JP2009516215A - 単一アパーチャ、多重光学導波管よりなるトランシーバ - Google Patents

Abstract

拡大された距離において低速度を計測するためのＬＩＤＡＲシステムに実用可能な単一アパーチャ、多軸型トランシーバを提供する。この装置は、極めて低い速度及び極めて小さい距離を計測するとともに数百メートルの作動距離を付与することが求められるシステムに特に有用である。本発明のトランシーバは、入力及び検知器のアパーチャを形成するために、相互に近接した複数の光学導波管を単一の対物レンズ８の焦点近傍に配置して用いる。入力及び検知器のアパーチャは、約８０μｍよりも小さい間隔で配置されるのが望ましい。１５５０ｎｍの波長の光を用いる構成において、上記間隔は約３０μｍが望ましい。
【選択図】図７

Description

本発明は、光学トランシーバに係り、特に単一アパーチャ（aperture）光検知測距（ＬＩＤＡＲ：Light Detection And Ranging）及びファイバ光学素子を用いた速度計測システムに適用可能な光学トランシーバに関する。

本発明は概して光学装置、光学的導波管及び光学システム等をその背景技術とする。特に関係するのは、「ライダ」とも称される光を用いたリモートセンシング技術の一つである上記光検知測距（以下、単に「ＬＩＤＡＲとも称する」）及びショートレンジでの適切な動作が求められる光学通信システムである。その最も単純な形態では、ＬＩＤＡＲシステムがレーザなどで代表される光学トランスミッタ及び同方向に指向する並列配置の光学レシーバを有する。これらを総合して「トランシーバ」として知られている。トランスミッタはターゲットに向けられるショートパルスの光ビームを付与する。ターゲットから戻された光の強度の直接検知は、ターゲットに対するレンジ（距離）を決定するのに用い得る。可動ターゲットから戻された光のコーヒーレント検知により、そのドップラー周波数を測定し得、従って、その速度を測定し得る。速度決定は持続波（以下、単に「ＣＷ」とも称する）レーザでもなし得る。

種々の共通するトランシーバの構成が見られ、その最も簡単な構成が図１に示されている。この構成において、レーザ２は離間位置にあるターゲット（図示せず）に向かって照明ビーム４を送出する。レシーバ・テレスコープ６は対物レンズ８を有し、該対物レンズ８が、検知器１２への後方散乱又は反射によりターゲットからのリターン光を視野（以下、単に「ＦＯＶ」とも称する）内に焦点合わせをする。この構成は、しばしば２
軸（bi−axial）、二重アパーチャのトランシーバと称される。それは、レーザ２からのビーム４の光軸及びレシーバ・テレスコープ６のＦＯＶの軸が独立していること、及びレーザビームと検知器とが同じアパーチャを共用していないからである。この構成では、トランスミッタ・ビームとレシーバのＦＯＶが重ならない領域においてレシーバの前側に「盲点」（blind spot）１４を作り出してしまう点で問題がある。この盲点１４の長さが動作の最小レンジ（距離）を表わす。もし、照明ビーム４光軸及びテレスコープ６のＦＯＶの軸が盲点１４を短くして最小範囲を減少させるために互いに向かって傾斜する構成は望ましいが、そうするとレーザビームとＦＯＢとがそれらの発散のためにもはや重ならない離間点のところで始まる新たな盲点（図示せず）を作り出すであろう。

図２は図１の構成の改良構成を示す。この構成も２軸、二重アパーチャ構成のものといえる。この構成において、レーザ２からの照明ビームは、ミラー１６によってＦＯＢ又はリターン光１０と同軸の方向に向けられる。しかし、この構成でも盲点が形成される。それは中央のミラーがテレスコープＦＯＶの一部を覆い隠すからである。しかし、これは図１に示す２軸、二重アパーチャのトランスシーバの場合の盲点よりもはるかに小さい。更に、レーザビーム４とレシーバＦＯＶ１０とは無限までの全ての経路において重なることになるので、離間した盲点は生じない。

しかし、いくつかの適用事例においては、盲点が全くないことが求められることがある。これを達成するには、レーザビームをレシーバのＦＯＶに組合せ、両領域をいずれのレンジにおいても完全に重なるようにすることである。これには、２軸で単一のアパーチャのトランシーバ構造が必要となる。

図３に示す構成では、レーザ２からの高度に偏光した光の特性を利用し、検知器の前側において偏光ビームスプリッタ（以下、単に「ＰＢＳ」とも称する）１８を用いてテレスコープのＦＯＶ内に光を重ね合わせる。しかし、この構成では構成上の不利益がある。すなわち、一般に非金属のターゲットからの光はランダムに偏光されるので、リターン信号の５０％のみがＰＢＳ１８を介して検知器を通る。従って、ＬＩＤＡＲが部分的に偏光するターゲット上に用いられるか、あるいは更に純粋に鏡のようなターゲットの場合に不都合である。後者の場合、リターン信号の全ては、もし、ＰＢＳ１８とテレスコープの入口部との間に角度４５度の確定軸で四分の一波長板をあえて配置することをしなければ、レーザの後方へ向けられてしまうであろう。

図３の構成における戻りのパワーロス問題を回避するいくつかの方法があるが、その多くのものは、他の形式のＰＢＳと、ファラデー効果材料と複屈折材料からなる、いわゆる「ウォーク・オフ（walk−off）」水晶との組合せよりなる。使用可能な市販の１つの装置は光学サーキュレータと称し、コンパクトな３ポート装置で、光がポート１からポート２へ移動し得るが、ポート２から１への逆方向への光の移動はポート３へと向けられる。

