line whose delay time differs depending on the optical wavelength.
  • FBG fiber bragg gratings
  • Patent Document 2 discloses a multi-beam forming means using wavelength multiplexing.
  • the present invention provides a transmission directivity control device that can handle multiple beams.
  • One aspect of the present invention includes a first axis phase gradient imparting unit that imparts a phase gradient to an optical signal in a first axis that is a certain axis in space; a wavelength changing unit that changes each wavelength to a different wavelength; a multiplexer that combines the optical signals with the changed wavelengths; and a phase inclination of the combined optical signal in a second axis that is perpendicular to the first axis.
  • a transmission directivity control device comprising: a second axis phase gradient imparting unit that imparts a phase gradient; and a demultiplexer that branches an optical signal to which the phase gradient in the second axis has been imparted into optical signals of different wavelengths.
  • One aspect of the present invention includes a step of imparting a phase inclination to an optical signal along a first axis, which is a certain axis in space, and a step of imparting a phase inclination to an optical signal on a first axis, which is a certain axis in space; a wavelength changing step of changing each wavelength to a different wavelength; a combining step of combining the optical signals with the changed wavelengths; and a phase inclination of the combined optical signal in a second axis perpendicular to the first axis. and a splitting step of splitting the optical signal to which the phase gradient in the second axis has been added into optical signals of different wavelengths. .
  • the transmission directivity control device of the present invention has the advantage of being compatible with multiple beams.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a transmission directivity control device 1 according to a first embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a transmission directivity control device 1 according to a second embodiment. 12 is a flowchart showing the operation of the transmission directivity control device 1 according to the second embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a transmission directivity control device 1 according to a third embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a modification of the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment. It is a figure showing an example of composition of transmission directivity control device 1 concerning a 4th embodiment. This is an example of the correspondence between the wavelength of an input optical signal and the applied phase gradient.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a transmission directivity control device 1 according to the first embodiment.
  • the transmission directivity control device 1 includes a first axis phase gradient imparting section 11, a wavelength changing section 12, a multiplexer 14, a second axis phase gradient imparting section 15, a demultiplexer 16, a light source 17, an optical modulator 18, and control. 19.
  • the transmission directivity control device 1 includes three wavelength changing sections 12-1, 12-2, and 12-3.
  • the transmission directivity control device 1 includes three duplexers 16-1, 16-2, and 16-3.
  • the first axis phase gradient imparting unit 11 imparts a phase gradient in a first axis, which is a certain axis in space, to the optical signal.
  • the optical signal imparted with a phase gradient is generated, for example, by modulating light output from the light source 17 with the optical modulator 18.
  • the optical modulator 18 generates an optical signal by modulating, for example, light output from a light source with a transmission signal.
  • the first axis phase gradient applying section 11 includes a first changeover switch 111 and a first axis weighting circuit 112.
  • the first changeover switch 111 includes one input terminal and three output terminals.
  • the first selector switch 111 outputs the optical signal input to the input terminal from one of three output terminals.
  • the first axis weighting circuit 112 includes three input terminals and three output terminals. Three output terminals of the first changeover switch 111 are connected to three input terminals of the first axis weighting circuit 112, respectively.
  • the first axis weighting circuit 112 applies different phase slopes to the optical signal depending on the terminal to which the optical signal is input. For example, the first axis weighting circuit 112 applies a phase slope ⁇ H1 when the optical signal is input to the first input terminal, and applies a phase slope ⁇ H2 when the optical signal is input to the second input terminal, When inputted to the third terminal, a phase gradient ⁇ H3 is applied and outputted from three output terminals.
  • the first axis weighting circuit 112 when an optical signal is input to the first input terminal, the first axis weighting circuit 112 outputs an optical signal to which no phase is added from the first output terminal, and outputs an optical signal to which the phase ⁇ H1 is added to the first output terminal.
  • the optical signal is outputted from the second output terminal, and the optical signal to which the phase 2 ⁇ H1 is added is outputted from the third output terminal.
  • the first axis weighting circuit 112 outputs an optical signal to which no phase is added from the first output terminal, and outputs an optical signal to which the phase ⁇ H2 is added to the first output terminal.
  • the optical signal is outputted from the second output terminal, and the optical signal to which the phase 2 ⁇ H2 is added is outputted from the third output terminal.
  • the first axis weighting circuit 112 outputs an optical signal to which no phase is added from the first output terminal, and outputs an optical signal to which the phase ⁇ H3 is added to the first output terminal.
  • the optical signal is outputted from the second output terminal, and the optical signal to which the phase 2 ⁇ H3 is added is outputted from the third output terminal.
  • the optical signal input to the first input terminal is given a phase gradient of 0, ⁇ H1 , 2 ⁇ H1
  • the optical signal input to the second input terminal is given a phase gradient of 0, ⁇ H2 , 2 ⁇ H2 .
  • phase gradients of 0, ⁇ H3 and 2 ⁇ H3 are given to the optical signal input to the third input terminal.
  • the phase tilt is 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, etc.
  • the first axis weighting circuit 112 does not need to output an optical signal to which no phase is added; for example, the phase gradients to be applied may be ⁇ , 2 ⁇ , or 3 ⁇ .
  • the wavelength of the optical signal to which the phase gradient is applied is assumed to be ⁇ 0 .
  • the wavelength changing section 12 changes the wavelength of the optical signal to which the phase gradient has been imparted by the first axis phase gradient imparting section 11 to a different wavelength.
  • a phase gradient is imparted by the first axis phase gradient imparting unit 11, the optical signal output from the first output terminal is input to the wavelength changing unit 12-1, and the optical signal output from the second output terminal is applied to the wavelength changing unit.
  • the optical signal inputted to the wavelength changing section 12-2 and outputted from the third output terminal is inputted to the wavelength changing section 12-3.
  • the wavelength changing units 12-1, 12-2, and 12-3 change the wavelengths of the input optical signals to different wavelengths.
  • the wavelength changing unit 12-1 changes the wavelength of the optical signal to ⁇ 1
  • the wavelength changing unit 12-2 changes the wavelength of the optical signal to ⁇ 2
  • the wavelength changing unit 12-3 changes the wavelength of the optical signal to ⁇ 2.
  • the wavelength of is changed to ⁇ 3 .
  • the wavelength changing unit 12 changes the wavelength of an input optical signal based on a signal input from a local oscillator, for example.
  • the multiplexer 14 multiplexes the plurality of optical signals whose wavelengths have been changed by the wavelength changing section 12. For example, an optical signal changed to wavelength ⁇ 1 by wavelength changing unit 12-1, an optical signal changed to wavelength ⁇ 2 by wavelength changing unit 12-2, and an optical signal changed to wavelength ⁇ 3 by wavelength changing unit 12-3. Combines optical signals.
  • the multiplexer 14 is, for example, an AWG (Arrayed Waveguide Grating).
  • the second axis phase gradient imparting unit 15 imparts a phase gradient in a second axis, which is a certain axis in space, to the optical signal multiplexed by the multiplexer 14.
  • the second axis is an axis perpendicular to the first axis.
  • the first and second axes are, for example, horizontal and vertical.
  • the second axis phase gradient imparting section 15 includes a second changeover switch 151 and a second axis weighting circuit 152.
  • the second changeover switch 151 includes one input terminal and three output terminals.
  • the second changeover switch 151 outputs the optical signal input to the input terminal from one of the three output terminals.
  • the second axis weighting circuit 152 includes three input terminals and three output terminals.
  • the three output terminals of the second changeover switch 151 are respectively connected to the three input terminals of the second axis weighting circuit 152.
  • the second axis weighting circuit 152 applies different phase slopes to the optical signal depending on the terminal to which the optical signal is input.
  • the second axis weighting circuit 152 applies a phase slope ⁇ v1 to the optical signal input to the first input terminal, and applies a phase slope ⁇ v2 to the optical signal input to the second input terminal.
  • the second axis weighting circuit 152 applies a phase gradient ⁇ v3 when the optical signal is input to the first input terminal, and outputs it from the three output terminals.
