JP2005210537A

JP2005210537A - 光ｆｓｋ変調器を用いたｕｗｂ信号の発生装置

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Publication number: JP2005210537A
Application number: JP2004016362A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Kawanishi; 哲也川西; Masayuki Izutsu; 雅之井筒
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2005-08-04
Also published as: US7555223B2; US20050175357A1

Abstract

【課題】本発明は、光情報通信などに用いることができ、高速に情報を発信でき、波長分割多重（ＷＤＭ）通信や、他の変調方式と同時変調が可能なＵＷＢ信号の発生装置を提供することなどを目的とする。
【解決手段】上記の課題は、レーザ光を発生するレーザ光源(2)と、レーザ光源からのレーザ光の強度を変調する光強度変調器(3)と、前記光強度変調器へ伝達する信号を出力する光強度変調器の信号源(4)と、前記光強度変調器からの出力光が入力する光周波数シフトキーイング（光ＦＳＫ）変調器(5)と、前記光ＦＳＫ変調器のＲＦ_C電極へ伝達される信号を制御する信号源(6)と、前記光ＦＳＫ変調器のＲＦ_A電極及びＲＦ_B電極へ伝達される信号を制御する高周波電気信号源(7)と、前記光ＦＳＫ変調器の出力を検波する高速光検波器(8)とを具備するＵＷＢ信号発生装置(1)などによって解決される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ＦＳＫ変調器を用いたＵＷＢ信号の発生装置などに関する。

無線ＬＡＮなどの近距離ワイヤレス通信のさらなる高速化を目指し、ＵＷＢ技術が最近注目を集めている。ＵＷＢとはウルトラワイドバンド（Ultra-WideBand）の略であり、ＵＷＢ技術は、短パルスＲＦ信号を利用した無線通信技術である。ＵＷＢ技術は、信号の占有周波数帯域が極めて広いという特徴がある。現時点で米国ではＦＣＣによるマイクロ波帯で周波数の割り当てが行われ、数ＧＨｚ帯を中心として実用化を目指した開発が進められている。一方、各研究機関ではギガビット級無線ＬＡＮを実現するためにミリ波帯ＵＷＢ技術も検討が始められている。ＵＷＢ信号の発生方法として、ＩＲ（Impulse Radio）方式と、DS-SS（Direct Sequence Spread Spectrum)方式とが知られている。

図10にＩＲ方式に基づくＵＷＢ信号の発生装置の例を示す（たとえば、下記非特許文献１（2003年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会予稿集343頁）参照）。この例のＵＷＢ信号の発生装置(101)は、光パスル発生器(102)と、光強度変調器(103)と、ＵＴＣ−ＰＤ（単一走行キャリア・フォトダイオード：Uni-Traveling-Carrier Photodiode ）(104)と、アンテナ(105)とを具備する。以下、ＵＷＢ信号の発生装置の動作を説明する。まず、光パルス発生器(102)が、１ＧＨｚの繰り返し周波数で出力された約400ｆｓの半値幅を有する光パルス列が出力する。光強度変調器(103)は、この光パルス列に２³¹−１のＰＲＢＳ（擬似ランダム・ビット・シーケンス）信号を重畳する。ＵＴＣ−ＰＤ(104)は、この光信号を約７ｐｓの半値幅を有する電気パルス信号に変換する。アンテナ(105)は、約120GHzの中心周波数と約49GHzの占有帯域を有しており、この電気パルス信号を放出する。

一方、受信器(106)は、アンテナ(107)と、ショットキー・バリア・ダイオード（Shottky Barrier Diode：ＳＢＤ）(108)と、増幅器(109)と含んでおり、その出力はオシロスコープ(110)により観測される。ＵＷＢ信号の発生装置から放出された電気パルス信号は、さきのアンテナと同じ特性を有するアンテナにより受信される。ＳＢＤ(108)は、アンテナが受信した電気パルス信号を包絡線検波する。増幅器(109)は、ＳＢＤが検波した電気パルスを増幅する。オシロスコープは、増幅器によって増幅された電気パルスの波形を観測する。このようにして、1Gbit/sのデータ送信が可能とされる。