図４は、ファイバ光学サーキュレータ２０を備えた２軸、単一のアパーチャのＬＩＤＡＲトランシーバを示す。該サーキュレータ２０はレーザ２からの光を対物レンズ８の焦点にその送出端を位置づけた光学ファイバ２２に向ける。ターゲットからのリターン光は該ファイバ２２の端部で焦点を合わせる。そして、サーキュレータ２０は、このリターン光を検知器１２に接続された出力部に向ける。このシステムはトランシーバをレーザ２及び検知器１２から離れたところに配置し得る利点がある。これは、例えばスペースが貴重な航空機などの場合に有益である。更に、かさの張る光学素子（この場合、対物レンズ）は１つのみですむので、寸法ならびに重量において、２つのアパーチャのトランシーバよりも利点がある。

しかし、図３及び４に示すトランシーバには未だ問題が潜在する。これらのトランシーバの主たる特徴は、トランスミッタからの光をレシーバと光学素子を共用することである。残念ながら、現実の光学素子は理想的には作動せず、レーザ２からの照明光のいくつかはレシーバへの経路をたどる。

例として、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）は、一般に、インターフェースのところでの反射から生じる偏光の少なくともいくつかが漏れる。更に、反射面上の不完全さにより光があらゆる方向に散乱する。図５には、偏光するビームスプリッタ１８がその上に投射した照明ビーム４’で示されている。偏光反射面２４は、殆どの該光４’を反射して出力ビーム４を形成するが、いくつかのビーム４は偏光ビームスプリッタを形成するプリズムの平坦面２６のところで反射する。この面２６から反射した光は偏光反射面を通して戻され、ビームとして検知器へと入る可能性がある。又、該光４’のいくつかは該面２４により４”で示すように伝達され、反射面の不完全さにより散乱して散乱光３０を形成する。

まず考慮すべきことは漏れの問題である。入射光のいくつか（典型的には０．０１〜０．１％）は、ＰＢＳの反射面２４を介して伝達されビーム４”を形成する。このトランスミッタ方向からの「漏洩」光は検知器をそれからシールドするなどの適切な措置をとる限り問題を生起しない。しかし、これは実際上、高パルス出力のところでは困難である。次に、平坦な出力面２６からの後方反射２８は、適切な反射防止（以下、単に「ＡＲ」とも称する）コーディングにより極めて低く、およそ０．１％である。反射の戻り光は入射光と同様の偏光を有するので、その殆どのものはトランスミッタへと向けられる。しかし、検知器に対してターゲットからのリターン信号と比較し得るか、あるいはそれよりも強い程度で到達する。

他の問題は散乱である。ＰＢＳは２つのプリズムからなり、それらは特定の誘電性層でコーティングされるとともに互いに接着された直角三角形の斜辺部を有する。微細研磨とコーティングの不完全さのために、このインターフェース、すなわち図５の反射面２４のところから、いくらかの散乱がある。散乱光３０の強さは、製作精度を上げれば極めて小さくし得るが、製作コストの大幅な増大を招く。対角的斜線面から検知器に達する散乱光の量は、ターゲットからのリターン信号に比較し得る。一般に、全てのインターフェースがある程度の散乱を生起するが、この対角的斜線面は検知器のＦＯＶ内にあるので、その影響は大である。

散乱の他の発生源として、光学素子自体を発生源とするものが、例えばレイリー及びブリュアン散乱として知られている。これを発生源とする影響は、インターフェースを発生源とするものに比し極めて小さいといえるが、しかし、光学素子がかさばった物であることによる問題がある。すなわち、トランスミッタとレシーバとが共通の光学素子を用いる場合に、これが検知し得る最も弱い信号を極めて制約することである。

サーキュレータなどのファイバ光学構成部分は、ＰＢＳと同様の多くの小さい光学素子よりなるので、それらが同様の問題を受ける。現在、市販の最も入手可能なサーキュレータでもトランスミッタポートとレシーバポートの間に約６０ｄＢ（デシベル）の分離（アイソレーション）がある。これは通常の通信システムでは許容し得るが、ＬＩＤＡＲシステムでは、戻りのビームがトランスミッタに対して、通常６０ｄＢ以上、減少するから問題となる。

従って、２軸、単一アパーチャのトランシーバにおけるレーザと検知器の両方により使用される光学素子からの光の漏洩、反射の戻り及び散乱が、ターゲットから戻る弱い信号の光に比較し得る光を通常発生する。それ故に、高出力の発生レーザをリターン信号から隔離するためにトランシーバの構造設計に特別の注意を払わなければならない。

測距技術を適用の場合、隔離（アイソレーション）は適しておらず、パルスのピーク出力が高く、トランシーバからの光のみが検知器を一時的に隠す。この状態においては、レシーバを一時的にパワーオフすることができるが、これにより関連する切換時間又は検知器のリカバリー時間のために近接距離において盲点を作り出す。分離のために近接距離での距離を決定するのにＬＩＤＡＲシステムの能力がないことは、しばしば「ｔ＝０問題（problem）」として言及される。

ドップラーＣＷ ＬＩＤＡＲシステムにとって、不十分な隔離は恒久的ドップラー信号をゼロ速度とする。いわゆる「ｖ＝０問題（problem）」である。この信号はおおむねトランスミッタ・レーザに等しいライン幅を有し、従って、検知し得る最小速度を制限する。極めて低い速度計測を可能とするようにゼロ速度ドップラー信号を除去するにはパルス処理が求められるが、しかし、極めて近接したレンジ（距離）での速度検知を望む場合には有効でない。

サーキュレータによる方法による不適切な隔離を回避する提案が米国特許第６，７５７，４６７（ロジャーズ）に記載されている。この提案においては、シングルモードのコアを有する二重クラッドファイバの先端部をレンズの焦点に位置させ、それによって、シングルモードのコアを離れたトランスミッタの光は、これらのレンズによって実質的に平行光束とされる。ハードターゲットからのリターン信号はレンズにより集束し、シングルモードのコア上に焦点が合わせられる。このリターン信号の像はシングルモードのコアよりも実質的に大となり、殆どのリターン信号はファイバの内側クラッドにより集められ、引出され、次いで検知器へと伝達されてＬＩＤＡＲトランシーバを有用なものとする。

