光制御型フェーズドアレーアンテナ装置
【課題】装置の小型軽量化が可能、所望のアンテナ放射パターンが得られる等の効果を奏する光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を提供する。
【解決手段】マイクロ波周波数で離調した信号光とローカル光のレーザ光がビームとして異なる空間に出射され、信号光ビームの空間位相分布に位相変調を行う空間光位相変調手段、空間光位相変調手段から出力する信号光ビームを光サンプリング手段でのサンプリング位置に対応してアレー状に分割する第１ビーム分割手段、ローカル光ビームの空間強度分布に強度変調を行う空間光強度変調手段、位相変調され分割された信号光ビームと強度変調されたローカル光ビームとを合成する光ビーム合成手段、合成光ビームを空間的にサンプリングして分割した合成光ビームを得る光サンプリング手段、分割された合成光ビームをマイクロ波信号に変換し空間に放射するアレーアンテナを備えた。
【解決手段】マイクロ波周波数で離調した信号光とローカル光のレーザ光がビームとして異なる空間に出射され、信号光ビームの空間位相分布に位相変調を行う空間光位相変調手段、空間光位相変調手段から出力する信号光ビームを光サンプリング手段でのサンプリング位置に対応してアレー状に分割する第１ビーム分割手段、ローカル光ビームの空間強度分布に強度変調を行う空間光強度変調手段、位相変調され分割された信号光ビームと強度変調されたローカル光ビームとを合成する光ビーム合成手段、合成光ビームを空間的にサンプリングして分割した合成光ビームを得る光サンプリング手段、分割された合成光ビームをマイクロ波信号に変換し空間に放射するアレーアンテナを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アレーアンテナから放射するマイクロ波ビームを光波により制御する光制御型フェーズドアレーアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の装置として、送信信号が電気信号として入力する高周波電気信号入力端子と、この入力端子からの電気信号を第一の光波信号に重畳する重畳手段と、この重畳手段の出力光と第二の光波信号とを合成しヘテロダイン検波する合成手段と、この合成手段の出力光をそのビームの異なるｎ個の各部分について光電変換しそれぞれアンテナ素子に給電するｎ個の光電変換素子を含む光電変換手段とを備え、前記第一の光波信号の光路および前記第二の光波信号の光路のいずれかに変調手段が設けられ、この変調手段は、その光路を横切る面について第一の電気的変調信号により強度分布変調を施す第一の変調素子と、前記重畳手段の出力光を横切る面について第二の電気的変調信号により位相分布変調を施す第二の変調素子とが縦続接続された光回路を含むアンテナビーム形成回路があった(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２０２５４７号公報(第２図参照)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のこの種の装置では、空間光位相変調器では、アンテナ励振位相分布と同じ位相を設定するが、その場合、隣接するアンテナ素子間で位相が離散的に異なる場合、空間光位相変調器を出射した信号光ビームがホトダイオードアレーまで空間伝搬中の回折により、ホトダイオードアレーの入射面において設定位相及び振幅分布が変動するため、所望のアンテナ放射パターンと異なることがある。
また、光学部品の歪み、振動などによりビーム光の波面が光の波長オーダで変動すると、アンテナ給電位相が変動するため、所望のアンテナ放射パターンが得られない。
さらに、信号光ビームはビーム合成器(ビームスプリッタ)を４回通るため、(１／２)４＝１／１６の光が損失となるため、所望のマイクロ波出力を得るためには、高出力な光源もしくは、高利得なマイクロ波増幅器が必要となりシステムが大型化し、消費電力が高くなる。
【０００５】
この発明は上記の課題を解消するためになされたもので、装置の小型軽量化が可能、所望のアンテナ放射パターンが得られる等の効果を奏する光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、マイクロ波周波数で離調した信号光とローカル光の２つのレーザ光を出力する光出力手段と、前記光出力手段を出力した信号光とローカル光をそれぞれ信号光ビーム及びローカル光ビームとしてそれぞれ異なる空間に出射する光ビーム出射手段と、前記信号光ビームの空間位相分布に位相変調を行う空間光位相変調手段と、前記空間光位相変調手段から出力する信号光ビームを光サンプリング手段でのサンプリング位置に対応してアレー状に分割した信号光ビームに変換する第１ビーム分割手段と、前記ローカル光ビームの空間強度分布に強度変調を行う空間光強度変調手段と、位相変調されかつ分割された信号光ビームと強度変調されたローカル光ビームとを空間的に重ね合わせ合成光ビームにする光ビーム合成手段と、前記合成光ビームを空間的にサンプリングして分割された複数の合成光ビームを得る前記光サンプリング手段と、サンプリングにより分割されたそれぞれの合成光ビームをヘテロダイン検波することでマイクロ波信号に変換する光電変換手段と、光電変換された各マイクロ波信号を空間に放射するアレーアンテナと、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装置にある。
【発明の効果】
【０００７】
この発明では、空間光変換器により光波の振幅、位相の空間分布を制御し、光電変換により発生したマイクロ波をアレーアンテナへ給電する。この時、例えば、空間光変換器で、信号光ビームをサンプリング位置に対応してアレー状に分割した信号光ビームの分割ビームにすることで所望のアンテナ放射パターンが得られるようにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ装置(以下、光制御型ＰＡＡ装置)の構成を示す図である。なお以下、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【０００９】
図１において、この実施の形態１に係る光制御型ＰＡＡ装置では、レーザ光源１から出力したレーザ光を光周波数変換装置２に入力する。光周波数変換装置２では、レーザ光をマイクロ波入力端子３から入力したマイクロ波周波数により、マイクロ波周波数だけ離調した第１の光と第２の光の２つの周波数の光に変換する。以下、便宜的に第１の光を信号光、第２の光をローカル光と呼ぶ。周波数が離調された信号光とローカル光は、光波長分波装置４により、信号光ビーム１０及びローカル光ビーム１１として、それぞれ異なる空間に放射される。
【００１０】
このような光周波数変換装置２としては、例えばMach-Zehnder型光変調器などが適用可能である。また、信号光とローカル光を分波する光波長分波装置４としては、例えば光バンドパスフィルタによりローカル光のみを透過させ、信号光を反射させるなどして実現できる。光バンドパスフィルタとしては、ファブリペローエタロンフィルタや、ファイバブラッググレーティング、誘電体多層膜フィルタなど様々な種類のものが適用可能である。各分波光はレンズなどの光学系により、所定のサイズのビーム光に変換して空間に放射する。
【００１１】