しかしながら、この装置では、アンテナの特性にあった電気パルスのみが出力されるので、他の信号との同時伝送を行うことはできないという問題がある。また、この装置では、パルス光を用いなければならいという問題がある。また、この装置では、出力パルスがもっぱらアンテナの特性に依存するので、中心周波数や帯域に制限があるという問題がある。さらにこの装置では、実際に送信されない周波数の光が多く発生するので、無駄が多いという問題がある。

DS-SS（Direct Sequence Spread Spectrum）方式に基づくＵＷＢ信号の発生装置では、光ヘテロダイン法によるマイクロ波・ミリ波のＵＷＢ信号を発生する。このＵＷＢ信号の発生装置は、信号源と２つのレーザと位相ロックループと、マッハツェンダー変調器とバイアス電源と、パルスパターン発生装置と、光検出器（フォトダイオード）と、スペクトル分析器とを具備する。この装置では、マッハツェンダー変調器でキャリア信号にデータを位相変調によって重畳し、位相ロックループによって２つのレーザを位相同期させ、ヘテロダイン抽出によってＵＷＢ信号を発生させる。この装置では、安定制御機構が複雑で高価になるなどの問題がある。

2003年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会予稿集343頁 2003年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会予稿集342頁

本発明は、光情報通信などに用いることのできる光ＦＳＫ変調器を用いたＵＷＢ信号の発生装置を提供することを目的とする。

本発明は、光情報通信などに用いることができ、高速に情報を発信できる光ＦＳＫ変調器を用いたＵＷＢ信号の発生装置を提供することを、上記とは別の目的とする。

本発明は、レーザ光としてＣＷ（連続）光を用いることのできるＵＷＢ信号の発生装置を提供することを、上記とは別の目的とする。

本発明は、波長分割多重（ＷＤＭ）通信に用いることができるＵＷＢ信号の発生装置を提供することを、上記とは別の目的とする。

本発明は、容易に出力帯域を制御できるＵＷＢ信号の発生装置を提供することを、上記とは別の目的とする。

本発明は、ＵＷＢ信号のパルス形状を制御できるＵＷＢ信号の発生装置を提供することを、上記とは別の目的とする。

本発明は、強度変調信号およびＵＷＢ信号を同時に発生できる装置を提供することを、上記とは別の目的とする。

本発明は、ＷＤＭを用いずに強度変調信号およびＵＷＢ信号を同時に発生できる装置を提供することを、上記とは別の目的とする。

［１］上記の課題をうちいずれかひとつ以上解決するため、本発明の光ＦＳＫ変調器を用いたＵＷＢ信号の発生装置は、レーザ光を発生するレーザ光源(2)と、レーザ光源からのレーザ光の強度を変調する光強度変調器(3)と、前記光強度変調器へ伝達する信号を出力する光強度変調器の信号源(4)と、前記光強度変調器からの出力光が入力する光周波数シフトキーイング（光ＦＳＫ）変調器(5)と、前記光ＦＳＫ変調器のＲＦ_C電極へ伝達される信号を制御する信号源(6)と、前記光ＦＳＫ変調器のＲＦ_A電極及びＲＦ_B電極へ伝達される信号を制御する高周波電気信号源(7)と、前記光ＦＳＫ変調器の出力を検波する高速光検波器(8)とを具備する。

光ＦＳＫ変調器では、平均出力光強度が、ＲＦ_Cの電圧に依存しない。それゆえ、光ＦＳＫ変調器を用いる本発明のＵＳＢ信号発生装置は、平均出力が一定となる。よって、本発明のＵＳＢ信号発生装置は、ＵＷＢ信号と、強度変調信号など平均出力を利用する他の変調方式（ＯＯＫなど）とを同時に行うことができる。