しかし、上記提案もサーキュレーションによる措置と比肩し得る隔離の問題が残る。これは、シングルモード・コア内の光の伝播が実際にコアを越えて延出する。いわゆる消失波である。この光がファイバ先端に達したとき、消失波のいくつかが内側クラッドに反射して戻される。この反射の戻りの強度は、通常リターン信号の場合よりも強い。又、この方法の他の問題は、内側クラッド内の光がマルチモードで、速度検知のコーヒーレント検出を貧弱なものとするので、米国特許第６，７５７，４６７号に記載の提案は、測距技術に分類される。

サーキュレータを利用する他の方法では、複数のファイバ光学導波管を極力近接状態で並置する。１つのファイバがトランスミッタで、他の１つがレシーバである。トランスミッタの先端部は、実質的に平行な光束ビームを作成するために対物レンズの焦点に位置づけられる。トランスミッタのビームはターゲット上に明るい点（ブライトスポット）を形成し、対物レンズはトランスミッタのファイバの中心におかれたこの点の像を形成する。レシーバのファイバをこの像内におくことにより、少量の信号も測距及び速度検出目的のために引出される。

分析したところ、この方法は高度の隔離（アイソレーション）が可能という大きな利点がある。しかし、この方法における最大検出範囲は、レシーバとトランスミッタのファイバ間のスペースによって制限されることが明らかである。これら従来のグループでは市販で入手可能なテレコムファイバ（直径１２５μｍ）をＶ字溝内に配置して使用しているが、これらトランシーバのレンジ（距離）を改善するために導波管を極力近接して配置するなどの工夫は見られない。

本発明の目的は、市販で入手可能な光ファイバを用い、これをこの種の光学トランシーバで求められるレンジ（距離）をカバーするようにし、かつ、優れた分離（アイソレーション）効果を奏するように上記従来の種々の方法を考慮して従来に見られない改良された光学トランシーバを提供することにある。

又、本発明の他の目的は、種々の要件の中でも、とりわけ距離と速度の検知を、ゼロから数百メートルの範囲で行なうことが求められる光検知測距（ＬＩＤＡＲ）システムに好適に用い得る光学トランシーバを提供することにある。例えば、ＬＩＤＡＲシステム用の用途として航空機を手動又は自動で着陸させる場合、あるいは自動運転車両の衝突回避に有効に使用し得るものである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明においては、上記従来技術と同分野に係るレーザによる距離及び速度の計測を行なうシステムを提案するものである。本発明の具体的構成において、単一アパーチャのＬＩＤＡＲトランシーバが相互に近接配置された照明源と検知器のアパーチャ（開口）を備え、２又はそれ以上のレンジの間の漏れを大幅に減少させることができる。これは、１つ又は複数の照明及び検知のアパーチャをテレスコープ（望遠鏡）対物レンズの焦点近傍において互いに近接して配置することにより達成される。これらのアパーチャ（開口）は２つ又はそれ以上の光ファイバのそれぞれの端部によって、あるいは、これに代えて光学導波管のそれぞれの端部によって形成するのが望ましい。

入出力アパーチャの間の所望距離を決定するために、図６に示すように、対物レンズ８の焦点におかれた出力端部を有するシングルモードの光学導波管３２が設けられる。この導波管３２の端部から出た光が対物レンズ８によりコリメート、すなわち平行とされ、その平行とされた光ビームが対物レンズ８から距離Ｒのところのターゲット３４に当る。又、ここではマルチモードの光学導波管も用い得る。

上記構成において、光学導波管は横断面円形ないし円環状であるから、ターゲット３４上の光の強度について円対称のガウス分布のスポット３６を付与する。このターゲット３４上の光スポット３６の直径Ｄは、ガウス分布で強度が最大の１／ｅ^２まで減少する点までの距離として通常規定される。このスポット３６は対物レンズ８の「対象物」を形成し、「像（イメージ）」は対物レンズ８によりファイバ端部上のスポット３８として形成される。このスポット３８の位置と大きさを良好な近似値で算出するために、以下の簡単なレンズ式を用いることができる。

上記レンズ式において、ｕはレンズから「対象物」（ここでは、Ｒ）までの距離、ｖは像からレンズまでの距離、ｆはレンズの焦点距離である。このシンプルレンズの倍率は、Ｍ＝−ｖ／ｕ（ここにおいて、マイナスは像が逆であることを意味する）。従って、スポットの像は、図６に示すレンズ８から距離ｖのところの直径を以下の数式により得る。

もし、第２の光学導波管をこの直径内におくと、これがリターン信号のいくらかの部分を受ける。本発明の重要な部分は、対物レンズ８によって得られる像のサイズ、すなわちターゲット３４上のスポット３６から対物レンズ８によって得られるスポット３８について利点があり、更に、１つ又は複数の検知器アパーチャ、又はレシーバ光学導波管をスポット３８内に配置することである。実際上、検知器アパーチャはトランスミッタ導波管３２の出力端部に極めて近接しておくことが求められる。

例えば、レンズ８の焦点距離１５０mm、所望距離ないしレンジ３０ｍ、平行とされるビーム径５０mmの場合、像３８のサイズはＤ’＝０．２５０mm（半径＝０．１２５mm）である。これは小さいスポットであるが、光学導波管は、シングルモードにおいて直径約０．０１mmと、より小さくなるので、該像の半径内に第２の、あるいは更に多くの導波管を配置することができる。