信号光ビーム１０は第１ビームスプリッタ３０を透過した後、レンズアレー３２に入射する。レンズアレー３２の各レンズの配置は、空間光位相変調器２０及び光ファイバアレー２０１の配列と等しい。レンズアレー３２を構成する各レンズを透過した各々の信号光ビームは空間光位相変調器２０上に集光され、各々空間光位相変調器の駆動装置２１からの制御信号に従い空間光位相変調器２０で位相変調され、再びレンズアレー３２の各レンズを逆側より透過し、アレー状に信号光ビーム群１２として出力する。レンズアレー３２を出射した信号光ビーム群１２は、第１ビームスプリッタ３０で反射した後、第２ビームスプリッタ３１を透過する。
【００１２】
一方、ローカル光ビーム１１は第２ビームスプリッタ３１を透過した後、空間光強度変調器２２に入力される。空間光強度変調器２２では、空間光強度変調器の駆動装置２３からの制御信号により、ローカル光ビーム１１の空間振幅分布をアレーアンテナ２０３の各アンテナ素子ＡＥへの励振振幅位相分布に変換する。振幅分布が変換されたローカル光ビーム１１は、第２ビームスプリッタ３１で反射し、信号光ビーム１０と空間的に重ね合わされる。このような空間光位相変調器２０及び空間光強度変調器２２は例えば、液晶により実現することができる。
【００１３】
なお、信号光ビーム１０の振幅分布が等振幅の場合、空間光強度変調器２２で変換したローカル光ビーム１１の振幅分布は、アレーアンテナ２０３の各アンテナ素子ＡＥのマイクロ波励振振幅分布と等価であるが、信号光ビーム１０の振幅分布が例えばガウス分布のように等振幅分布でない場合は、信号光ビーム１０の強度とローカル光ビーム１１の強度分布の積が、各アンテナ素子ＡＥのマイクロ波の励振振幅分布となるように、ローカル光ビーム１１の振幅分布を変換する。
【００１４】
信号光ビーム群１２とローカル光ビーム１１が第２ビームスプリッタ３１で空間的に重ね合わされ、光ファイバアレー２０１の各光ファイバに入射し、空間的にサンプリングされる。このとき、信号光ビーム群１２の各ビームと、光ファイバアレー２０１の各光ファイバは１対１に対応する。この光ファイバアレー２０１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並置された複数本の光ファイバから構成される。光ファイバアレー２０１の入射端には、各光ファイバと合成光ビームの結合効率を高めるために、レンズアレー２００を備えてもよい。
【００１５】
合成光ビームは光ファイバアレー２０１の各光ファイバに入射し、光ファイバを伝搬後、各光ファイバの出射端側に接続した各光電変換器２０２に入力され、ヘテロダイン検波によりマイクロ波信号に変換される。なお、マイクロ波信号の周波数は、信号光とローカル光の周波数差に等しい。マイクロ波信号は、必要に応じてマイクロ波増幅器(図示省略)などを介して、アレーアンテナ２０３の各アンテナ素子ＡＥに給電し、マイクロ波ビームとして空間に放射される。
【００１６】
演算装置２５は所望のアンテナ放射パターン形成に必要な各アンテナ素子ＡＥの励振振幅、位相を演算し、その結果を空間光位相変調器２０の駆動装置２１及び、空間光強度変調器２２の駆動装置２３に入力する。演算装置２５では励振振幅、位相分布を必要に応じて演算しても良いし、別途演算した結果をデータベースに格納してこれを利用してもよい。
【００１７】
空間光位相変調器２０に入射する信号光ビーム１０の電界分布をＡ１(ｍ)・ｃｏｓ(ω１・ｔ)とおく。ｍは空間光位相変調器２０の素子番号を表し、空間光位相変調器２０の各素子番号は、光ファイバアレー２０１の各ファイバ及びアレーアンテナ２０３の各アンテナ素子ＡＥの素子番号に対応している。Ａ１(ｍ)は素子ｍにおける信号光ビーム１０の振幅、ω１は信号光ビーム１０の角周波数である。なお、空間光位相変調器２０の入射面での信号光ビーム１０の位相分布を０とした。空間光位相変調器２０の素子番号ｍで位相変調された信号光ビーム１０は
Ａ１(ｍ)・ｃｏｓ(ω１・ｔ＋φ(ｍ))
に変換される。φ(ｍ)は空間光位相変調器２０の素子ｍに与えた位相変調量である。
【００１８】
一方、空間光強度変調器２２に入射するローカル光ビーム１１の電界分布をＡ２(ｍ)・ｃｏｓ(ω２・ｔ)とおく。ｍは前記と同様に空間光強度変調器２２の素子番号を表し、空間光強度変調器２２の各素子番号は、光ファイバアレー２０１の各ファイバ及びアレーアンテナ２０３の各アンテナ素子番号に対応している。Ａ２(ｍ)は素子ｍにおけるローカル光ビーム１１の振幅、ω２はローカル光ビーム１１の角周波数である。なお、空間光強度変調器２２の入射面でのローカル光ビーム１１の位相分布を０とした。空間光強度変調器２２の素子ｍで変調されたローカル光ビーム１１は
Ａ２(ｍ)・ａ(ｍ)・ｃｏｓ(ω２・ｔ)
に変換される。ａ(ｍ)は空間光強度変調器２２の素子ｍで与えた振幅変調量である。
【００１９】
各合成光ビームは光ファイバアレー２０１で空間的にサンプリングされ、光電変換器２０２の各素子でヘテロダイン検波されることにより、
（Ａ１(ｍ)・Ａ２(ｍ)・ａ(ｍ)・ｃｏｓ((ω１−ω２)ｔ＋φ(ｍ))
に比例するマイクロ波となる。ここで、ω１−ω２がマイクロ波の角周波数、φ(ｍ)が素子ｍの位相分布、Ａ１(ｍ)・Ａ２(ｍ)・ａ(ｍ)が素子ｍの振幅分布となる。このように、空間光位相変調器２０で与えた光の位相φ(ｍ)がマイクロ波の位相に、空間光強度変調器２２で与えた光の振幅ａ(ｍ)がマイクロ波の振幅に変換される。なお、上記説明では第１及び第２ビームスプリッタ３０、３１の損失、光ファイバアレー２０１へのビームの結合効率などは無視した。
【００２０】
なお、レーザ光源１、光周波数変換装置２、マイクロ波入力端子３が光出力手段を構成し、光波長分波装置４が光ビーム出射手段を構成し、空間光位相変調器２０、駆動装置２１、演算装置２５が空間光位相変調手段を構成し、空間光振幅(強度)変調器２２、駆動装置２３、演算装置２５が空間光強度変調手段を構成し、第１及び第２ビームスプリッタ３０、３１が光ビーム合成手段を構成し、レンズアレー２００、光ファイバアレー２０１が光サンプリング手段を構成し、光電変換器２０２が光電変換手段を構成し、レンズアレー３２が第１ビーム分割手段を構成する。
【００２１】
以上の構成をとることにより、光の位相分布、振幅分布を制御することにより、アレーアンテナへの給電するマイクロ波の位相、振幅分布を制御できるため、装置の小型軽量化が期待できる。また、光の空間変調器(空間光位相変調器２０、空間光強度変調器２２)により容易に２次元化することが可能である。さらに、空間光位相変調器の入射面にレンズアレー３２を設けることにより、空間光位相変調器２０で反射した信号光ビーム１０が回折で広がり、光ファイバアレー２０１の入射面で大きく変動することがなくなる。また、空間光位相変調器２０の開口率が低い場合も、レンズアレー３２により変調領域のみに信号光ビーム１０を集光できるため、光の損失を低減することが可能である。
【００２２】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係る光制御型ＰＡＡ装置の構成を示す図である。図１と同一の構成要素に関しては説明を省略する。信号光ビーム１０及びローカル光ビーム１１は偏光方向を１００及び１１０状態で光波長分波装置４から出射させる。ここで、光の偏光方向を１００において、ｚ方向をビームの進行方向としたとき、ｘを紙面に垂直な方向、ｙを紙面に平行な方向とする。以下の説明でも、図示していないがビームの偏光方向は同様の記述とする。また、以下の説明中の（）内の表記は図２中に示した偏光状態を表すものとする。光波長分波装置４から出射される信号光ビーム１０、ローカル光ビーム１１の偏光方向は必要に応じて、波長板を用いることで、１００及び１１０の方向に変換することが可能である。
【００２３】