  • An optical signal with no added phase ⁇ V1 is outputted from the first output terminal
  • an optical signal added with the phase ⁇ V1 is outputted from the second output terminal
  • an optical signal added with the phase 2 ⁇ V1 is outputted from the third output terminal.
  • the second axis weighting circuit 152 when an optical signal is input to the second input terminal, the second axis weighting circuit 152 outputs an optical signal to which no phase is added from the first output terminal, and outputs an optical signal to which the phase ⁇ V2 is added to the first output terminal.
  • the optical signal is outputted from the second output terminal, and the optical signal to which the phase 2 ⁇ V2 is added is outputted from the third output terminal.
  • the second axis weighting circuit 152 outputs an optical signal to which no phase is added from the first output terminal, and outputs an optical signal to which the phase is added to the optical signal from the first output terminal.
  • the optical signal is outputted from the second output terminal, and the optical signal to which the phase 2 ⁇ V3 is added is outputted from the third output terminal.
  • the optical signal input to the first input terminal is given a phase gradient of 0, ⁇ V1 , 2 ⁇ V1
  • the optical signal input to the second input terminal is given a phase gradient of 0, ⁇ V2 , 2 ⁇ V2 .
  • phase gradients of 0, ⁇ V3 and 2 ⁇ V3 are given to the optical signal input to the third input terminal.
  • the phase tilt is 0 degrees, 45 degrees, 90 degrees, 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, etc.
  • the second axis weighting circuit 152 does not need to output an optical signal to which no phase is added; for example, the phase gradients to be applied may be ⁇ , 2 ⁇ , or 3 ⁇ .
  • the first axis weighting circuit 112 and the second axis weighting circuit 152 impart a phase gradient to the optical signal using a delay line, a high dispersion line, a resonant ring, a matrix circuit, etc.
  • matrix circuits include Butler Matrix and Blass Matrix.
  • the demultiplexer 16 demultiplexes the optical signal, to which the phase gradient has been imparted by the second axis phase gradient imparting section 15, into wavelengths.
  • the demultiplexer 16 demultiplexes, for example, an optical signal into optical signals having a wavelength ⁇ 1 , a wavelength ⁇ 2 , and a wavelength ⁇ 3 .
  • the duplexer 16 is, for example, an AWG.
  • the demultiplexed optical signal is converted into an RF signal by, for example, a photodiode, and radiated into space by an antenna.
  • the control unit 19 controls the first changeover switch 111 and the second changeover switch 151, and outputs an optical signal input to the input terminal of the first changeover switch 111 to an output terminal and an input terminal of the second changeover switch 151. Change the output terminal to which the input optical signal is output.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the operation of the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment.
  • the optical modulator 18 generates an optical signal (step S10).
  • the first changeover switch 111 outputs the input optical signal from any output terminal (step S11).
  • the first axis weighting circuit 112 applies a phase gradient based on the terminal to which the optical signal is input (step S12).
  • the wavelength changing unit 12 changes the wavelength of the optical signal to which the phase gradient has been added (step S13).
  • the multiplexer 14 multiplexes the wavelength-changed optical signals (step S14).
  • the multiplexed optical signal is input to the second changeover switch 151, and is output from any output terminal (step S15).
  • the second axis weighting circuit 152 applies a phase gradient based on the terminal to which the optical signal is input (step S16).
  • the demultiplexer 16 demultiplexes the optical signal (step S17).
  • the transmission directivity control device 1 can perform weighting using the optical circuit and perform multi-beam steering in two dimensions. Furthermore, even if the number of antenna elements increases, it is only necessary to change the internal configurations of the first axis phase gradient imparting section 11 and the second axis phase gradient imparting section 15 and increase the number of duplexers 16. can be suppressed.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a transmission directivity control device 1 according to the second embodiment.
  • the transmission directivity control device 1 according to the second embodiment is different from the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment, and includes a phase gradient imparting section 21, a filter 23, and a multiplexer 25.
  • the transmission directivity control device 1 according to the second embodiment includes three filters 23-1, 23-2, and 23-3, and three multiplexers 25-1, 25-2, and 25-3. .
  • the first selector switch 111 outputs the optical signal input from the optical modulator 18 to the multiplexer 25 from one of the three output terminals.
  • the first changeover switch 111 outputs the optical signal from the first output terminal to the multiplexer 25-1, from the second output terminal to the multiplexer 25-2, and from the third output terminal to the multiplexer 25-1. Output to 3.
  • the multiplexer 25 multiplexes the optical signals input from the first changeover switch 111 and the second changeover switch 151, and outputs the combined optical signals to the phase gradient imparting section 21.
  • the multiplexer 25-1 multiplexes the optical signals inputted from the first output terminal of the first changeover switch 111 and the first output terminal of the second changeover switch 151, and combines the optical signals inputted from the first output terminal of the first changeover switch 111 and the first output terminal of the second changeover switch 151, and outputs the first input of the phase slope imparting section 21. Output to the terminal.
  • the multiplexer 25-2 multiplexes the optical signals input from the second output terminal of the first changeover switch 111 and the second output terminal of the second changeover switch 151, and combines the optical signals inputted from the second output terminal of the first changeover switch 111 and the second output terminal of the second changeover switch 151. Output to the terminal.
  • the multiplexer 25-3 multiplexes the optical signals input from the third output terminal of the first changeover switch 111 and the third output terminal of the second changeover switch 151, and combines the optical signals input from the third output terminal of the first changeover switch 111 and the third output terminal of the second changeover switch 151. Output to the terminal.
  • the phase gradient imparting unit 21 selects either a first axis, which is a certain axis in space, or a second axis, which is orthogonal to the first axis, and imparts a phase gradient in the selected axis to the optical signal.
  • the first axis and the second axis are, for example, a horizontal direction and a vertical direction.
  • the phase gradient imparting unit 21 imparts a phase gradient in the first axis to an optical signal having the same wavelength as the wavelength ⁇ 0 of the optical signal output from the optical modulator 18, and imparts a phase gradient in the second axis to an optical signal having a wavelength other than ⁇ 0 . gives a phase gradient at .
  • the phase gradient imparting section 21 may be controlled by the control section 19 to select whether to impart a phase gradient in the first axis or the second axis.
  • the phase gradient imparting unit 21 outputs the optical signal to which the phase gradient has been imparted to the filter 23.
  • the phase gradient imparting unit 21, for example, imparts a phase gradient to the optical signal input to the first input terminal, and outputs the filters 23-1, 23-2 and the optical signal from the first output terminal, second output terminal and third output terminal. Output to 23-3.
  • the phase gradient imparting unit 21 imparts a phase gradient to the optical signal input to the second input terminal, and outputs the filters 23-1, 23-2 and the optical signal from the first output terminal, the second output terminal and the third output terminal.
  • the phase gradient imparting unit 21, for example, imparts a phase gradient to the optical signal input to the third input terminal, and connects the optical signal from the first output terminal, second output terminal, and third output terminal to the filters 23-1, 23-2. and output to 23-3.
  • the filter 23 filters the optical signal output from the phase gradient imparting section 21.
  • the optical signal to which the phase gradient in the first axis is imparted by the phase gradient imparting unit 21 and the optical signal to which the phase gradient in the first axis and the second axis are imparted have different wavelengths.
  • the filter 23 outputs an optical signal imparted with a phase gradient on the first axis to the wavelength changing section 12, and outputs an optical signal imparted with phase gradients on the first axis and the second axis to the demultiplexer 16.
  • the filter 23 separates, for example, an optical signal with the same wavelength as the wavelength ⁇ 0 of the optical signal output from the optical modulator 18 and an optical signal with other wavelengths, and outputs the optical signal with the wavelength ⁇ 0 to the wavelength changing unit 12. However, it is designed to output optical signals of other wavelengths to the demultiplexer 16.