上記構成例において、像はレンズから距離ｖ＝１５０．８mm、又はレンズから離れてトランスミッタ導波管の先端部から約０．８mmのところに現われる。レシーバ光学導波管の先端部はトランスミッタの先端部より僅かに引込んだ位置をとる。しかも、もしレンズの焦点距離が、この例のようなオフセットに比して長い場合、レシーバ光学導波管の先端部はトランスミッタのファイバの先端部と同じ面内に、顕著な接続ロスなく配置される。像は僅かに焦点が外れ、若干大きくなるだけである。

上記の数式（数２）からわかるように、ターゲットがトランシーバから遠のくにつれ、像のサイズは小さくなる。すなわち、Ｒが無限大になるにつれ、Ｄ’はゼロに近づく。従って、レシーバとトランスミッタの導波管の間に所定の間隔ないし距離があれば、このトランシーバが作動するレンジないし距離は限界がある。このレンジの限界は導波管のサイズにも依存する。例えば、導波管が大きくなる程、より大きく発散するビームを作成する。又、レンズに向かう１つの導波管の出力を他方に対してオフセットしたり、ずらしたりすることによって、レンジないし距離を拡大することは可能であるが、一方の導波管が他方のビームに影響することのないよう、注意深い設計が求められる。

これら導波管の相互のスペースをゼロとするように並置することは不可能である。何故なら、トランスミッタのコアから消失領域ないしエバネスセント（evanescent）領域がレシーバのファイバ又は導波管のコアに連結されるからである。ステップ・インデックス型光学導波管においては、エバネスセント（evanescent）連結を避けるために該ファイバは導波管内を伝播する光の少なくとも１０の波長によって分離されるべきである。更に、もし多数のレシーバ導波管がコーヒーレントの和（加算）のために用いられる場合、各導波管は、間隔的に独立した小斑点状（スペックル）セルを観察するに十分なだけ互いに分離されていなければならない。

上記の数式において、Ｐ_Ｔはトランスミッタ導波管の出力、Ｐ_Ｒはレシーバ導波管の出力、ｋは以下の数式で与えられる連結係数である。

上記の数式において、ｎ_Ｃ及びｎ_０は、コア及びクラッドのそれぞれの屈折率、ｋ_０＝２π／λである。ここにおいて、λは真空波長である。βは伝播定数であり、基本モードにおいてファイバのＶナンバーに依存する。Ｖ＝０の場合、β＝ｎ_０ｋ_０、しかしＶが大きい（＞＞１）とき、βは、ほぼｎ_Ｃｋ_０に等しい。Ｅ_Ｔ及びＥ_Ｒはトランスミッタ及びレシーバのそれぞれの導波管のシングルモードの電界である。円筒状対称から導波管の基本モードは、以下のガウス関数により近似値が与えられる。

上記の数式において、ω_Ｏはモード領域径、ｄは導波管の分離（セパレーション）である。上記数式（３）及び（４）によれば導波管からレシーバ導波管への出力の伝達が周期的で、その周期はπ／ｋで与えられる。トランスミッタの全出力は、π／２ｋでレシーバのファイバに連結される。

高度の隔離（アイソレーション）を要求するトランシーバの場合、入力及び検知器の導波管は、もし導波管の相互作用長（interaction length）が連結（カップリング）を減少させるためにπ／ｋの多重積分を与えるようにトリムされるなら、互いに極めて近接した状態（幾何学的には非常に長いレンジを得る）でよい。しかし、実際上、こうするのは公差が必要なために困難であるので、多重導波管として構成される。更に、出力がレシーバのファイバに連結する周期点は、レシーバへ向かって戻りの経路に沿う顕著な後方散乱光（レイリー散乱）を作り出す程強い。

導波管は、２つの導波管が相互作用する長さよりも連結期間をより大きくするように十分に離間した状態が望ましい。例えば、１つの具体例では２軸トランシーバは、開口数０．１４、コア径８．２μｍ（例えば、テレコム・ファイバ・コーニングＳＭＦ−２８）の円筒状導波管を備えてλ＝１５５０ｎｍで動作する。相互の導波管は３０μｍだけ離れている。上記多重積分式（５）の値は、おおむね２×１０^−７であり、これは５％よりも大幅に小さい。ここで、ｋの値は５×１０^−３ｍ^−１，約５９４メートルの周期である。

もし、相互作用長（interaction length）が１０mmのとき、レシーバ導波管に連結された出力は、トランスミッタ導波管の出力以下の約−８５ｄＢである。この出力は前方向に続くが、しかし、その約４％はレシーバ導波管の先端部からレシーバへと後方へ反射し、全体としてトランスミッタからレシーバへの隔離（アイソレーション）を約−９９ｄＢに下降させる。実際値は、トランスミッタ導波管からの後方反射も又、レシーバ導波管に連結するので、約−９６ｄＢとなる。他の導波管の再連結する後方反射光の量は無視し得る程度である。

更なる隔離（アイソレーション）の改良案（少なくとも１０ｄＢ）は、導波管の先端部からの後方反射の減少、又は先端部にＡＲ（反射防止）コーティングを施したり、あるいはこれを角度をつけて研磨することにより達成し得る。又、それ以上の隔離（アイソレーション）は、２つの導波管の間に低屈折率で平坦な不透明膜を配置することにより可能であるが、しかしこれは、図１１ｃの多重導波管構成例のようなケースにおいて困難である。

２つの導波管が１５０mmの焦点距離の焦点に、ターゲットまで３０ｍの距離で配置される構成例において、スポット３８の半径は１２５μｍで、これは入力及び出力の両導波管の間隔が３０μｍで検知器がスポット３８内に確実に入ることを意味する。像の最も強い部分はトランスミッタ導波管の先端部にあるから、レシーバの導波管はトランスミッタ導波管の側部に置かれるのが望ましい。これが、トランスミッタとレシーバのためにシングルの導波管を使用するのに比して連結効率を減少させる。例として、レシーバ導波管へ連結される出力（パワー）は、像のガラス強度分布の式からｅｘｐ（−２（３０／１２５）^２）＝８９％である。図４に示すシングルの導波管構成に比して１１％の損失は、市販で入手可能なものより３０ｄＢを超える良好な分離効果を得て、許容可能なものである。