なお、後述する第１及び第２偏光ビームスプリッタ３５，３６では、ｚ軸方向に光ビームが進行している場合、偏光方向がｙ軸方向なら全て透過(透過方向は透過率＝約１００％、反射方向(９０度方向)は反射率＝約０％)、偏光方向がｘ軸方向なら全て反射(透過方向は透過率＝約０％、反射方向(９０度方向)は反射率＝約１００％)となる。
【００２４】
光波長分波装置４を出射した信号光ビーム１０は第１偏光ビームスプリッタ(以下、ＰＢＳ)３５を透過(１０１)する。第１ＰＢＳ３５を透過した信号光ビーム１０(１０１)は１／４波長板４０を透過し、円偏光の信号光ビーム１０(１０２)となり、レンズアレー３２を介して空間光位相変調器２０にて所定の位相分布に変換されて、入射時と逆側の円偏向の信号光ビーム１０(１０３)となる。
【００２５】
この信号光ビーム１０は再び１／４波長板４０を透過し、入射時と直交(９０度)する方向の直線偏光(１０４)に変換され、第１ＰＢＳ３５にて反射する。反射した信号光ビーム１０(１０５)は第１の１／２波長板４１を透過し、偏光方向を９０度回転した直線偏光(１０６)に変換され、第２ＰＢＳ３６を透過する。
【００２６】
一方、光波長分波装置４を出力したローカル光ビーム１１(１１０)は第２ＰＢＳ３６を透過(１１１)し、第２の１／２波長板４３により４５度傾いた直線偏光されたローカル光ビーム１１(１１２)に変換される。空間光強度変調器２２は液晶により構成されており、液晶の配向軸側の偏光成分(例えば、図２の各偏光状態においてｙ方向)だけが位相変調される。実際にはここでは強度変調を位相変調器を用いて実現させている。空間光強度変調器２２で反射したローカル光ビーム１１は、再び第２の１／２波長板４３を透過し、楕円偏光状のローカル光ビーム１１となる。ローカル光ビーム１１は第２ＰＢＳ３６への入射より、ｘ方向の成分のみが反射(１１６)するため、反射ビーム光の強度を制御することが可能である。
【００２７】
そして合成光ビームの上述の信号光ビーム１０(１０７)及びローカル光ビーム１１(１１２)はそれぞれ第３の１／２波長板４２によりそれぞれ、偏光方向は(１０８)、(１１３)のように４５度傾く。
【００２８】
第３の１／２波長板４２を透過した信号光ビーム１０(１０８)とローカル光ビーム１１(１１３)はそれぞれ、第３ＰＢＳ３７により図２のｙ方向の偏光成分(１０９)、(１１４)のみが透過し、それぞれ光ファイバアレー２０１により空間的にサンプリングされる。
なお、図２のように、信号光ビームおよびローカル光ビームがビームの進行方向ｚに対して４５度回転した場合、第３ＰＢＳ３７の透過率は各々５０％となるが、第３の１／２波長板４２の回転角により、信号光ビームとローカル光ビームの透過率を変えても良い。
【００２９】
なお、第１及び第２偏光ビームスプリッタ３５，３６、第１光ビーム回転素子である第１の１／２波長板４１、偏光分離手段である第３の１／２波長板４２及び第３偏光ビームスプリッタ３７が光ビーム合成手段を構成する。また、反射型の第１空間光位相変調素子である空間光位相変調器２０、駆動装置２１、演算装置２５、光ビーム偏光素子である１／４波長板４０が空間光位相変調手段を構成する。また、反射型の第２空間光位相変調素子である空間光強度変調器２２、駆動装置２３、演算装置２５、第２光ビーム回転素子である第２の１／２波長板４３が空間光強度変調手段を構成する。
【００３０】
上述の実施の形態１の図１において、信号光ビーム１０は第１ビームスプリッタ３０を２回、第２ビームスプリッタ３１を１回通るため透過率は(１／２)３＝１／８と、また、ロ−カル光ビーム１１は第２ビームスプリッタ３１を２回通るため透過率は(１／２)２＝１／４であるが、以上の構成をとることにより、信号光ビーム１０及びローカル光ビーム１１は第１及び第２ＰＢＳ３５、３６における損失をなくすことができ、第３ＰＢＳ３７を透過した時の損失のみとなる。
【００３１】
なお、本実施の形態では第２の１／２波長板４３のかわりに４５度回転ファラディー回転子を使用しても同様の効果が得られる。
【００３２】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３に係る光制御型ＰＡＡ装置の構成を示す図である。上記各実施の形態と同一の構成要素に関しては説明を省略する。空間光位相変調器２０のレンズアレー３２と光ファイバアレー２０１の入射面との間に、第１レンズ６１と第２レンズ６２からなる第１リレー光学系６０を備える。第１レンズ６１をその片側の焦点面が空間光位相変調器２０の出射面に、また、第２レンズ６２をその片側の焦点面を光ファイバアレー２０１の入射面となる位置に設置する。さらに、第１レンズ６１と第２レンズ６２の間隔を、第１レンズ６１の焦点距離ｆ１と第２レンズ６２の焦点距離ｆ２の和に設定する。第１リレー光学系６０は第１及び第２ビームスプリッタ３０，３１間に設けることができる。
【００３３】
以上の構成をとることにより、空間光位相変調器２０の出射面の信号光ビーム１０の振幅位相分布を光ファイバアレー２０１の入射面に投影することができるため、空間光位相変調器２０で反射した信号光ビーム１０の空間伝搬中の回折広がりの影響を低減できる。
【００３４】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４に係る光制御型ＰＡＡ装置の構成を示す図である。上記各実施の形態と同一の構成要素に関しては説明を省略する。空間光位相変調器２０のレンズアレー３２から出射した信号光ビーム１０を、部分反射鏡７０によりその一部を反射させ、他方を透過させる。透過した信号光ビーム１０は上記実施の形態と同様に、第１ビームスプリッタ３０で反射された後、ローカル光ビーム１１と空間的に合成される。部分反射鏡７０で反射した信号光ビーム群１２は光波面測定装置７２に入射する。
【００３５】
光波面測定装置７２は、空間光位相変調器２０から出射されレンズアレー３２を透過した光ビームの位相分布を測定する。光波面測定装置７２としては、干渉系方式、シャック−ハルトマン方式などが適用可能である。光波面測定装置７２で測定した位相分布は演算装置２５に入力する。演算装置２５にて、空間光位相変調器２０に設定した所望の位相分布と、上述の位相分布の測定結果の誤差を演算し、空間光位相変調器２０の駆動装置２１を介して空間光位相変調器２０での位相変調量を補正する。
【００３６】
なお、実施の形態１で説明したように演算装置２５では空間光位相変調器２０、空間光強度変調器２２に与える制御信号を演算し、本実施の形態ではさらに、演算装置２５にて位相、強度の変調量の補正量も演算する。位相補正量を別の演算装置(図示省略)で演算してもよい。
【００３７】
また、部分反射鏡７０、光波面測定装置７２が第１分布誤差補正手段を構成する。
【００３８】
波面の測定結果を用いて位相変調量を補正するフィードバック構成をとることにより、空間光位相変調器２０の変調特性が変動した場合、または光学系の歪み、擾乱などにより信号光ビーム１０の波面が変動した場合でも、所望の位相分布に制御することが可能であり、高精度かつ高安定な位相分布の制御が可能となる。
【００３９】
なお、この発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施の形態の可能な組合せを含むことは云うまでもない。
【００４０】
また、実施の形態１〜４は、信号光ビーム１０に対して制御を行っているが、ローカル光ビーム１１側に対しても、同様の構成を設けて制御を行うことが可能である。図５は上述の実施の形態１、３、４によるこの発明による構成を、ローカル光ビーム１１のためにも設けたこの発明による光制御型ＰＡＡ装置の構成を示す図である。