  • the filter 23-1 separates an optical signal with the same wavelength as the wavelength ⁇ 0 from an optical signal with other wavelengths, outputs the optical signal with the wavelength ⁇ 0 to the wavelength changing unit 12-1, and outputs the optical signal with the wavelength ⁇ 0 to the wavelength changing section 12-1, and The wavelength optical signal is output to the demultiplexer 16-1.
  • the filter 23-2 separates the optical signal with the same wavelength as the wavelength ⁇ 0 from the optical signal with other wavelengths, outputs the optical signal with the wavelength ⁇ 0 to the wavelength changing unit 12-2, and outputs the optical signal with the wavelength ⁇ 0 to the wavelength changing unit 12-2.
  • the optical signal is output to the demultiplexer 16-2.
  • the filter 23-3 separates the optical signal with the same wavelength as the wavelength ⁇ 0 from the optical signal with other wavelengths, outputs the optical signal with the wavelength ⁇ 0 to the wavelength changing unit 12-3, and outputs the optical signal with the wavelength ⁇ 0 to the wavelength changing unit 12-3.
  • the optical signal is output to the demultiplexer 16-3.
  • the wavelength changing unit 12 changes the plurality of optical signals inputted from the filter 23 and each having a wavelength ⁇ 0 and having a phase gradient on the first axis, into different wavelengths.
  • the wavelength changing section 12-1 changes the wavelength of the optical signal input from the filter 23-1 to ⁇ 1
  • the wavelength changing section 12-2 changes the wavelength of the optical signal input from the filter 23-2.
  • the wavelength changing unit 12-3 changes the wavelength of the optical signal input from the filter 23-3 to ⁇ 3 .
  • the wavelength changing unit 12 changes the wavelength of an input optical signal based on a signal input from a local oscillator, for example.
  • the multiplexer 14 multiplexes the plurality of optical signals whose wavelengths have been changed by the wavelength changing unit 12.
  • the second selector switch 151 outputs the optical signal input from the multiplexer 14 to the multiplexer 25 from one of the three output terminals.
  • the second selector switch 151 outputs the optical signal from the first output terminal to the multiplexer 25-1, from the second output terminal to the multiplexer 25-2, and from the third output terminal to the multiplexer 25-1. Output to 3.
  • the demultiplexer 16 demultiplexes the optical signal inputted from the filter 23 and provided with phase inclinations in the first and second axes.
  • the demultiplexers 16-1, 16-2, and 16-3 are configured to input light input from filters 23-1, 23-2, and 23-3, respectively, with a phase gradient in the first axis and the second axis. Split the signal.
  • the demultiplexed optical signal is converted into an RF signal by, for example, a photodiode, and radiated into space by an antenna.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the transmission directivity control device 1 according to the second embodiment.
  • the optical modulator 18 generates an optical signal (step S20).
  • the first changeover switch 111 outputs the input optical signal from any output terminal (step S21).
  • the phase gradient imparting unit 21 imparts a phase gradient in the first axis to the distributed optical signal (step S22).
  • the wavelength changing unit 12 changes the wavelength of the optical signal to which the phase gradient has been added (step S23).
  • the multiplexer 14 multiplexes the wavelength-changed optical signals (step S24).
  • the multiplexed optical signal is input to the second changeover switch 151, and is output from any output terminal (step S25).
  • the phase gradient imparting section 21 imparts a phase gradient in the second axis to the distributed optical signal (step S26).
  • the demultiplexer 16 demultiplexes the optical signal (step S27).
  • the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment has two weighting circuits, whereas the transmission directivity control device 1 according to the second embodiment has one weighting circuit. We are prepared. Therefore, the number of weighting circuits can be reduced, and a transmission directivity control device that achieves the same effect with fewer elements can be configured.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a transmission directivity control device 1 according to the third embodiment.
  • the transmission directivity control device 1 according to the third embodiment differs from the transmission directivity control device 1 according to the second embodiment in that it includes a polarization branching section 31 instead of the filter 23. Further, the transmission directivity control device 1 according to the third embodiment differs from the transmission directivity control device 1 according to the second embodiment in that the transmission directivity control device 1 has polarization control between the multiplexer 14 and the second changeover switch 151.
  • a section 32 is provided.
  • the polarization control unit 32 rotates the polarization plane of the optical signal multiplexed by the multiplexer 14 by 90 degrees and outputs it to the second changeover switch 151.
  • the polarization splitter 31 splits the optical signal according to the polarization angle. Since the optical signal input from the second changeover switch 151 to the phase slope applying section 21 has its polarization plane rotated by 90 degrees by the polarization control section 32, it is input from the first changeover switch 111 to the phase slope applying section 21. The polarization angle is different from the optical signal being transmitted.
  • the polarization demultiplexing section 31 outputs the optical signal input from the first changeover switch 111 to the phase slope applying section 21 to the wavelength changing section 12, and outputs the optical signal input from the second changeover switch 151 to the phase slope applying section 21. It is designed to output to the demultiplexer 16 an optical signal whose polarization plane has been rotated by 90 degrees.
  • the filter 23 splits the optical signal into the wavelength changing unit 12 and the demultiplexer 16 based on the difference in wavelength
  • the filter 23 splits the optical signal into the wavelength changer 12 and the demultiplexer 16. It is.
  • the plane of polarization of the optical signal multiplexed by the multiplexer 14 is rotated by 90 degrees. Thereby, in the third embodiment, the optical signals can be separated based on the difference in polarization of the optical signals.
  • the transmission directivity control device 1 includes three demultiplexers 16 to demultiplex optical signals of three wavelengths, and configures a 3 ⁇ 3 square two-dimensional array antenna. You don't have to.
  • FIG. 6 is a diagram showing a modification of the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment.
  • the transmission directivity control device 1 shown in FIG. 6 includes three demultiplexers 16 and demultiplexes the optical signals into two wavelengths to form a 3 ⁇ 2 two-dimensional array antenna.
  • the first selector switch 111 only needs to have two output terminals, and does not need to include the filter 23-3, the wavelength changing section 12-3, and the multiplexer 25-3.
  • the multiplexer 14 only needs to combine the optical signals inputted from the wavelength changing sections 12-1 and 12-2, and the filter 23 only needs to be able to separate ⁇ 0 from ⁇ 1 and ⁇ 2 ;
  • the wavelength filter 16 only needs to be able to separate optical signals of wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 . At this time, the number of wavelength changing units 12 can be reduced, and the wavelengths and bands used can be saved.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a transmission directivity control device 1 according to the fourth embodiment.
  • the transmission directivity control device 1 according to the fourth embodiment differs from the transmission directivity control device 1 according to the first embodiment in that it includes a longer wavelength section 41 and a shorter wavelength section 42 instead of the wavelength changing section 12. Be prepared. Further, the transmission directivity control device 1 includes two or more light sources and an optical modulator 18, and the first changeover switch 111 includes two or more input terminals.
  • the first selector switch 111 independently outputs the two input optical signals from one of the three output terminals.
  • the wavelength lengthening section 41 is provided between the first output terminal of the first axis weighting circuit 112 and the first input terminal of the multiplexer 14 .
  • the wavelength shortening section 42 is provided between the third output terminal of the first axis weighting circuit 112 and the third input terminal of the multiplexer 14.
  • the wavelength lengthening section 41 lengthens the wavelength of the input optical signal and outputs it to the multiplexer 14 .
  • the wavelength shortening section 42 shortens the wavelength of the input optical signal and outputs it to the multiplexer 14 .
  • the first axis phase gradient imparting section 11 and the second axis phase gradient imparting section 15 impart different phase gradients depending on the wavelength of the input optical signal.
  • a correspondence relationship between the wavelength of the input optical signal and the phase gradient to be imparted is set.
  • FIG. 8 is an example of the correspondence between the wavelength of an input optical signal and the applied phase gradient.
  • the wavelength of the optical signal output from the optical modulator 18 is determined based on the applied phase gradient, that is, the direction in which the signal is ultimately radiated by the antenna.
  • the wavelength of the optical signal output from the optical modulator 18 is changed by changing the wavelength of the light output from the light source 17, for example.