シングルの導波管トランシーバと比較しての上記の損失は、３０ｍのレンジ（距離）のところで算出された。ターゲットがより近い場合、像の大きさは、シンプルなレンズ式によれば増大するであろう。そして、この損失もシングルの導波管トランシーバに比して、より小さくなる。実際の信号強度は、像の大きさが増大するにつれて固定のレシーバのファイバに連結された光量が減少するので一定を保つ。しかし、これはより近いターゲットから集められる出力（パワー）の増大により補償される。

しかし、レンジ（距離）が大きくなると、像は導波管の間隔よりも小さくなる点まで縮小する。この点において、盲点が形成されるが、しかし、遷移はシングルモードの導波管の場合、特に漸進的である。この場合、盲点は、シングル導波管のトランシーバ（図４）に対する損失が１／ｅ^２（１３．５％又は−８．６ｄＢ）に達するレンジ（距離）Ｒmaxで始まることを見出した。これをシンプルなレンズ式を用いて表すと以下の式となる。

上記数式において、Ｄは、ターゲット（１／ｅ^２点間での測定）のところのビーム直径、ｄはトランスミッタとレシーバ導波管の分離（セパレーション）、ｆはレンズの焦点距離である。

具体例では、３０μｍの分離（セパレーション）、焦点距離１５０mm、ビーム径５０mm、最大レンジ（距離）１２５メートルで実行された。この分析は、連結（カップリング）の他の詳細要件、例えばリターン領域をレシーバ導波管に対してフェーズマッチング（phase matching）することなどが除外されているので、単なる近似値を表すものである。この結果はマルチモードの導波管について類似しているが、レシーバのファイバのコアと像強度分布関数との間のオーバーラップ積分を計算しなければならない。

本発明において光学トランシーバの設計において考慮すべき他の重要な点は、複数の導波管で共用されるアパーチャ（開口）内における光学素子からの反射の問題である。平凸レンズに連結された２つの導波管において、レンズの平面は、後方に向けられる導波管の鏡像を作り出し、その強度は平面の反射係数（空気−ガラス遷移の場合、約４％）に等しい。この像は導波管とレンズとの間の２倍の距離のところにある。互いに完全に整合したシングルモードの導波管の場合、コアサイズよりもはるかに長い間隔での連結係数は極めて小さい。更に、いずれの後方反射もレンズ面に反射防止（ＡＲ）コーティングを施すことにより減少させることができる。

更に検討すべきは、対物レンズの曲面の設計である。この面で反射する光は、レシーバの先端部の近傍で焦点を結ぶようにして、隔離（アイソレーション）を縮小することが可能である。

トランスミッタとレシーバとを対物レンズの焦点近傍で並置することは、これらのサイズのために実用的ではないので、本発明の構成ではレーザと検知器を光学導波管（すなわち、ファイバ光学系又は平坦な導波管）に連結する。これらの導波管は互いに近接して配置され、照明ビームと検知器の視野のオーバーラップを最大にする。公知の導波管は、一般に全内部反射によってコア内に光を収容するために、より低い反射係数をもって透明なクラッドにより囲まれた透明なコアを備える。このコアサイズは、シングルモードの導波管と称されるシングルのトランスバース・モード（transverse mode）で伝播されるコアの場合、極めて小さくし得、例えば約６〜１０波長（波長の約６〜１０倍）の径とし得る。レーザコアは１つ以上のトランスバース・モードを担持し、マルチモード導波管と称される。コアが小さい場合、市販で入手可能な光学導波管は８０μｍ又は１２５μｍ径のものが代表的なものである。このサイズは取り扱い上、頑丈なファイバとなるので望ましいが、作動レンジ（距離）を増大させるために上述のごとく３０μｍ間隔に達するものを除く。従って、本発明の構成においては、これら市販で入手可能なファイバを改変して、テレスコープ（望遠鏡）の焦点面内でファイバ端部が互いに近接して保持されるようにこれら端部の径を縮小する。

本発明の目的は、照明及び検知器のアパーチャの中心を結ぶ間隔が約８０μｍより小さい構成の単一アパーチャのＬＩＤＡＲシステムを提供するにある。本発明の具体的構成において、８０μｍ又は１２５μｍの径を有する頑丈な光学ファイバを改変して、照明及び検知器のアパーチャが約３０μｍの間隔となるように構成する。分離（アイソレーション）は、金属処理等を行なうことなく、約２０波長（波長の約２０倍）とされる。

更に、本発明においては、他の導波管、例えば解析原理あるいは全内部反射の原理に基づく光学導波管及びフォトニック（photonic）水晶ファイバで知られた導波管を用いて照明及び検知器のアパーチャの間に所望の間隔を得ることもできる。この構成の導波管は、所定の波長において光を伝播するようにされた材料内に中空構造を備えた透明材料を含む。この導波管に改変されていない市販で入手可能な光学ファイバを連結して本発明における増大したレンジ（距離）を有するＬＩＤＡＲシステムを作製することができる。

シングルモード及びマルチモードのいずれの光学導波管も２軸（又は多軸）の単一アパーチャのトランシーバ用として動作する。マルチモードバージョンは、直接検知用（例えば、ＬＩＤＡＲによる測距技術の適用）の場合にのみ概ね適しており、他方、シングルモードバージョンは、コーヒーレント検知用（例えば、ドップラー速度計測）などに有用である。このように、リターン信号をシングルモードのファイバ結合体内で局部発振器と組合わせると、フェーズフロントがシングルモードのファイバ内で１００％重なり、高度にミキシングした効果が得られる。