【００４１】
図５では、ローカル光ビーム１１に対して、空間光強度変調器２２から出力するローカル光ビーム１１を、光サンプリング手段を構成するレンズアレー２００、光ファイバアレー２０１でのサンプリング位置に対応してアレー状に分割したローカル光ビーム群１２ａに変換する、第２ビーム分割手段を構成するレンズアレー３２ａが設けられている。また、レンズアレー３２ａの分割したローカル光ビーム群１２ａの振幅位相分布を上記光サンプリング手段の入射面に投影する、第２リレー光学系を構成する第１レンズ６１ａと第２レンズ６２ａが空間光強度変調器２２のレンズアレー３２ａと光ファイバアレー２０１の入射面との間に設けられている。さらに、レンズアレー３２ａからの強度変調されたローカル光ビーム群１２ａの一部を取り出して光波面の強度分布を測定し空間光強度変調手段の演算装置２５に入力する、第２分布誤差補正手段を構成する部分反射鏡７０ａ、光波面測定装置７２ａが設けられている。これらの動作は、上述した信号光ビーム１０側のそれぞれ対応するものと基本的に同じである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【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装置の構成図である。
【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装置の構成図である。
【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装置の構成図である。
【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装置の構成図である。
【図５】この発明のさらに別の変形例による光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ レーザ光源、２ 光周波数変換装置、３ マイクロ波入力端子、４ 光波長分波装置、１０ 信号光ビーム、１１ ローカル光ビーム、１２，１２ａ ローカル光ビーム群、２０ 空間光位相変調器(反射型の第１空間光位相変調素子)、２１ 駆動装置、２２ 空間光強度変調器(反射型の第２空間光位相変調素子)、２３ 駆動装置、２５ 演算装置、３０ 第１ビームスプリッタ、３１ 第２ビームスプリッタ、３２，３２ａ レンズアレー、３５ 第１偏光ビームスプリッタ、３６ 第２偏光ビームスプリッタ、３７ 第３偏光ビームスプリッタ(偏光分離手段)、４０ １／４波長板(光ビーム偏光素子)、４１ 第１の１／２波長板(第１光ビーム回転素子)、４２ 第３の１／２波長板(偏光分離手段)、４３ 第２の１／２波長板(第２光ビーム回転素子)、６０ 第１リレー光学系、６０ａ 第２リレー光学系、６１，６１ａ 第１レンズ、６２，６２ａ 第２レンズ、７０，７０ａ 部分反射鏡、７２，７２ａ 光波面測定装置、２００ レンズアレー、２０１ 光ファイバアレー、２０２ 光電変換器、２０３ アレーアンテナ、ＡＥ アンテナ素子。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アレーアンテナから放射するマイクロ波ビームを光波により制御する光制御型フェーズドアレーアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の装置として、送信信号が電気信号として入力する高周波電気信号入力端子と、この入力端子からの電気信号を第一の光波信号に重畳する重畳手段と、この重畳手段の出力光と第二の光波信号とを合成しヘテロダイン検波する合成手段と、この合成手段の出力光をそのビームの異なるｎ個の各部分について光電変換しそれぞれアンテナ素子に給電するｎ個の光電変換素子を含む光電変換手段とを備え、前記第一の光波信号の光路および前記第二の光波信号の光路のいずれかに変調手段が設けられ、この変調手段は、その光路を横切る面について第一の電気的変調信号により強度分布変調を施す第一の変調素子と、前記重畳手段の出力光を横切る面について第二の電気的変調信号により位相分布変調を施す第二の変調素子とが縦続接続された光回路を含むアンテナビーム形成回路があった(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２０２５４７号公報(第２図参照)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のこの種の装置では、空間光位相変調器では、アンテナ励振位相分布と同じ位相を設定するが、その場合、隣接するアンテナ素子間で位相が離散的に異なる場合、空間光位相変調器を出射した信号光ビームがホトダイオードアレーまで空間伝搬中の回折により、ホトダイオードアレーの入射面において設定位相及び振幅分布が変動するため、所望のアンテナ放射パターンと異なることがある。
また、光学部品の歪み、振動などによりビーム光の波面が光の波長オーダで変動すると、アンテナ給電位相が変動するため、所望のアンテナ放射パターンが得られない。
さらに、信号光ビームはビーム合成器(ビームスプリッタ)を４回通るため、(１／２)４＝１／１６の光が損失となるため、所望のマイクロ波出力を得るためには、高出力な光源もしくは、高利得なマイクロ波増幅器が必要となりシステムが大型化し、消費電力が高くなる。
【０００５】
この発明は上記の課題を解消するためになされたもので、装置の小型軽量化が可能、所望のアンテナ放射パターンが得られる等の効果を奏する光制御型フェーズドアレーアンテナ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、マイクロ波周波数で離調した信号光とローカル光の２つのレーザ光を出力する光出力手段と、前記光出力手段を出力した信号光とローカル光をそれぞれ信号光ビーム及びローカル光ビームとしてそれぞれ異なる空間に出射する光ビーム出射手段と、前記信号光ビームの空間位相分布に位相変調を行う空間光位相変調手段と、前記空間光位相変調手段から出力する信号光ビームを光サンプリング手段でのサンプリング位置に対応してアレー状に分割した信号光ビームに変換する第１ビーム分割手段と、前記ローカル光ビームの空間強度分布に強度変調を行う空間光強度変調手段と、位相変調されかつ分割された信号光ビームと強度変調されたローカル光ビームとを空間的に重ね合わせ合成光ビームにする光ビーム合成手段と、前記合成光ビームを空間的にサンプリングして分割された複数の合成光ビームを得る前記光サンプリング手段と、サンプリングにより分割されたそれぞれの合成光ビームをヘテロダイン検波することでマイクロ波信号に変換する光電変換手段と、光電変換された各マイクロ波信号を空間に放射するアレーアンテナと、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装置にある。
【発明の効果】
【０００７】
この発明では、空間光変換器により光波の振幅、位相の空間分布を制御し、光電変換により発生したマイクロ波をアレーアンテナへ給電する。この時、例えば、空間光変換器で、信号光ビームをサンプリング位置に対応してアレー状に分割した信号光ビームの分割ビームにすることで所望のアンテナ放射パターンが得られるようにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る光制御型フェーズドアレーアンテナ装置(以下、光制御型ＰＡＡ装置)の構成を示す図である。なお以下、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【０００９】