  • the first changeover switch 111 and the second changeover switch 151 are demultiplexers, and depending on the frequency of the input optical signal, Select the input terminal of the matrix circuit that outputs the optical signal.
  • the wavelengths of the three optical signals combined by the multiplexer 14 are, for example, ⁇ 1 + ⁇ , ⁇ 1, ⁇ 1 - It is ⁇ .
  • ⁇ is set to a value smaller than the smallest difference between wavelengths in the correspondence between the wavelength of the optical signal and the phase inclination to be applied.
  • the demultiplexer 16 demultiplexes the optical signal based on the deviation between the wavelength of the optical signal and the wavelength in the correspondence relationship between the applied phase gradient. For example, the demultiplexer 16 demultiplexes into optical signals with wavelengths of ⁇ 1 + ⁇ , ⁇ 1 , and ⁇ 1 ⁇ , and demultiplexes into optical signals with wavelengths of ⁇ 2 + ⁇ , ⁇ 2 , and ⁇ 2 ⁇ , It is demultiplexed into optical signals with wavelengths of ⁇ 3 + ⁇ , ⁇ 3 and ⁇ 3 - ⁇ .
  • the transmission directivity control device 1 differs from the transmission directivity control device 1 in the first embodiment in that the wavelength change unit 12-1 does not change the wavelength of the optical signal.
  • -2 changes the wavelength of the optical signal in three steps in the correspondence shown in FIG. 8, and the wavelength changing unit 12-2 changes the wavelength of the optical signal in six steps in the correspondence shown in FIG.
  • the wavelength changing unit 12-2 changes an optical signal with wavelength ⁇ 1 into an optical signal with wavelength ⁇ 4 , changes an optical signal with wavelength ⁇ 2 into an optical signal with wavelength ⁇ 5 , and changes an optical signal with wavelength ⁇ 3 into an optical signal with wavelength ⁇ 4. Change to an optical signal of ⁇ 6 .
  • the wavelength changing unit 12-3 changes an optical signal with wavelength ⁇ 1 into an optical signal with wavelength ⁇ 7 , changes an optical signal with wavelength ⁇ 2 into an optical signal with wavelength ⁇ 8 , and changes an optical signal with wavelength ⁇ 3 into an optical signal with wavelength ⁇ 3 .
  • the wavelength is changed to an optical signal having a wavelength of ⁇ 9 .
  • the second axis phase gradient imparting unit 15 is configured such that the input optical signals are an optical signal obtained by combining ⁇ 1 , ⁇ 4 , and ⁇ 7 , an optical signal obtained by combining ⁇ 2 , ⁇ 5 , and ⁇ 8 , an optical signal obtained by combining ⁇ 2 , ⁇ 5 , and ⁇ 8 , and an optical signal obtained by combining ⁇ 1 , ⁇ 4 , and ⁇ 7 , and an optical signal obtained by combining ⁇ 2 , ⁇ 5 , and ⁇ 8 6 and ⁇ 9 are combined to give different phase inclinations.
  • the demultiplexer 16 demultiplexes optical signals with wavelengths of ⁇ 1 , ⁇ 4 , and ⁇ 7 , demultiplexes optical signals with wavelengths of ⁇ 2 , ⁇ 5 , and ⁇ 8 , and demultiplexes optical signals with wavelengths of ⁇ 3 , ⁇ 6 , and ⁇ 9. demultiplexes an optical signal with a wavelength of
  • the transmission directivity control device 1 according to the fifth embodiment includes two or more light sources and an optical modulator 18, and has a first changeover switch 111. may have two or more input terminals.
  • the transmission directivity control device 1 transmits a plurality of signals in different directions from the antenna provided in the demultiplexer 16 based on the plurality of optical signals. be able to.
  • the first axis phase slope applying section 11, the second axis phase slope applying section 15, and the phase slope applying section 21 have three input terminals and three output terminals
  • the three duplexers 16 have three input terminals and three output terminals.
  • the optical signal is split into two wavelengths, but is not limited to this.
  • the number of input terminals and output terminals of the first axis phase gradient imparting section 11, the second axis phase gradient imparting section 15, and the phase gradient imparting section 21 may be two or four or more.
  • the number of demultiplexers 16 may be two, four or more, and the demultiplexer 16 may demultiplex into optical signals with two wavelengths or into optical signals with four or more wavelengths. It's okay.