本発明においては、拡大したレンジ（距離）において低速を検知するためにＬＩＤＡＲシステムにおいて特に有用な単一アパーチャで多軸のトランシーバが提供される。図７は本発明の簡単な２軸構成のものを示す。図７の構成において、レーザトランスミッタ源２と検知器１２は単一の対物レンズ８を共用する。対物レンズ８は多数の光学素子を含んでもよい。これら光学素子は、屈折性、反射性、又は、その全ての組合せの性質を持ち得る。但し、組合せは必要な像形成性を有するものである。図５について上述したように、より良好な隔離（アイソレーション）を得るためには、より少ない光学表面となるので、単一の光学素子が望ましい。

レーザの出力アパーチャは対物レンズ８のアパーチャに比して小さいのが望ましく、又、実質的に平行にされた出力ビーム４を形成するために対物レンズ８の焦点面上、又は、その近傍におかれる。図７の構成において、レーザの出力は対物レンズ８の焦点から小さい距離だけ横方向に偏位している。これは対物レンズ８の視野１０に対してコリメートされた、すなわち平行とされたビームに傾斜角度を付与するためである。この角度は、横方向の偏位（オフセット）の程度に比例する。

同様に、検知器１２の入力アパーチャはレーザのアパーチャに比較し得る程、小さくされるとともに、これも同様に対物レンズ８の焦点面上又はその近傍におかれる。この構成が、実質的に平行とされるとともにレーザからのビーム４に対して傾斜したテレスコープ（望遠鏡）に対してＦＯＶを付与する。数学上は、この２つのビームの間の角度は、レーザと検知器のアパーチャが焦点面内にあるとき、レンズの焦点距離によって分けられたトランスミッタとレシーバのアパーチャの間の距離に等しい。

上述した通り、ＦＯＶとトランスミッタのビームは発散するので、それらの重なり部分は、レンズからの距離が大きくなるにつれて小さくなる。この重なり（オーバーラップ）部分のレンジ（距離）は、次の方法で改善される。
（ａ）トランスミッタとレシーバのアパーチャを小さくすることにより両者の間隔を縮小すること（但し、これは究極的には回折により制約される）。
（ｂ）トランスミッタとレシーバのアパーチャを食い違いにずらすこと、すなわち、トランスミッタのアパーチャを焦点のところに配置するとともに検知器のアパーチャをレンズ近傍に配置してその視野を増大させる。しかし、この解決方法は検知器によりレーザのアパーチャが影になることで制約される。

単一アパーチャで多軸構成の主たる利点は、レーザとトランスミッタのビームが、光ビームを組合せるのに用いられる偏光ビームスプリッタなどの手段を通す必要がないことである。従って、２軸で単一アパーチャの構成よりも隔離（アイソレーション）は改善される。しかし、それでも後方反射及びアパーチャ内の光学素子（レンズ又はミラー）からの散乱がある。この影響は入力及び出力アパーチャからのこれら素子までの距離の設定及び光学素子として適切なＡＲコーティングを施すとともに適切な表面曲率を選択することにより減少し得る。

トランシーバの多重導波管部分は、既存のいくつかの方法により製作し得る。平坦な導波管は、いくつかの供給元から容易に入手し得る。マルチコアのファイバは現今の技術で製作し得る。溶解して合成したテーパ状のファイバ束の半分から形成される多重導波管構造は、当業者の技術により製作可能である。もし、導波管の間に低屈折率で、フォトニック水晶ファイバ又は不透明材料を配置しなければならないなら、この製作は更に複雑になる。

本発明において、光学ファイバからなるトランシーバのための二重導波管構造を製作する好ましい方法を図８（ａ），８（ｂ）を参照して説明する。光学ファイバは豊富にあって高価ではないが、トランシーバに要求される近接したコア間隔を可能とする径のものは、通常、入手は困難である。従って、本発明においては、光学ファイバの径（例えば、８０μｍ又は１２５μｍ）を縮小し、コア間の間隔を８０μｍより小さく、好ましくは、波長の約２０倍よりも小さく、又は１５５０ｎｍの光源の場合、約３０μｍとする。ファイバ径の縮小は化学的エッチング、微細機械加工又は研磨により可能である。図（ａ），８（ｂ）に示す方法は研磨によるものである。

公知のファイバ光学素子の端部４０が、まず、好ましくはシリコンよりなる材料の板４２内に形成した精密Ｖ字溝４４に接着され、次いでこれが基板４６に接着される。基板４６の材料はKovar（商標名）又はInvar（商標名）として知られた合金が望ましい。Ｖ字溝４４の深さは、ファイバのコアがＶ字溝の上端近傍に位置する程度が望ましい。

シリコンよりなるＶ字溝４４は低価格で製作し得ることとファイバを固定するに必要な高精度を有する点で望ましい。更に、シリコンの膨張係数（ＣＴＥ）は２−３×１０^−６／℃であるから、溶解したシリカ（ＣＴＥ：０．５×１０^−６／℃）からなる通常形成されるファイバと極めて適合する。ファイバは、Epotek３５３ＮＤ（商標名）などのエポキシ樹脂又はダイマット（Diemat）社から入手可能な低温ガラス接着剤によって溝４４内に固定される。金属接合剤も使用し得るが、この場合は、ファイバ及びＶ字溝を金属処理する必要がある。いずれにしても現今の技術を適用し得る。

Ｖ字溝４４を有するシリコンの板４２は基板４６に対して接着剤又は金属ハンダ付けで接着される。この接着技術は光電子工業技術分野において公知である。

次いで、クラッド４０が研磨され、ファイバからクラッド材料が除去され、その結果が図８（ａ）に示されている。この工程において、元のクラッドの除去は、所望のコア対コア分離の約半分を形成すれば十分である。又、隔離（アイソレーション）効果を上げるために研磨面４８を金属処理することもできる。標準のチタニウム−白金−金層がガラスに対して良好な接着をなす。金の層は比較的厚いのが望ましい。金は延性に富むので次の工程でファイバが他のファイバと接触した時にファイバを保護する。