図１において、この実施の形態１に係る光制御型ＰＡＡ装置では、レーザ光源１から出力したレーザ光を光周波数変換装置２に入力する。光周波数変換装置２では、レーザ光をマイクロ波入力端子３から入力したマイクロ波周波数により、マイクロ波周波数だけ離調した第１の光と第２の光の２つの周波数の光に変換する。以下、便宜的に第１の光を信号光、第２の光をローカル光と呼ぶ。周波数が離調された信号光とローカル光は、光波長分波装置４により、信号光ビーム１０及びローカル光ビーム１１として、それぞれ異なる空間に放射される。
【００１０】
このような光周波数変換装置２としては、例えばMach-Zehnder型光変調器などが適用可能である。また、信号光とローカル光を分波する光波長分波装置４としては、例えば光バンドパスフィルタによりローカル光のみを透過させ、信号光を反射させるなどして実現できる。光バンドパスフィルタとしては、ファブリペローエタロンフィルタや、ファイバブラッググレーティング、誘電体多層膜フィルタなど様々な種類のものが適用可能である。各分波光はレンズなどの光学系により、所定のサイズのビーム光に変換して空間に放射する。
【００１１】
信号光ビーム１０は第１ビームスプリッタ３０を透過した後、レンズアレー３２に入射する。レンズアレー３２の各レンズの配置は、空間光位相変調器２０及び光ファイバアレー２０１の配列と等しい。レンズアレー３２を構成する各レンズを透過した各々の信号光ビームは空間光位相変調器２０上に集光され、各々空間光位相変調器の駆動装置２１からの制御信号に従い空間光位相変調器２０で位相変調され、再びレンズアレー３２の各レンズを逆側より透過し、アレー状に信号光ビーム群１２として出力する。レンズアレー３２を出射した信号光ビーム群１２は、第１ビームスプリッタ３０で反射した後、第２ビームスプリッタ３１を透過する。
【００１２】
一方、ローカル光ビーム１１は第２ビームスプリッタ３１を透過した後、空間光強度変調器２２に入力される。空間光強度変調器２２では、空間光強度変調器の駆動装置２３からの制御信号により、ローカル光ビーム１１の空間振幅分布をアレーアンテナ２０３の各アンテナ素子ＡＥへの励振振幅位相分布に変換する。振幅分布が変換されたローカル光ビーム１１は、第２ビームスプリッタ３１で反射し、信号光ビーム１０と空間的に重ね合わされる。このような空間光位相変調器２０及び空間光強度変調器２２は例えば、液晶により実現することができる。
【００１３】
なお、信号光ビーム１０の振幅分布が等振幅の場合、空間光強度変調器２２で変換したローカル光ビーム１１の振幅分布は、アレーアンテナ２０３の各アンテナ素子ＡＥのマイクロ波励振振幅分布と等価であるが、信号光ビーム１０の振幅分布が例えばガウス分布のように等振幅分布でない場合は、信号光ビーム１０の強度とローカル光ビーム１１の強度分布の積が、各アンテナ素子ＡＥのマイクロ波の励振振幅分布となるように、ローカル光ビーム１１の振幅分布を変換する。
【００１４】
信号光ビーム群１２とローカル光ビーム１１が第２ビームスプリッタ３１で空間的に重ね合わされ、光ファイバアレー２０１の各光ファイバに入射し、空間的にサンプリングされる。このとき、信号光ビーム群１２の各ビームと、光ファイバアレー２０１の各光ファイバは１対１に対応する。この光ファイバアレー２０１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並置された複数本の光ファイバから構成される。光ファイバアレー２０１の入射端には、各光ファイバと合成光ビームの結合効率を高めるために、レンズアレー２００を備えてもよい。
【００１５】
合成光ビームは光ファイバアレー２０１の各光ファイバに入射し、光ファイバを伝搬後、各光ファイバの出射端側に接続した各光電変換器２０２に入力され、ヘテロダイン検波によりマイクロ波信号に変換される。なお、マイクロ波信号の周波数は、信号光とローカル光の周波数差に等しい。マイクロ波信号は、必要に応じてマイクロ波増幅器(図示省略)などを介して、アレーアンテナ２０３の各アンテナ素子ＡＥに給電し、マイクロ波ビームとして空間に放射される。
【００１６】
演算装置２５は所望のアンテナ放射パターン形成に必要な各アンテナ素子ＡＥの励振振幅、位相を演算し、その結果を空間光位相変調器２０の駆動装置２１及び、空間光強度変調器２２の駆動装置２３に入力する。演算装置２５では励振振幅、位相分布を必要に応じて演算しても良いし、別途演算した結果をデータベースに格納してこれを利用してもよい。
【００１７】
空間光位相変調器２０に入射する信号光ビーム１０の電界分布をＡ１(ｍ)・ｃｏｓ(ω１・ｔ)とおく。ｍは空間光位相変調器２０の素子番号を表し、空間光位相変調器２０の各素子番号は、光ファイバアレー２０１の各ファイバ及びアレーアンテナ２０３の各アンテナ素子ＡＥの素子番号に対応している。Ａ１(ｍ)は素子ｍにおける信号光ビーム１０の振幅、ω１は信号光ビーム１０の角周波数である。なお、空間光位相変調器２０の入射面での信号光ビーム１０の位相分布を０とした。空間光位相変調器２０の素子番号ｍで位相変調された信号光ビーム１０は
Ａ１(ｍ)・ｃｏｓ(ω１・ｔ＋φ(ｍ))
に変換される。φ(ｍ)は空間光位相変調器２０の素子ｍに与えた位相変調量である。
【００１８】
一方、空間光強度変調器２２に入射するローカル光ビーム１１の電界分布をＡ２(ｍ)・ｃｏｓ(ω２・ｔ)とおく。ｍは前記と同様に空間光強度変調器２２の素子番号を表し、空間光強度変調器２２の各素子番号は、光ファイバアレー２０１の各ファイバ及びアレーアンテナ２０３の各アンテナ素子番号に対応している。Ａ２(ｍ)は素子ｍにおけるローカル光ビーム１１の振幅、ω２はローカル光ビーム１１の角周波数である。なお、空間光強度変調器２２の入射面でのローカル光ビーム１１の位相分布を０とした。空間光強度変調器２２の素子ｍで変調されたローカル光ビーム１１は
Ａ２(ｍ)・ａ(ｍ)・ｃｏｓ(ω２・ｔ)
に変換される。ａ(ｍ)は空間光強度変調器２２の素子ｍで与えた振幅変調量である。
【００１９】
各合成光ビームは光ファイバアレー２０１で空間的にサンプリングされ、光電変換器２０２の各素子でヘテロダイン検波されることにより、
（Ａ１(ｍ)・Ａ２(ｍ)・ａ(ｍ)・ｃｏｓ((ω１−ω２)ｔ＋φ(ｍ))
に比例するマイクロ波となる。ここで、ω１−ω２がマイクロ波の角周波数、φ(ｍ)が素子ｍの位相分布、Ａ１(ｍ)・Ａ２(ｍ)・ａ(ｍ)が素子ｍの振幅分布となる。このように、空間光位相変調器２０で与えた光の位相φ(ｍ)がマイクロ波の位相に、空間光強度変調器２２で与えた光の振幅ａ(ｍ)がマイクロ波の振幅に変換される。なお、上記説明では第１及び第２ビームスプリッタ３０、３１の損失、光ファイバアレー２０１へのビームの結合効率などは無視した。
【００２０】
なお、レーザ光源１、光周波数変換装置２、マイクロ波入力端子３が光出力手段を構成し、光波長分波装置４が光ビーム出射手段を構成し、空間光位相変調器２０、駆動装置２１、演算装置２５が空間光位相変調手段を構成し、空間光振幅(強度)変調器２２、駆動装置２３、演算装置２５が空間光強度変調手段を構成し、第１及び第２ビームスプリッタ３０、３１が光ビーム合成手段を構成し、レンズアレー２００、光ファイバアレー２０１が光サンプリング手段を構成し、光電変換器２０２が光電変換手段を構成し、レンズアレー３２が第１ビーム分割手段を構成する。
【００２１】