  • 1 Transmission directivity control device 11 First axis phase gradient imparting section, 111 First changeover switch, 112 First axis weighting circuit, 12 Wavelength changing section, 14 Multiplexer, 15 Second axis phase gradient imparting section, 151 Second changeover switch, 152 Second axis weighting circuit, 16 Demultiplexer, 17 Light source, 18 Optical modulator, 19 Control section, 21 Phase gradient imparting section, 23 Filter, 25 Multiplexer, 31 Polarization demultiplexing section , 32 Polarization control section, 41 Long wavelength section, 42 Short wavelength section

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Abstract

空間上のある軸である第一軸における位相傾斜を光信号に付与する第一軸位相傾斜付与部と、前記位相傾斜が付与された光信号の波長を、それぞれ異なる波長に変更する波長変更部と、前記波長が変更された光信号を合波する合波器と、前記合波された光信号に前記第一軸と直交する第二軸における位相傾斜を付与する第二軸位相傾斜付与部と、前記第二軸における位相傾斜が付与された光信号を前記異なる波長の光信号に分波する分波器と、を備える送信指向性制御装置。

Description

送信指向性制御装置及び送信指向性制御方法
　本発明は、送信指向性制御装置及び送信指向性制御方法に関する。
　無線通信の高速化と大容量化を実現する手段として、ミリ波帯以上の高周波帯の活用が進展している。電波の空間伝搬損は周波数が高くなるに従い増大するため（例えば自由空間伝搬損は周波数の２乗に比例して増大する）、こうした高周波帯では多くの場合高い利得を持つアンテナが使用される。高利得のアンテナは必ず高い指向性を持つため、そのビームの方向を無線通信の相手局に合わせることが必要であり、相手局の方向が動的な場合は、ビームの方向を動的に制御する手段、すなわちビームステアリングの適用が必須となる。また、無線通信に限らず、例えばレーダ、イメージングや無線電力伝送といった用途においても、アンテナにおけるビームステアリングの実施が必要とされている。
　ビームステアリングの手段として、アンテナの方角を機械的に制御する方法、アンテナから放射された電波を可動式のレンズや反射鏡で屈折または反射させて制御する方法などが考案され使用されている。また、機械的な可動部分を使用しないため耐久性や移動の追従性が高く、アンテナの小型・軽量化に適したフェーズドアレーアンテナが多く用いられている。
　フェーズドアレーアンテナは、線上または面上に複数配置されたアンテナ素子に接続された可変遅延回路や可変減衰器回路、ディジタル信号処理等の手段を用いて、各アンテナ素子に給電されるＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；無線周波数）信号の位相と振幅を制御（以下、位相と振幅の制御を重みづけと呼ぶ）することにより電子的にビームステアリングを行う。
　ミリ波帯を使用する第５世代移動通信システムやミリ波帯無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）システム等では、アナログ回路で重みづけを行うタイプのフェーズドアレーアンテナが多く使用されている。
　多くの無線通信システムにおいて無線通信の相手局が存在する範囲は、２次元平面内ではなく、３次元空間内で変化するため、例えば方位角と仰角のように２軸でのビームステアリングが必要である。そのため、フェーズドアレーアンテナには、面的にアンテナ素子を配置した２次元アレーアンテナを用いて２次元のビームステアリングを行うための重みづけが必要である。
　例えば、非特許文献１は２８ＧＨｚ帯での第５世代移動通信用基地局に使用する２５６素子のフェーズドアレーアンテナを開示する。例えば、３００ＧＨｚなど無線周波数が約１０倍になると、自由空間の伝播損は１００倍となり、数万個のアンテナ素子が必要になると考えられる。
　無線周波数が３００ＧＨｚの場合、自由空間波長は１ｍｍであるため、アンテナ素子の間隔は波長の半分、つまり０．５ｍｍとすることが一般的である。このとき、アンテナ素子の間隔と同等の間隔で、アンテナ素子の近傍に移相器回路を設置することは難しい。また、複数のビームを形成する回路（マルチビーム形成回路）を構成するには、ビーム数と同数の移相器を並列して配置しなければならず、さらに困難となることが想定される。
　アンテナ素子の数に応じた移相器回路を実装するのではなく、固定移相量を持つ受動回路を使用してその入力端子を切り替えて使用する方式がある。例えば、非特許文献２は受動回路を使用して２次元のビームステアリングを行う方式を開示する。しかし、回路を立体的に組み上げる必要があり、高周波数帯での実装は導波管で構成する必要があるため量産が難しく、また、多素子化への対応が難しい。
　非特許文献３は、信号を光に変換し、光回路により重みづけを行う方法を提案する。光回路により重みづけを行う方法としては、特許文献１は、波長分散線路を利用して２次元のビームステアリングを行う立体的な光回路を開示する。非特許文献４は、光波長を変換しながら移相器を反復再利用するループ構成を用いる方法を開示する。非特許文献５は、平面構成の移相回路と、光波長に依存して遅延時間が異なるFBG(fiber bragg gratings)反射線路を組み合わせて、平面構成の移相回路によって行う１次元（１平面内）のビームステアリングに加えて、FBG反射線路により行う前記平面と直交する平面の方向でのビームステアリングを可能にして、２次元ビームステアリングを実施する手段を開示する。特許文献２は、波長多重を用いたマルチビーム形成手段を開示する。
　しかしながら、上記開示された装置や方法においては、周波数の増大に伴い立体構造の製造が難しいことや部品点数が莫大な数になるといった欠点がある。
特開２００４－０２３４００号公報 特開２００７－１６５９５６号公報
渡辺 光, 宇賀 晋介, 中溝 英之, 堤 恒次, 新庄 真太郎, 栗山 侑, 第５世代移動通信基地局向けミリ波アンテナ・RFフロントエンド技術, 電子情報通信学会　通信ソサイエティマガジン, 2020, 14 巻, 3 号, p. 222-231. Dong-Hun KIM  Jiro HIROKAWA  Makoto ANDO, "One-Body 2-D Beam-Switching Butler Matrix with Waveguide Short-Slot 2-Plane Couplers," IEICE TRANSACTIONS on Electronics, Vol.E100-C, No.10, pp.884-892 C. Tsokos et al., "Analysis of a Multibeam Optical Beamforming Network Based on Blass Matrix Architecture," in Journal of Lightwave Technology, vol. 36, no. 16, pp. 3354-3372, 15 Aug.15, 2018. Y. Liu and J. Klamkin, "Scalable Integrated Photonics Beamforming Circuits," 2020 Asia Communications and Photonics Conference (ACP) and International Conference on Information Photonics and Optical Communications (IPOC), 2020, pp. 1-3. B. Ortega, J. Mora and R. Chulia, "Optical Beamformer for 2-D Phased Array Antenna With Subarray Partitioning Capability," in IEEE Photonics Journal, vol. 8, no. 3, pp. 1-9, June 2016
　しかしながら、２次元化及び多素子化に拡張可能なビームステアリング回路では、マルチビームに対応することが難しかった。
　本発明は、マルチビームに対応可能な送信指向性制御装置を提供する。
　本発明の一態様は、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜を光信号に付与する第一軸位相傾斜付与部と、前記位相傾斜が付与された複数の光信号の波長を、それぞれ異なる波長に変更する波長変更部と、前記波長が変更された光信号を合波する合波器と、前記合波された光信号に前記第一軸と垂直である第二軸における位相傾斜を付与する第二軸位相傾斜付与部と、前記第二軸における位相傾斜が付与された光信号を前記異なる波長の光信号に分波する分波器と、を備える送信指向性制御装置である。