また、本発明のＵＷＢ信号の発生装置におけるＵＷＢ信号のキャリア周波数は、高周波電気信号源の周波数の２倍となるので、高い周波数成分を有する信号を生成でき、また周波数を容易に制御できる。本発明のＵＷＢ信号の発生装置におけるＵＷＢ信号のパルス波形は、ＲＦ_C信号波形によって決まるので、例えば、立ち上がり時間などを調整することによってＵＷＢ信号のパルス形状を容易に制御できる。

［２］本発明の光ＦＳＫ変調器を用いたＵＷＢ信号の発生装置は、好ましくは光ＦＳＫ変調器が、第１のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_A）(12)と、第２のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_B）(13)と、前記ＭＺ_A及び前記ＭＺ_Bとを含み、光の入力部と、変調された光の出力部とを具備するメインマッハツェンダー導波路（ＭＺ_C）(14)と、前記ＭＺ_Aを構成する２つのアーム間のバイアス電圧を制御することにより、前記ＭＺ_Aの２つのアームを伝播する光の位相を制御する第１の直流または低周波用電極（ＤＣ_A電極）(15)と、前記ＭＺ_Bを構成する２つのアーム間のバイアス電圧を制御することにより、前記ＭＺ_Bの２つのアームを伝播する光の位相を制御する第２の直流または低周波用電極（ＤＣ_B電極）(16)と、前記ＭＺ_Aを構成する２つのアームにラジオ周波数（ＲＦ）信号を入力する第１のＲＦ電極（ＲＦ_A電極）(17)と、前記ＭＺ_Bを構成する２つのアームにＲＦ信号を入力する第２のＲＦ電極（ＲＦ_B電極）(18)と、入力されるＲＦ信号の周波数を制御することにより前記出力部から出力される光の周波数を制御する進行波型電極（ＲＦ_C電極）(19)とを具備する。

［３］上記のＵＷＢ信号発生装置は、波長分割多重通信システムに用いる事ができる。

［４］上記の課題をうちいずれかひとつ以上解決するため、本発明の強度変調信号およびＵＷＢ信号発生装置は、レーザ光を発生するレーザ光源(2)と、レーザ光源からのレーザ光の強度を変調する光強度変調器(3)と、前記光強度変調器へ伝達する信号を出力する光強度変調器の信号源(4)と、前記光強度変調器からの出力光が入力する光周波数シフトキーイング（光ＦＳＫ）変調器(5)と、前記光ＦＳＫ変調器のＲＦ_C電極へ伝達される信号を制御する信号源(6)と、前記光ＦＳＫ変調器のＲＦ_A電極及びＲＦ_B電極へ伝達される信号を制御する高周波電気信号源(7)と、光検波器(20)とを有する。

［５］本発明の強度変調信号およびＵＷＢ信号発生装置は、好ましくは、前記高速光検波器の出力を増強する光強度増幅器(21)を具備する。

［６］本発明の強度変調信号およびＵＷＢ信号発生装置は、好ましくは、光ＦＳＫ変調器が、第１のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_A）(12)と、第２のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_B）(13)と、前記ＭＺ_A及び前記ＭＺ_Bとを含み、光の入力部と、変調された光の出力部とを具備するメインマッハツェンダー導波路（ＭＺ_C）(14)と、前記ＭＺ_Aを構成する２つのアーム間のバイアス電圧を制御することにより、前記ＭＺ_Aの２つのアームを伝播する光の位相を制御する第１の直流または低周波用電極（ＤＣ_A電極）(15)と、前記ＭＺ_Bを構成する２つのアーム間のバイアス電圧を制御することにより、前記ＭＺ_Bの２つのアームを伝播する光の位相を制御する第２の直流または低周波用電極（ＤＣ_B電極）(16)と、前記ＭＺ_Aを構成する２つのアームにラジオ周波数（ＲＦ）信号を入力する第１のＲＦ電極（ＲＦ_A電極）(17)と、前記ＭＺ_Bを構成する２つのアームにＲＦ信号を入力する第２のＲＦ電極（ＲＦ_B電極）(18)と、入力されるＲＦ信号の周波数を制御することにより前記出力部から出力される光の周波数を制御する進行波型電極（ＲＦ_C電極）(19)とを具備する。