以上の構成をとることにより、光の位相分布、振幅分布を制御することにより、アレーアンテナへの給電するマイクロ波の位相、振幅分布を制御できるため、装置の小型軽量化が期待できる。また、光の空間変調器(空間光位相変調器２０、空間光強度変調器２２)により容易に２次元化することが可能である。さらに、空間光位相変調器の入射面にレンズアレー３２を設けることにより、空間光位相変調器２０で反射した信号光ビーム１０が回折で広がり、光ファイバアレー２０１の入射面で大きく変動することがなくなる。また、空間光位相変調器２０の開口率が低い場合も、レンズアレー３２により変調領域のみに信号光ビーム１０を集光できるため、光の損失を低減することが可能である。
【００２２】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係る光制御型ＰＡＡ装置の構成を示す図である。図１と同一の構成要素に関しては説明を省略する。信号光ビーム１０及びローカル光ビーム１１は偏光方向を１００及び１１０状態で光波長分波装置４から出射させる。ここで、光の偏光方向を１００において、ｚ方向をビームの進行方向としたとき、ｘを紙面に垂直な方向、ｙを紙面に平行な方向とする。以下の説明でも、図示していないがビームの偏光方向は同様の記述とする。また、以下の説明中の（）内の表記は図２中に示した偏光状態を表すものとする。光波長分波装置４から出射される信号光ビーム１０、ローカル光ビーム１１の偏光方向は必要に応じて、波長板を用いることで、１００及び１１０の方向に変換することが可能である。
【００２３】
なお、後述する第１及び第２偏光ビームスプリッタ３５，３６では、ｚ軸方向に光ビームが進行している場合、偏光方向がｙ軸方向なら全て透過(透過方向は透過率＝約１００％、反射方向(９０度方向)は反射率＝約０％)、偏光方向がｘ軸方向なら全て反射(透過方向は透過率＝約０％、反射方向(９０度方向)は反射率＝約１００％)となる。
【００２４】
光波長分波装置４を出射した信号光ビーム１０は第１偏光ビームスプリッタ(以下、ＰＢＳ)３５を透過(１０１)する。第１ＰＢＳ３５を透過した信号光ビーム１０(１０１)は１／４波長板４０を透過し、円偏光の信号光ビーム１０(１０２)となり、レンズアレー３２を介して空間光位相変調器２０にて所定の位相分布に変換されて、入射時と逆側の円偏向の信号光ビーム１０(１０３)となる。
【００２５】
この信号光ビーム１０は再び１／４波長板４０を透過し、入射時と直交(９０度)する方向の直線偏光(１０４)に変換され、第１ＰＢＳ３５にて反射する。反射した信号光ビーム１０(１０５)は第１の１／２波長板４１を透過し、偏光方向を９０度回転した直線偏光(１０６)に変換され、第２ＰＢＳ３６を透過する。
【００２６】
一方、光波長分波装置４を出力したローカル光ビーム１１(１１０)は第２ＰＢＳ３６を透過(１１１)し、第２の１／２波長板４３により４５度傾いた直線偏光されたローカル光ビーム１１(１１２)に変換される。空間光強度変調器２２は液晶により構成されており、液晶の配向軸側の偏光成分(例えば、図２の各偏光状態においてｙ方向)だけが位相変調される。実際にはここでは強度変調を位相変調器を用いて実現させている。空間光強度変調器２２で反射したローカル光ビーム１１は、再び第２の１／２波長板４３を透過し、楕円偏光状のローカル光ビーム１１となる。ローカル光ビーム１１は第２ＰＢＳ３６への入射より、ｘ方向の成分のみが反射(１１６)するため、反射ビーム光の強度を制御することが可能である。
【００２７】
そして合成光ビームの上述の信号光ビーム１０(１０７)及びローカル光ビーム１１(１１２)はそれぞれ第３の１／２波長板４２によりそれぞれ、偏光方向は(１０８)、(１１３)のように４５度傾く。
【００２８】
第３の１／２波長板４２を透過した信号光ビーム１０(１０８)とローカル光ビーム１１(１１３)はそれぞれ、第３ＰＢＳ３７により図２のｙ方向の偏光成分(１０９)、(１１４)のみが透過し、それぞれ光ファイバアレー２０１により空間的にサンプリングされる。
なお、図２のように、信号光ビームおよびローカル光ビームがビームの進行方向ｚに対して４５度回転した場合、第３ＰＢＳ３７の透過率は各々５０％となるが、第３の１／２波長板４２の回転角により、信号光ビームとローカル光ビームの透過率を変えても良い。
【００２９】
なお、第１及び第２偏光ビームスプリッタ３５，３６、第１光ビーム回転素子である第１の１／２波長板４１、偏光分離手段である第３の１／２波長板４２及び第３偏光ビームスプリッタ３７が光ビーム合成手段を構成する。また、反射型の第１空間光位相変調素子である空間光位相変調器２０、駆動装置２１、演算装置２５、光ビーム偏光素子である１／４波長板４０が空間光位相変調手段を構成する。また、反射型の第２空間光位相変調素子である空間光強度変調器２２、駆動装置２３、演算装置２５、第２光ビーム回転素子である第２の１／２波長板４３が空間光強度変調手段を構成する。
【００３０】
上述の実施の形態１の図１において、信号光ビーム１０は第１ビームスプリッタ３０を２回、第２ビームスプリッタ３１を１回通るため透過率は(１／２)３＝１／８と、また、ロ−カル光ビーム１１は第２ビームスプリッタ３１を２回通るため透過率は(１／２)２＝１／４であるが、以上の構成をとることにより、信号光ビーム１０及びローカル光ビーム１１は第１及び第２ＰＢＳ３５、３６における損失をなくすことができ、第３ＰＢＳ３７を透過した時の損失のみとなる。
【００３１】
なお、本実施の形態では第２の１／２波長板４３のかわりに４５度回転ファラディー回転子を使用しても同様の効果が得られる。
【００３２】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３に係る光制御型ＰＡＡ装置の構成を示す図である。上記各実施の形態と同一の構成要素に関しては説明を省略する。空間光位相変調器２０のレンズアレー３２と光ファイバアレー２０１の入射面との間に、第１レンズ６１と第２レンズ６２からなる第１リレー光学系６０を備える。第１レンズ６１をその片側の焦点面が空間光位相変調器２０の出射面に、また、第２レンズ６２をその片側の焦点面を光ファイバアレー２０１の入射面となる位置に設置する。さらに、第１レンズ６１と第２レンズ６２の間隔を、第１レンズ６１の焦点距離ｆ１と第２レンズ６２の焦点距離ｆ２の和に設定する。第１リレー光学系６０は第１及び第２ビームスプリッタ３０，３１間に設けることができる。
【００３３】
以上の構成をとることにより、空間光位相変調器２０の出射面の信号光ビーム１０の振幅位相分布を光ファイバアレー２０１の入射面に投影することができるため、空間光位相変調器２０で反射した信号光ビーム１０の空間伝搬中の回折広がりの影響を低減できる。
【００３４】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４に係る光制御型ＰＡＡ装置の構成を示す図である。上記各実施の形態と同一の構成要素に関しては説明を省略する。空間光位相変調器２０のレンズアレー３２から出射した信号光ビーム１０を、部分反射鏡７０によりその一部を反射させ、他方を透過させる。透過した信号光ビーム１０は上記実施の形態と同様に、第１ビームスプリッタ３０で反射された後、ローカル光ビーム１１と空間的に合成される。部分反射鏡７０で反射した信号光ビーム群１２は光波面測定装置７２に入射する。
【００３５】
光波面測定装置７２は、空間光位相変調器２０から出射されレンズアレー３２を透過した光ビームの位相分布を測定する。光波面測定装置７２としては、干渉系方式、シャック−ハルトマン方式などが適用可能である。光波面測定装置７２で測定した位相分布は演算装置２５に入力する。演算装置２５にて、空間光位相変調器２０に設定した所望の位相分布と、上述の位相分布の測定結果の誤差を演算し、空間光位相変調器２０の駆動装置２１を介して空間光位相変調器２０での位相変調量を補正する。