　本発明の一態様は、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜を光信号に付与する第一軸位相傾斜付与ステップと、前記位相傾斜が付与された複数の光信号の波長を、それぞれ異なる波長に変更する波長変更ステップと、前記波長が変更された光信号を合波する合波ステップと、前記合波された光信号に前記第一軸と垂直である第二軸における位相傾斜を付与する第二軸位相傾斜付与ステップと、前記第二軸における位相傾斜が付与された光信号を前記異なる波長の光信号に分波する分波ステップと、を有する送信指向性制御方法である。
　本発明の送信指向性制御装置は、マルチビームに対応可能であるという利点がある。
第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の構成例を示す図である。 第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１の構成例を示す図である。 第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１の動作を示すフローチャートである。 第３の実施形態に係る送信指向性制御装置１の構成例を示す図である。 第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の変形例を示す図である。 第４の実施形態に係る送信指向性制御装置１の構成例を示す図である。 入力される光信号の波長と付与される位相傾斜の対応関係の一例である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下で説明する実施形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。
（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の構成例を示す図である。
　送信指向性制御装置１は、第一軸位相傾斜付与部１１、波長変更部１２、合波器１４、第二軸位相傾斜付与部１５、分波器１６、光源１７、光変調器１８及び制御部１９を備える。送信指向性制御装置１は、３つの波長変更部１２－１、１２－２及び１２－３を備える。送信指向性制御装置１は、３つの分波器１６－１、１６－２及び１６－３を備える。
　第一軸位相傾斜付与部１１は、空間上のある軸である第一軸における位相傾斜を光信号に付与する。位相傾斜が付与される光信号は、例えば光源１７から出力された光が光変調器１８により変調されることで生成される。光変調器１８は、例えば光源から出力される光を送信信号で変調することで光信号を生成する。第一軸位相傾斜付与部１１は、第一切替スイッチ１１１及び第一軸重みづけ回路１１２を備える。第一切替スイッチ１１１は、１つの入力端子と３つの出力端子を備える。第一切替スイッチ１１１は、入力端子に入力された光信号を３つの出力端子のいずれかの出力端子から出力する。第一軸重みづけ回路１１２は、３つの入力端子と３つの出力端子を備える。第一切替スイッチ１１１の３つの出力端子は第一軸重みづけ回路１１２の３つの入力端子とそれぞれ接続される。第一軸重みづけ回路１１２は、光信号が入力された端子により異なる位相傾斜を光信号に付与する。例えば、第一軸重みづけ回路１１２は、第１入力端子に光信号が入力された場合は位相傾斜φH１を付与し、第２入力端子に入力された場合は位相傾斜φH２を付与し、第３端子に入力された場合は位相傾斜φH３を付与し、３つの出力端子から出力する。例えば、第一軸重みづけ回路１１２は、第１入力端子に光信号が入力された場合は、位相を付与しない光信号を第１出力端子から出力し、位相φH1を付与した光信号を第２出力端子から出力し、位相２φH1を付与した光信号を第３出力端子から出力する。例えば、第一軸重みづけ回路１１２は、第２入力端子に光信号が入力された場合は、位相を付与しない光信号を第１出力端子から出力し、位相φH2を付与した光信号を第２出力端子から出力し、位相２φH2を付与した光信号を第３出力端子から出力する。例えば、第一軸重みづけ回路１１２は、第３入力端子に光信号が入力された場合は、位相を付与しない光信号を第１出力端子から出力し、位相φH3を付与した光信号を第２出力端子から出力し、位相２φH3を付与した光信号を第３出力端子から出力する。つまり、第１入力端子に入力された光信号には０、φH1、２φH1という位相傾斜が付与され、第２入力端子に入力された光信号には０、φH2、２φH2という位相傾斜が付与され、第３入力端子に入力された光信号には０、φH3、２φH3という位相傾斜が付与される。より具体的には、位相傾斜は０度、４５度、９０度や０度、９０度、１８０度などである。
　第一軸重みづけ回路１１２は、位相を付与しない光信号を出力する必要はなく、例えば、付与する位相傾斜はφ、２φ、３φであってもよい。以下の説明において、位相傾斜が付与される光信号の波長をλ０とする。
　波長変更部１２は、第一軸位相傾斜付与部１１により位相傾斜が付与された光信号の波長を、異なる波長に変更する。第一軸位相傾斜付与部１１により位相傾斜が付与され、第１出力端子から出力された光信号は波長変更部１２－１に入力され、第２出力端子から出力された光信号は波長変更部１２－２に入力され、第３出力端子から出力された光信号は波長変更部１２－３に入力される。波長変更部１２－１、１２－２及び１２－３は、入力された光信号の波長をそれぞれ異なる波長に変更する。例えば、波長変更部１２－１は、光信号の波長をλ１に変更し、波長変更部１２－２は、光信号の波長をλ２に変更し、波長変更部１２－３は、光信号の波長をλ３に変更する。波長変更部１２は、例えば局部発振器から入力された信号に基づいて、入力される光信号の波長を変更する。
　合波器１４は、波長変更部１２により波長が変更された複数の光信号を合波する。例えば、波長変更部１２－１により波長λ１に変更された光信号、波長変更部１２－２により波長λ２に変更された光信号及び波長変更部１２－３により波長λ３に変更された光信号を合波する。合波器１４は、例えばＡＷＧ(Arrayed Waveguide Grating)である。
　第二軸位相傾斜付与部１５は、合波器１４により合波された光信号に空間上のある軸である第二軸における位相傾斜を付与する。第二軸は、第一軸と垂直な軸である。第一軸及び第二軸は例えば水平及び垂直である。
　第二軸位相傾斜付与部１５は、第二切替スイッチ１５１及び第二軸重みづけ回路１５２を備える。第二切替スイッチ１５１は、１つの入力端子と３つの出力端子を備える。第二切替スイッチ１５１は、入力端子に入力された光信号を３つの出力端子のいずれかの出力端子から出力する。第二軸重みづけ回路１５２は、３つの入力端子と３つの出力端子を備える。第二切替スイッチ１５１の３つの出力端子は第二軸重みづけ回路１５２の３つの入力端子とそれぞれ接続される。第二軸重みづけ回路１５２は、光信号が入力された端子により異なる位相傾斜を光信号に付与する。例えば、第二軸重みづけ回路１５２は、第１入力端子に入力された光信号には位相傾斜φｖ１を付与し、第２入力端子に入力された場合は位相傾斜φｖ２を付与し、第３入力端子に入力された場合は位相傾斜φｖ３を付与し、３つの出力端子から出力する例えば、第二軸重みづけ回路１５２は、第１入力端子に光信号が入力された場合は、位相を付与しない光信号を第１出力端子から出力し、位相φV1を付与した光信号を第２出力端子から出力し、位相２φV1を付与した光信号を第３出力端子から出力する。例えば、第二軸重みづけ回路１５２は、第２入力端子に光信号が入力された場合は、位相を付与しない光信号を第１出力端子から出力し、位相φV2を付与した光信号を第２出力端子から出力し、位相２φV2を付与した光信号を第３出力端子から出力する。例えば、第二軸重みづけ回路１５２は、第３入力端子に光信号が入力された場合は、位相を付与しない光信号を第１出力端子から出力し、位相φV3を付与した光信号を第２出力端子から出力し、位相２φV3を付与した光信号を第３出力端子から出力する。つまり、第１入力端子に入力された光信号には０、φV1、２φV1という位相傾斜が付与され、第２入力端子に入力された光信号には０、φV2、２φV2という位相傾斜が付与され、第３入力端子に入力された光信号には０、φV3、２φV3という位相傾斜が付与される。より具体的には、位相傾斜は０度、４５度、９０度や０度、９０度、１８０度などである。
　第二軸重みづけ回路１５２は、位相を付与しない光信号を出力する必要はなく、例えば、付与する位相傾斜はφ、２φ、３φであってもよい。
　第一軸重みづけ回路１１２及び第二軸重みづけ回路１５２は、遅延線路、高分散線路、共振リング、行列回路などにより光信号に位相傾斜を付与する。行列回路は、例えばバトラー行列(Butler Matrix)やブラス回路(Blass Matrix)である。
　分波器１６は、第二軸位相傾斜付与部１５により位相傾斜が付与された光信号を波長ごとに分波する。分波器１６は、例えば光信号を波長λ１、波長λ２、波長λ３の光信号に分波する。分波器１６は、例えばＡＷＧである。分波された光信号は例えばフォトダイオードによりＲＦ信号に変換され、アンテナにより空間に放射される。
　制御部１９は、第一切替スイッチ１１１及び第二切替スイッチ１５１を制御し、第一切替スイッチ１１１の入力端子に入力される光信号が出力される出力端子及び第二切替スイッチ１５１の入力端子に入力される光信号が出力される出力端子を変更する。