図８（ａ）で示したファイバが、図８（ｂ）で示すように溝内で上下に２つサンドイッチ状態で組合されて、このアセンブリが互いに接着される。スペーサ５０はファイバ４０のコアの間に所望の隔離を付与するように機械加工で設定され、これは基板４６及びＶ字溝４４と密接に適合するように低ＣＴＥの材料よりなる。サンドイッチ形状の全体はエポキシ樹脂又は他の接着剤より一緒に接着されるか、あるいはスペーサ５０が適切に金属されるならば一緒にハンダ付けで接合し得る。結果として得られるサンドイッチ形状のものは極めてコンパクトで軽量かつ頑丈である。接着厚さは出来るだけ薄くしてコア対コア分離を温度変化で極度に変わらないようにすべきである。

両導波管の間で隔離（アイソレーション）を果たす間隙５２を空隙としてもよい。これは、もし不透明材を用いずに隔離（アイソレーション）を行なう場合である。あるいは、間隙５２にエポキシ樹脂又は他の接着剤を充填して、より全体の接着効果を上げるようにしてもよい。ファイバの先端部も又、研磨することが必要であろう。ＡＲコーティングは、該アセンブリを完成して研磨を終えた後にファイバ先端部に施すことができる。

上記の組立方法は更なる導波管を作るのに用い得る。この組立方法の主たる利点は、トランシーバを容易に入手可能な構成素材から製作し得るとともに、この間に低屈折率の媒体あるいは薄い金属フィルムなどの不透明材料を配置することによって導波管の間の隔離（アイソレーション）を改善し得、更には、レンジ（距離）を増大のためにファイバ先端部を対物レンズの光軸に沿って食い違い状態にずらすことを可能としたことにある。

又、他の代替的構成として、２つの導波管は互いに接着されず、異類の金属構造により保持される構成が提案される。ここにおいてスペーサ５０及び板４２は異なる熱膨張係数を有する。高ＣＴＥの板４２の材料の長さ（Ｇ）に対して、スペーサ５０の低ＣＴＥの材料の長さ（Ｌ）の比率を適切に選択することにより、両ファイバ間の間隙は温度に左右される比較的一定に維持することができる。この比率は、Ｌ／（Ｌ−Ｇ）＝α_２／ｄ_１である。これは基板とＶ字溝の材料の熱膨張を考慮して更に改良し得る。

トランシーバは、まず所望の径が得られるまで、フッ化水素酸などでエッチングを施すことにより一般の光学ファイバから組立てられる。このエッチング処理されたファイバはオプションとして金属処理され、フェルール内で結束され、エポキシ樹脂で接着される。エポキシ樹脂はEpotek３５３ＮＤ（商標名）などの極めてウィッキング（wicking）特性を有する。エポキシ樹脂が乾くと、余分なファイバはフェルール表面にトリムされて研磨される。この技術はこの種ファイバコネクタの研磨に係る者にとって容易に理解し得る。但し、フッ化水素酸を扱うときは、特に注意が必要である。このようにして形成されたファイバ束の端部形状が図９（ａ），（ｂ），（ｃ）に示されている。図９（ａ）は、クラッド５６内のコア５４を示す。図９（ｂ）は多数のコア５４を示し、各コアが外側クラッド６０内に保持された内側クラッド５８を有する。図９（ｃ）は、ファイバ同士の連結を一層減少させるために金属又はフォトニック水晶などの不透明媒体６２内にファイバを保持する構成とした以外は図９（ｂ）と同様である。

テーパ状のファイバ束も製作して得る。これはファイバ束を軟化点にまで加熱して引張すればよい。それにより、ファイバは自然に縮小し互いに溶け合う。ファイバ束の溶解部分が冷却すると、中央部分で割れて溶解したテーパ状の半分のファイバ束が作り出される。このファイバの先端部は、トランシーバにおいて対物レンズの焦点のところにおかれる。

本発明は、コア間の隔離（アイソレーション）が特に良好な導波管の構造を可能とするフォトニック水晶のファイバを使用する場合も予定している。

図９（ａ）〜（ｃ）に示すマルチコア構造において配慮すべきことは、レーザ及び検知器が隔離（アイソレーション）に妥協せずに正しいコアに連結されなければならないことである。但し、分離した導波管が漸進的態様で組合わされるので、上述した「テーパ状のファイバ束」や「研磨及びサンドイッチの構造」などの製作工程については特に問題はない。

トランシーバは、図１０に示すように対物レンズ８及び平坦な光学導波管６４から構成される。平坦状の光学導波管６４は透明な平板状材料よりなり、この内により高い屈折率の透明な導波管が作成される。図１０に示す構成例において、２つの導波管６６，６８は最初から離間状態にあり、トランスミッタと検知器が光学ファイバにより容易に連結可能となっている。これら導波管の間隙は、内部で徐々に縮小し、その端部は図示の通り近接し、対物レンズ８の焦点又はその近傍に配置される。平坦状の導波管は、より多数のトランスミッタ及びレシーバの導波管が求められる場合は、積み重ねた状態とし得る。この新規な構成では、複数のレーザ及び検知器を平坦状の導波管上に直接、組付けることができる。

図１０に示す導波管は、写真平板技術によるドーピングやシリカ又はゲルマニウムの基板を局部的にレーザで加熱するなどの公知技術により所望の領域で屈折率を高めるように形成される。