【００３６】
なお、実施の形態１で説明したように演算装置２５では空間光位相変調器２０、空間光強度変調器２２に与える制御信号を演算し、本実施の形態ではさらに、演算装置２５にて位相、強度の変調量の補正量も演算する。位相補正量を別の演算装置(図示省略)で演算してもよい。
【００３７】
また、部分反射鏡７０、光波面測定装置７２が第１分布誤差補正手段を構成する。
【００３８】
波面の測定結果を用いて位相変調量を補正するフィードバック構成をとることにより、空間光位相変調器２０の変調特性が変動した場合、または光学系の歪み、擾乱などにより信号光ビーム１０の波面が変動した場合でも、所望の位相分布に制御することが可能であり、高精度かつ高安定な位相分布の制御が可能となる。
【００３９】
なお、この発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施の形態の可能な組合せを含むことは云うまでもない。
【００４０】
また、実施の形態１〜４は、信号光ビーム１０に対して制御を行っているが、ローカル光ビーム１１側に対しても、同様の構成を設けて制御を行うことが可能である。図５は上述の実施の形態１、３、４によるこの発明による構成を、ローカル光ビーム１１のためにも設けたこの発明による光制御型ＰＡＡ装置の構成を示す図である。
【００４１】
図５では、ローカル光ビーム１１に対して、空間光強度変調器２２から出力するローカル光ビーム１１を、光サンプリング手段を構成するレンズアレー２００、光ファイバアレー２０１でのサンプリング位置に対応してアレー状に分割したローカル光ビーム群１２ａに変換する、第２ビーム分割手段を構成するレンズアレー３２ａが設けられている。また、レンズアレー３２ａの分割したローカル光ビーム群１２ａの振幅位相分布を上記光サンプリング手段の入射面に投影する、第２リレー光学系を構成する第１レンズ６１ａと第２レンズ６２ａが空間光強度変調器２２のレンズアレー３２ａと光ファイバアレー２０１の入射面との間に設けられている。さらに、レンズアレー３２ａからの強度変調されたローカル光ビーム群１２ａの一部を取り出して光波面の強度分布を測定し空間光強度変調手段の演算装置２５に入力する、第２分布誤差補正手段を構成する部分反射鏡７０ａ、光波面測定装置７２ａが設けられている。これらの動作は、上述した信号光ビーム１０側のそれぞれ対応するものと基本的に同じである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【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装置の構成図である。
【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装置の構成図である。
【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装置の構成図である。
【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装置の構成図である。
【図５】この発明のさらに別の変形例による光制御型フェーズドアレーアンテナ装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ レーザ光源、２ 光周波数変換装置、３ マイクロ波入力端子、４ 光波長分波装置、１０ 信号光ビーム、１１ ローカル光ビーム、１２，１２ａ ローカル光ビーム群、２０ 空間光位相変調器(反射型の第１空間光位相変調素子)、２１ 駆動装置、２２ 空間光強度変調器(反射型の第２空間光位相変調素子)、２３ 駆動装置、２５ 演算装置、３０ 第１ビームスプリッタ、３１ 第２ビームスプリッタ、３２，３２ａ レンズアレー、３５ 第１偏光ビームスプリッタ、３６ 第２偏光ビームスプリッタ、３７ 第３偏光ビームスプリッタ(偏光分離手段)、４０ １／４波長板(光ビーム偏光素子)、４１ 第１の１／２波長板(第１光ビーム回転素子)、４２ 第３の１／２波長板(偏光分離手段)、４３ 第２の１／２波長板(第２光ビーム回転素子)、６０ 第１リレー光学系、６０ａ 第２リレー光学系、６１，６１ａ 第１レンズ、６２，６２ａ 第２レンズ、７０，７０ａ 部分反射鏡、７２，７２ａ 光波面測定装置、２００ レンズアレー、２０１ 光ファイバアレー、２０２ 光電変換器、２０３ アレーアンテナ、ＡＥ アンテナ素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波周波数で離調した信号光とローカル光の２つのレーザ光を出力する光出力手段と、
前記光出力手段を出力した信号光とローカル光をそれぞれ信号光ビーム及びローカル光ビームとしてそれぞれ異なる空間に出射する光ビーム出射手段と、
前記信号光ビームの空間位相分布に位相変調を行う空間光位相変調手段と、
前記空間光位相変調手段から出力する信号光ビームを光サンプリング手段でのサンプリング位置に対応してアレー状に分割した信号光ビームに変換する第１ビーム分割手段と、
前記ローカル光ビームの空間強度分布に強度変調を行う空間光強度変調手段と、
位相変調されかつ分割された信号光ビームと強度変調されたローカル光ビームとを空間的に重ね合わせ合成光ビームにする光ビーム合成手段と、
前記合成光ビームを空間的にサンプリングして分割された複数の合成光ビームを受光する前記光サンプリング手段と、
サンプリングにより分割されたそれぞれの合成光ビームをヘテロダイン検波することでマイクロ波信号に変換する光電変換手段と、
光電変換された各マイクロ波信号を空間に放射するアレーアンテナと、
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装置。
【請求項２】
光ビーム合成手段が第１及び第２偏光ビームスプリッタ、第１光ビーム回転素子、偏光分離手段を含み、
前記第１偏光ビームスプリッタが光ビーム出射手段からの信号光ビームを透過して空間光位相変調手段の方向に導き、空間光位相変調手段からの信号光ビームは反射して前記第２偏光ビームスプリッタの方向に導き、
前記第１光ビーム回転素子が第１偏光ビームスプリッタからの信号光ビームの偏光方向を９０度回転させて前記第２偏光ビームスプリッタに導き、
前記第２偏光ビームスプリッタが光ビーム出射手段からのローカル光ビームを透過して空間光強度変調手段の方向に導き、空間光強度変調手段からのローカル光ビームは反射し前記第１光ビーム回転素子からの信号光ビームを透過させたものと空間的に重ね合わせ合成光ビームにして光サンプリング手段の方向に導き、
前記偏光分離手段が前記第２偏光ビームスプリッタからの合成光ビームの信号光ビームとローカル光ビームの同一の偏光成分を透過させて前記光サンプリング手段に導き、
空間光位相変調手段が、
前記第１偏光ビームスプリッタを透過した信号光ビームの空間位相分布を位相変調する反射型の第１空間光位相変調素子と、
前記第１偏光ビームスプリッタと第１空間光位相変調素子の間を信号光ビームが往復する時に偏光方向を９０度回転させる光ビーム偏光素子と、を含み、
空間光強度変調手段が、
前記第２偏光ビームスプリッタを透過したローカル光ビームの空間位相分布にローカル光ビームの偏光方向に対し４５度回転した偏光成分を位相変調する反射型の第２空間光位相変調素子及び第２光ビーム回転素子を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