　図２は、第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の動作を示すフローチャートである。光変調器１８は、光信号を生成する（ステップＳ１０）。第一切替スイッチ１１１が入力された光信号をいずれの出力端子から出力する（ステップＳ１１）。光信号が入力された端子に基づいて、第一軸重みづけ回路１１２が位相傾斜を付与する（ステップＳ１２）。波長変更部１２が、位相傾斜が付与された光信号の波長を変更する（ステップＳ１３）。その後、合波器１４は、波長変更された光信号を合波する（ステップＳ１４）。第二切替スイッチ１５１には、合波された光信号が入力され、いずれの出力端子から出力する（ステップＳ１５）。その後、光信号が入力された端子に基づいて、第二軸重みづけ回路１５２が位相傾斜を付与する（ステップＳ１６）。分波器１６が、光信号を分波する（ステップＳ１７）。
　以上により、送信指向性制御装置１は、光回路により重みづけを行い、２次元でマルチビームのステアリングを行うことができる。また、アンテナ素子の数が増大しても、第一軸位相傾斜付与部１１及び第二軸位相傾斜付与部１５の内部構成を変化させ分波器１６の数を増加させるだけでよく、複雑化を抑制することができる。
（第２の実施形態）
　図３は、第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１の構成例を示す図である。
　第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１は、第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１と異なり、位相傾斜付与部２１、フィルタ２３、合波器２５を備える。第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１は、３つのフィルタ２３－１、２３－２及び２３－３を備え、３つの合波器２５－１、２５－２及び２５－３を備える。
　第一切替スイッチ１１１は、第１の実施形態と同様に、光変調器１８から入力された光信号を３つの出力端子のいずれかの出力端子から合波器２５に出力する。第一切替スイッチ１１１は、光信号を第１出力端子から合波器２５－１に出力し、第２出力端子から合波器２５－２に出力し、第３出力端子から合波器２５－３に出力する。
　合波器２５は、第一切替スイッチ１１１と第二切替スイッチ１５１とから入力される光信号を合波し、位相傾斜付与部２１に出力する。合波器２５－１は、第一切替スイッチ１１１の第１出力端子と第二切替スイッチ１５１の第１出力端子とから入力される光信号を合波し、位相傾斜付与部２１の第１入力端子に出力する。合波器２５－２は、第一切替スイッチ１１１の第２出力端子と第二切替スイッチ１５１の第２出力端子とから入力される光信号を合波し、位相傾斜付与部２１の第２入力端子に出力する。合波器２５－３は、第一切替スイッチ１１１の第３出力端子と第二切替スイッチ１５１の第３出力端子とから入力される光信号を合波し、位相傾斜付与部２１の第３入力端子に出力する。
　位相傾斜付与部２１は、空間上のある軸である第一軸及び第一軸と直交する第二軸のどちらかの軸を選択し、選択した軸における位相傾斜を光信号に付与する。第一軸及び第二軸は例えば水平方向及び垂直方向である。位相傾斜付与部２１は、例えば光変調器１８が出力する光信号の波長λ０と同じ波長の光信号には第一軸における位相傾斜を付与し、波長λ０でない光信号には第二軸における位相傾斜を付与する。位相傾斜付与部２１は、制御部１９により制御されることで、第一軸又は第二軸における位相傾斜を付与するかを選択してもよい。
　位相傾斜付与部２１は、位相傾斜を付与した光信号をフィルタ２３に出力する。位相傾斜付与部２１は、例えば、第１入力端子に入力された光信号に位相傾斜を付与し、第１出力端子、第２出力端子及び第３出力端子からフィルタ２３－１、２３－２及び２３－３に出力する。位相傾斜付与部２１は、例えば、第２入力端子に入力された光信号に位相傾斜を付与し、第１出力端子、第２出力端子及び第３出力端子からフィルタ２３－１、２３－２及び２３－３に出力する。位相傾斜付与部２１は、例えば、第３の入力端子に入力された光信号に位相傾斜を付与し、第１出力端子、第２出力端子及び第３出力端子からフィルタ２３－１、２３－２及び２３－３に出力する。
　フィルタ２３は、位相傾斜付与部２１から出力された光信号をフィルタリングする。本実施形態において、位相傾斜付与部２１により、第一軸における位相傾斜が付与された光信号と、第一軸及び第二軸における位相傾斜が付与された光信号とは波長が異なる。フィルタ２３は、第一軸における位相傾斜が付与された光信号を波長変更部１２に出力し、第一軸及び第二軸における位相傾斜が付与された光信号を分波器１６に出力する。フィルタ２３は、例えば光変調器１８が出力する光信号の波長λ０と同じ波長の光信号とそれ以外の波長の光信号とを分離し、波長λ０の光信号を波長変更部１２に出力し、それ以外の波長の光信号を分波器１６に出力するように設計される。例えば、フィルタ２３－１は、波長λ０と同じ波長の光信号とそれ以外の波長の光信号とを分離し、波長λ０の光信号を波長変更部１２－１に出力し、それ以外の波長の光信号を分波器１６－１に出力する。フィルタ２３－２は、波長λ０と同じ波長の光信号とそれ以外の波長の光信号とを分離し、波長λ０の光信号を波長変更部１２－２に出力し、それ以外の波長の光信号を分波器１６－２に出力する。フィルタ２３－３は、波長λ０と同じ波長の光信号とそれ以外の波長の光信号とを分離し、波長λ０の光信号を波長変更部１２－３に出力し、それ以外の波長の光信号を分波器１６－３に出力する。
　波長変更部１２は、フィルタ２３から入力される第一軸における位相傾斜が付与された波長λ０の複数の光信号を、それぞれ異なる波長に変更する。例えば、波長変更部１２－１は、フィルタ２３－１から入力される光信号の波長をλ１に変更し、波長変更部１２－２は、フィルタ２３－２から入力される光信号の波長をλ２に変更し、波長変更部１２－３は、フィルタ２３－３から入力される光信号の波長をλ３に変更する。波長変更部１２は、例えば局部発振器から入力された信号に基づいて、入力される光信号の波長を変更する。
　合波器１４は、波長変更部１２により波長が変更された複数の光信号を合波する。
　第二切替スイッチ１５１は、第１の実施形態と同様に、合波器１４から入力された光信号を３つの出力端子のいずれかの出力端子から合波器２５に出力する。第二切替スイッチ１５１は、光信号を第１出力端子から合波器２５－１に出力し、第２出力端子から合波器２５－２に出力し、第３出力端子から合波器２５－３に出力する。
　分波器１６は、フィルタ２３から入力される第一軸及び第二軸における位相傾斜が付与された光信号を分波する。例えば、分波器１６－１、１６－２及び１６－３は、フィルタ２３－１、２３－２及び２３－３それぞれから入力される第一軸及び第二軸における位相傾斜が付与された光信号を分波する。分波された光信号は例えばフォトダイオードによりＲＦ信号に変換され、アンテナにより空間に放射される。
　図４は、第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１の動作を示すフローチャートである。光変調器１８は、光信号を生成する（ステップＳ２０）。第一切替スイッチ１１１は、入力された光信号をいずれの出力端子から出力する（ステップＳ２１）。分配された光信号に対して、位相傾斜付与部２１が第一軸における位相傾斜を付与する（ステップＳ２２）。波長変更部１２が、位相傾斜が付与された光信号の波長を変更する（ステップＳ２３）。その後、合波器１４は、波長変更された光信号を合波する（ステップＳ２４）。第二切替スイッチ１５１には、合波された光信号が入力され、いずれの出力端子から出力する（ステップＳ２５）。その後、分配された光信号に対して、位相傾斜付与部２１が第二軸における位相傾斜を付与する（ステップＳ２６）。分波器１６が、光信号を分波する（ステップＳ２７）。
　以上より、第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１は重みづけ回路を２つ備えているのに対し、第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１は重みづけ回路を１つ備えている。そのため、重みづけ回路の数を減らすことができ、より少ない要素で同様の効果を奏する送信指向性制御装置を構成することができる。
（第３の実施形態）
　図５は、第３の実施形態に係る送信指向性制御装置１の構成例を示す図である。第３の実施形態に係る送信指向性制御装置１は、第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１と異なり、フィルタ２３の代わりに偏波分波部３１を備える。また、第３の実施形態に係る送信指向性制御装置１は、第２の実施形態に係る送信指向性制御装置１と異なり、合波器１４と第二切替スイッチ１５１との間に偏波制御部３２を備える。
　偏波制御部３２は、合波器１４により合波された光信号の偏波面を９０度回転し、第二切替スイッチ１５１に出力する。偏波分波部３１は、偏波角により光信号を分波する。第二切替スイッチ１５１から位相傾斜付与部２１に入力される光信号は、偏波制御部３２により偏波面が９０度回転されていることから、第一切替スイッチ１１１から位相傾斜付与部２１に入力される光信号と偏波角が異なる。そのため、偏波分波部３１は、第一切替スイッチ１１１から位相傾斜付与部２１に入力される光信号を波長変更部１２に出力し、第二切替スイッチ１５１から位相傾斜付与部２１に入力される偏波面が９０度回転した光信号を分波器１６に出力するように設計される。
　第２の実施形態においては、フィルタ２３は波長の違いにより、光信号を波長変更部１２及び分波器１６に分波したが、第３の実施形態においては、フィルタ２３は偏波分波器である。また、第３の実施形態において、合波器１４により合波された光信号は偏波面を９０度回転される。これにより、第３の実施形態において、光信号の偏波の違いにより光信号を分けることができる。