図１１は、トランシーバを備えた光学導波管をベースとするヘテロダイン又はオフセット・ホモダインＬＩＤＡＲシステムを示す。ビームスプリッタ７０は、レーザ２から周波数（ＲＦ）シフタ７２へ入力ビームの一部を付与する。このシフタ７２は、検知器１２のところで現れるドップラー信号に対して周波数偏差を付与するために用いられる音響光学モジュレータ（ＡＯＭ）である。これによって、信号が現れる周波数偏差のサイドによって可動ターゲットの方向を決定し得る。光源からの光はカプラー７３のところで受ける光と組合される。その組合の光が検知器１２上に入射する。

スペクトル分析器７４は、信号の周波数、従ってターゲットの速度を求めるために用いられる。レーザ２は測距及び速度計測又は速度の持続波（ＣＷ）のみのためにパルス作動させてもよい。もし、測距が主たる目的であれば、シフタへの出力部タッピングオフ（tapping off）は不要である。

他の構成において、音響光学モジュレータ（ＡＯＭ）よりなるシフタ７２を図１１に示すＬＩＤＡＲシステムから省略してホモダインシステムを作ることもできる。ここでもドップラー計測は可能であるが、運動方向を決めるのに同相／直角位相（in-phase／quadrature）システムが必要となる。

本発明に係るトランシーバの大きな利点は、小型の光学導波管として使用することにより、これらを多数、互いに近接状態に配置することができたことである。例えば、多くのレシーバの光学導波管をトランスミッタのファイバの周りに円形に配置することができる。この配置構成により、リターン信号がより多く検知可能となる。直接検知の場合には、レシーバの光学導波管の全てを検知器に連結された１つの導波管に簡単に組込むことができる。もし、速度計測を求める場合は、検知器からの信号は、複数の検知器の利点を得るために、干渉的に合算される。すなわち位相整合（フェーズマッチング）である。この型式のシステム例を図１２に示す。図１２の構成において、１つの導波管がトランスミッタとして使用され、２つのレシーバの導波管がこのトランスミッタの導波管の両側に対向配置される。リチウム・ニオブ塩酸モジュレータ７６を用いる等しいゲインのフェーズマッチングシステムが光学回路に使用され、２つのレシーバの信号の位相（フェーズ）を整合する。この構成は、レーザスペックル（斑点模様）に問題がある散乱反射光を出すハードターゲットからのリターンについて信号ノイズ比を改善する上で極めて有用である。

ここに述べたトランシーバは、１つのトランシーバを他のトランシーバを考慮して配置するフリースペースの光学通信システム、あるいはレシーバ間での直接的な照準（line of sight）が不可能であるとか、信号がハードターゲットからバウンドするなどの異常環境において使用することができる。従って、高いビルディングや他の障害物を回避すべき信号がある市街地において有効に使用し得る。

このトランシーバは多重のトランスミッタ導波管を備え得る。この構成は、差分吸収型のＬＩＤＡＲ用として、又は、おそらく通信のマルチチャンネル手段として使用し得る。

以上、述べた本発明のトランシーバの作動原理は、光学領域のみならず、あらゆる電磁周波数の領域にも及ぶものである。これは単に使用する素子の変更によって可能となる。例えば低テラヘルツ領域で動作するトランシーバも今日の技術において、可能である。低メガヘルツの状況で動作するトランシーバは大きなアパーチャを必要とするであろう。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず種々の変形構成をも包含するものである。

２軸、二重アパーチャ構成の従来例を示す。 共軸、二重アパーチャ構成の従来例を示す。 共軸、単一アパーチャ構成の従来例を示す。 共軸、単一アパーチャ構成の他の従来例を示す。 偏光ビームスプリッタの従来例を示す。 単一導波管トランシーバの従来例を示す。 本発明に係る第１の実施形態の概略図である。 本発明において使用されるファイバ製作工程を示す概略図である。 図８（ａ）に示す製作工程の後の製作工程を示す概略図である。 本発明において使用されるファイバ束の多軸、単一アパーチャ構成を示す。 図９（ａ）の他の変形構成を示す。 図９（ａ）の更に他の変形構成を示す。 シングルモードの平坦な光学導波管を備えた本発明の２軸、単一アパーチャのトランシーバの概略図である。 本発明に係る２軸、単一アパーチャのトランシーバを用いたファイバ光学ＬＩＤＡＲシステムの概略図である。 本発明に係る３軸、単一アパーチャのトランシーバを用いたファイバ光学ＬＩＤＡＲシステムの概略図である。

Claims (8)

1. 対物レンズと、該対物レンズが照明ビームへの光を形成するように該対物レンズの焦点近傍におかれた光源アパーチャを形成する光源と、ターゲットから反射した光を受けるための検知器アパーチャを形成するように前記光源の近傍におかれた検知器とを備え、前記光源アパーチャ及び検知器アパーチャは、前記光の波長の約２０倍よりも小さい距離だけ互いに離間してなるトランシーバ。
2. 前記距離は、約８０μｍである請求項１に記載のトランシーバ。
3. 前記光源は、レーザに連結された第１のファイバ光学素子を含むとともに前記検知器は、検出素子に連結される第２のファイバ光学素子を含んでなる請求項１に記載のトランシーバ。
4. 前記第１及び第２のファイバ光学素子は、プレート内の溝内に保持されるとともに前記距離よりも小さい直径を有してなる請求項３に記載のトランシーバ。
5. 前記第１及び第２のファイバ光学素子のそれぞれの端部は、テーパ状ファイバ束により形成されてなる請求項３に記載のトランシーバ。
6. 前記第１及び第２のファイバ光学素子のそれぞれの端部は、平坦状導波管により形成されてなる請求項３に記載のトランシーバ。
7. トランシーバのためのファイバ光学素子を作製する方法であって、ファイバ光学素子をプレートの溝内に固定し、該ファイバ光学素子を研磨、機械加工、又はそのクラッドをエッチングすることによって、その直径を縮小させてなる方法。
8. 請求項１に記載のトランシーバを使用して短距離における極度の低速度を計測する方法。

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