【請求項３】
第１ビーム分割手段の分割した信号光ビームの振幅位相分布を光サンプリング手段の入射面に投影する第１リレー光学系を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
【請求項４】
第１ビーム分割手段からの位相変調された信号光ビームの一部を取り出して光波面の位相分布を測定し空間光位相変調手段に入力する第１分布誤差補正手段を備え、前記空間光位相変調手段において設定されている位相分布との誤差を演算して誤差成分を補正することを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
【請求項５】
空間光強度変調手段から出力するローカル光ビームを前記光サンプリング手段でのサンプリング位置に対応してアレー状に分割したローカル光ビームに変換する第２ビーム分割手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
【請求項６】
第２ビーム分割手段の分割したローカル光ビームの振幅位相分布を光サンプリング手段の入射面に投影する第２リレー光学系を備えたことを特徴とする請求項５に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
【請求項７】
第２ビーム分割手段からの強度変調されたローカル光ビームの一部を取り出して光波面の強度分布を測定し空間光強度変調手段に入力する第２分布誤差補正手段を備え、前記空間光強度変調手段が設定されている強度分布との誤差を演算して誤差成分を補正することを特徴とする請求項５又は６に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
【請求項１】
マイクロ波周波数で離調した信号光とローカル光の２つのレーザ光を出力する光出力手段と、
前記光出力手段を出力した信号光とローカル光をそれぞれ信号光ビーム及びローカル光ビームとしてそれぞれ異なる空間に出射する光ビーム出射手段と、
前記信号光ビームの空間位相分布に位相変調を行う空間光位相変調手段と、
前記空間光位相変調手段から出力する信号光ビームを光サンプリング手段でのサンプリング位置に対応してアレー状に分割した信号光ビームに変換する第１ビーム分割手段と、
前記ローカル光ビームの空間強度分布に強度変調を行う空間光強度変調手段と、
位相変調されかつ分割された信号光ビームと強度変調されたローカル光ビームとを空間的に重ね合わせ合成光ビームにする光ビーム合成手段と、
前記合成光ビームを空間的にサンプリングして分割された複数の合成光ビームを受光する前記光サンプリング手段と、
サンプリングにより分割されたそれぞれの合成光ビームをヘテロダイン検波することでマイクロ波信号に変換する光電変換手段と、
光電変換された各マイクロ波信号を空間に放射するアレーアンテナと、
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装置。
【請求項２】
光ビーム合成手段が第１及び第２偏光ビームスプリッタ、第１光ビーム回転素子、偏光分離手段を含み、
前記第１偏光ビームスプリッタが光ビーム出射手段からの信号光ビームを透過して空間光位相変調手段の方向に導き、空間光位相変調手段からの信号光ビームは反射して前記第２偏光ビームスプリッタの方向に導き、
前記第１光ビーム回転素子が第１偏光ビームスプリッタからの信号光ビームの偏光方向を９０度回転させて前記第２偏光ビームスプリッタに導き、
前記第２偏光ビームスプリッタが光ビーム出射手段からのローカル光ビームを透過して空間光強度変調手段の方向に導き、空間光強度変調手段からのローカル光ビームは反射し前記第１光ビーム回転素子からの信号光ビームを透過させたものと空間的に重ね合わせ合成光ビームにして光サンプリング手段の方向に導き、
前記偏光分離手段が前記第２偏光ビームスプリッタからの合成光ビームの信号光ビームとローカル光ビームの同一の偏光成分を透過させて前記光サンプリング手段に導き、
空間光位相変調手段が、
前記第１偏光ビームスプリッタを透過した信号光ビームの空間位相分布を位相変調する反射型の第１空間光位相変調素子と、
前記第１偏光ビームスプリッタと第１空間光位相変調素子の間を信号光ビームが往復する時に偏光方向を９０度回転させる光ビーム偏光素子と、を含み、
空間光強度変調手段が、
前記第２偏光ビームスプリッタを透過したローカル光ビームの空間位相分布にローカル光ビームの偏光方向に対し４５度回転した偏光成分を位相変調する反射型の第２空間光位相変調素子及び第２光ビーム回転素子を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
【請求項３】
第１ビーム分割手段の分割した信号光ビームの振幅位相分布を光サンプリング手段の入射面に投影する第１リレー光学系を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
【請求項４】
第１ビーム分割手段からの位相変調された信号光ビームの一部を取り出して光波面の位相分布を測定し空間光位相変調手段に入力する第１分布誤差補正手段を備え、前記空間光位相変調手段において設定されている位相分布との誤差を演算して誤差成分を補正することを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
【請求項５】
空間光強度変調手段から出力するローカル光ビームを前記光サンプリング手段でのサンプリング位置に対応してアレー状に分割したローカル光ビームに変換する第２ビーム分割手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
【請求項６】
第２ビーム分割手段の分割したローカル光ビームの振幅位相分布を光サンプリング手段の入射面に投影する第２リレー光学系を備えたことを特徴とする請求項５に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
【請求項７】
第２ビーム分割手段からの強度変調されたローカル光ビームの一部を取り出して光波面の強度分布を測定し空間光強度変調手段に入力する第２分布誤差補正手段を備え、前記空間光強度変調手段が設定されている強度分布との誤差を演算して誤差成分を補正することを特徴とする請求項５又は６に記載の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−２５２２５０（Ｐ２００８−２５２２５０Ａ）
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８８１０７（Ｐ２００７−８８１０７）
【出願日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、独立行政法人情報通信研究機構、「移動体向け超高速通信用衛星搭載ビーム形状可変マルチビームアンテナ装置の研究開発」委託契約、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、独立行政法人情報通信研究機構、「移動体向け超高速通信用衛星搭載ビーム形状可変マルチビームアンテナ装置の研究開発」委託契約、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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