　以上の実施形態においては、送信指向性制御装置１は分波器１６を３つ備え、３つの波長の光信号に分波し、３×３と正方の２次元アレーアンテナを構成するが正方でなくてもよい。図６は、第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１の変形例を示す図である。図６に示す送信指向性制御装置１は分波器１６を３つ備え、２つの波長の光信号に分波し、３×２の２次元アレーアンテナを構成する。このとき、第一切替スイッチ１１１は２つの出力端子を備えていればよく、フィルタ２３－３、波長変更部１２－３及び合波器２５－３を備えなくてもよい。また、合波器１４は、波長変更部１２－１及び１２－２から入力される光信号を合波すればよく、フィルタ２３は、λ０とλ１及びλ２とを分離できればよく、分波器１６は波長λ１とλ２の光信号を分波できればよい。このとき、波長変更部１２の数を減らすことができ、使用する波長や帯域を節約することができる。
（第４の実施形態）
　図７は、第４の実施形態に係る送信指向性制御装置１の構成例を示す図である。第４の実施形態に係る送信指向性制御装置１は、第１の実施形態に係る送信指向性制御装置１と異なり、波長変更部１２の代わりに長波長化部４１及び短波長化部４２を備える。また、送信指向性制御装置１は、２つ以上の光源及び光変調器１８を備え、第一切替スイッチ１１１は、２つ以上の入力端子を備える。
　第一切替スイッチ１１１は、入力された２つの光信号を独立に３つの出力端子のうち１つの出力端子から出力する。長波長化部４１は、第一軸重みづけ回路１１２の第１出力端子と合波器１４の第１入力端子との間に設けられる。短波長化部４２は、第一軸重みづけ回路１１２の第３出力端子と合波器１４の第３入力端子との間に設けられる。長波長化部４１は入力される光信号の波長を長くして合波器１４に出力する。短波長化部４２は入力される光信号の波長を短くして合波器１４に出力する。
　第一軸位相傾斜付与部１１及び第二軸位相傾斜付与部１５は、入力される光信号の波長により異なる位相傾斜を付与する。第一軸位相傾斜付与部１１及び第二軸位相傾斜付与部１５において、入力される光信号の波長と付与される位相傾斜の対応関係が設定されている。図８は、入力される光信号の波長と付与される位相傾斜の対応関係の一例である。光変調器１８から出力される光信号の波長は、付与される位相傾斜つまり最終的にアンテナにより信号が放射される方向に基づいて決定される。光変調器１８から出力される光信号の波長は、例えば光源１７から出力される光の波長を変化させることで変化する。第一軸重みづけ回路１１２及び第二軸重みづけ回路１５２が行列回路であるとき、第一切替スイッチ１１１及び第二切替スイッチ１５１は分波器であって、入力される光信号の周波数により、光信号を出力する行列回路の入力端子を選択する。
　第一軸位相傾斜付与部１１に入力される光信号の波長がλ１である場合、合波器１４により合波される３つの光信号の波長は、例えばλ１＋Δ、λ１、λ１－Δである。ここで、Δは光信号の波長と付与される位相傾斜の対応関係において、最も小さい波長間差よりも小さい値に設定される。
　分波器１６は、光信号の波長と付与される位相傾斜の対応関係における波長とのずれに基づいて光信号を分波する。例えば、分波器１６は、λ１＋Δ、λ１、λ１－Δの波長の光信号に分波し、λ２＋Δ、λ２、λ２－Δの波長の光信号に分波し、λ３＋Δ、λ３、λ３－Δの波長の光信号に分波する。
　（第５の実施形態）
　第５の実施形態に係る送信指向性制御装置１は、第１の実施形態に送信指向性制御装置１と異なり、波長変更部１２－１が光信号の波長を変更せず、波長変更部１２－２が光信号の波長を図８に示す対応関係において３段階変更し、波長変更部１２－２が光信号の波長を図８に示す対応関係において６段階変更する。例えば、波長変更部１２－２は波長λ１の光信号を波長λ４の光信号に変更し、波長λ２の光信号を波長λ５の光信号に変更し、波長λ３の光信号を波長λ６の光信号に変更する。例えば、波長変更部１２－３は波長λ１の光信号を波長λ７の光信号に変更し、波長λ２の光信号を波長λ８の光信号に変更し、波長λ３の光信号を波長λ９の光信号に変更する。第二軸位相傾斜付与部１５は、入力される光信号がλ１、λ４、λ７を合波した光信号、λ２、λ５、λ８を合波した光信号、λ３、λ６、λ９を合波した光信号により異なる位相傾斜を付与する。分波器１６は、λ１とλ４とλ７の波長の光信号を分波し、λ２とλ５とλ８の波長の光信号を分波し、λ３とλ６とλ９の波長の光信号を分波する。第５の実施形態に係る送信指向性制御装置１は、第４の実施形態に係る送信指向性制御装置１と同様に、２つ以上の光源及び光変調器１８を備え、第一切替スイッチ１１１は、２つ以上の入力端子を備えていてもよい。
　以上より、第４の実施形態及び第５の実施形態に係る送信指向性制御装置１は、複数の光信号に基づき、分波器１６に設けられたアンテナから異なる方向へ複数の信号を送信することができる。
　以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
　例えば、上述した実施形態では第一軸位相傾斜付与部１１、第二軸位相傾斜付与部１５及び位相傾斜付与部２１の入力端子及び出力端子は３つであり、３つの分波器１６が３つの波長の光信号に分波するが、これに限られない。例えば、第一軸位相傾斜付与部１１、第二軸位相傾斜付与部１５及び位相傾斜付与部２１の入力端子及び出力端子は２つでもよく、４つ以上でもよい。分波器１６の数は、２つでもよく、４つ以上でもよく、分波器１６が２つの波長の光信号に分波してもよく、４つ以上の波長の光信号に分波してもよい。
１　送信指向性制御装置、１１　第一軸位相傾斜付与部、１１１　第一切替スイッチ、１１２　第一軸重みづけ回路、１２　波長変更部、１４　合波器、１５　第二軸位相傾斜付与部、１５１　第二切替スイッチ、１５２　第二軸重みづけ回路、１６　分波器、１７　光源、１８　光変調器、１９　制御部、２１　位相傾斜付与部、２３　フィルタ、２５　合波器、３１　偏波分波部、３２　偏波制御部、４１　長波長化部、４２　短波長化部

Claims (6)

  1. 　空間上のある軸である第一軸における位相傾斜を光信号に付与する第一軸位相傾斜付与部と、
    　前記位相傾斜が付与された光信号の波長を、それぞれ異なる波長に変更する波長変更部と、
    　前記波長が変更された光信号を合波する合波器と、
    　前記合波された光信号に前記第一軸と直交する第二軸における位相傾斜を付与する第二軸位相傾斜付与部と、
    　前記第二軸における位相傾斜が付与された光信号を前記異なる波長の光信号に分波する分波器と、
    　を備える送信指向性制御装置。
  2. 　空間上のある軸である第一軸及び前記第一軸と直交である第二軸のどちらかの軸を選択し、選択した軸における位相傾斜を光信号に付与する位相傾斜付与部と、
    　入力された光信号を前記位相傾斜付与部のいずれかの入力端子に出力する第一切替スイッチと、
    　前記第一軸における位相傾斜が付与された複数の光信号の波長を、それぞれ異なる波長に変更する波長変更部と、
    　前記波長が変更された光信号を合波する合波器と、
    　前記合波された光信号を前記位相傾斜付与部のいずれかの入力端子に出力する第二切替スイッチと、
    　前記第二軸における位相傾斜が付与された光信号を分波する分波器と、
    　前記位相傾斜付与部と前記波長変更部との間に、前記位相傾斜付与部から入力された光信号を波長に基づきフィルタリングし、前記第一軸における位相傾斜が付与された光信号を前記波長変更部に出力し、前記第二軸における位相傾斜が付与された光信号を前記分波器に出力するフィルタと、
    　を備える送信指向性制御装置。
  3. 　前記合波された光信号の偏波面を回転し、前記第二切替スイッチに出力する偏波制御部と、
    　前記フィルタの代わりに、前記位相傾斜付与部から入力された光信号を偏波分波し、前記第一軸における位相傾斜が付与された光信号を前記波長変更部に出力し、前記第二軸における位相傾斜が付与された光信号を前記分波器に出力する偏波分波部と、
    　を備える請求項２に記載の送信指向性制御装置。
  4. 　前記第一軸位相傾斜付与部は、複数の光信号に独立に前記第一軸における位相傾斜を付与し、
    　前記波長変更部は、前記位相傾斜が付与された光信号の波長を、前記複数の光信号ごとにそれぞれ異なる波長に変更し、
    　前記第二軸位相傾斜付与部は、前記複数の光信号ごとに前記第二軸における位相傾斜を付与する、
    　請求項１に記載の送信指向性制御装置。
  5. 　前記波長変更部は、入力される光信号の波長を長くする長波長化部と、入力される光信号の波長を短くする短波長化部と、を備える、
    　請求項４に記載の送信指向性制御装置。
  6. 　空間上のある軸である第一軸における位相傾斜を光信号に付与する第一軸位相傾斜付与ステップと、
    　前記位相傾斜が付与された複数の光信号の波長を、それぞれ異なる波長に変更する波長変更ステップと、
    　前記波長が変更された光信号を合波する合波ステップと、
    　前記合波された光信号に前記第一軸と垂直である第二軸における位相傾斜を付与する第二軸位相傾斜付与ステップと、
    　前記第二軸における位相傾斜が付与された光信号を前記異なる波長の光信号に分波する分波ステップと、
    　を有する送信指向性制御方法。
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