本発明によれば、光情報通信などに用いることのできる光ＦＳＫ変調器を用いたＵＷＢ信号の発生装置を提供できる。

本発明によれば、光情報通信などに用いることができ、高速に情報を発信できる光ＦＳＫ変調器を用いたＵＷＢ信号の発生装置を提供できる。

本発明によれば、フィルタ（アンテナ）を用いてＵＷＢ信号を発生する従来法と異なり、光ＦＳＫ変調器を用いるので、レーザ光としてＣＷ（連続）光を用いることのできるＵＷＢ信号の発生装置を提供できる。

本発明によれば、波長分割多重（ＷＤＭ）通信に用いることができるＵＷＢ信号の発生装置を提供できる。

本発明によれば、ＵＷＢ信号のキャリア周波数は、高周波電気信号源の周波数の２倍となるので、容易に出力帯域を制御できるＵＷＢ信号の発生装置を提供できる。

本発明によれば、ＵＷＢ信号のパルス波形がＲＦ_C信号波形によって決まるので、ＵＷＢ信号のパルス形状を制御できるＵＷＢ信号の発生装置を提供できる。

本発明によれば、その平均出力が一定なので、強度変調信号およびＵＷＢ信号を同時に発生できる装置を提供できる。

本発明によれば、ＷＤＭを用いずに強度変調信号およびＵＷＢ信号を同時に発生できる装置を提供できる。すなわち、本発明によれば、上記効果のうち少なくともひとつ以上を達成できる。

（１．ＵＷＢ信号発生装置）
光ＦＳＫ変調器では、スイッチング時に過渡的に同時に発生する上側波帯、および下側波帯が干渉しあい、光ＦＳＫ変調器のＲＦ信号周波数（f_FSK）の２倍の成分が発生する。これらの２成分の周波数差（ＲＦ_A電極及びＲＦ_B電極に入力するＲＦ信号周波数の２倍）以上の周波数成分に応答できる光検出器（高速光検出器）に変調器の出力光を導くと、２成分が同時発生している間のみ周波数差に相当する周波数をもつＲＦ信号が発生する。周波数切替え時の過渡的な現象であるので、光周波数切替えのための信号（ＲＦ_C）を立ち上がり・立ち下がり時間の短い矩形パルスとすると、ＲＦ信号を発生させることができる。本発明の光ＦＳＫ変調器を用いたＵＷＢ信号の発生装置（以下、単に「本発明のＵＷＢ信号発生装置」ともいう）は、このＲＦ信号（ミリ波・マイクロ波パルス）をＵＳＢ信号として出力するものである。

本発明のＵＷＢ信号発生装置の実現例を、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明のＵＷＢ信号発生装置の基本構成を示す概略図である。図１に示されるとおり、本発明のＵＷＢ信号発生装置(1)は、レーザ光源(2)と、光強度変調器(3)と、光強度変調器の信号源(4)と、光周波数シフトキーイング（光ＦＳＫ）変調器(5)と、光ＦＳＫ変調器の切換え信号源(6)と、光ＦＳＫ変調器の高周波電気信号源(7)と、光ＦＳＫ変調器の出力を検波する高速光検波器(8)とを具備する。図中、9は、ファイバである。以下、本発明のＵＷＢ信号発生装置の基本要素について説明する。

（１．１．レーザ光源）
レーザ光源(2)は、レーザ光を発生するためのデバイスである。レーザ光源としては、ＣＷ波長のレーザ光源を用いることもできる。従来のＵＷＢ信号発生装置では、その光源としてパルス光を採用しなければならなかった（2003年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会予稿集343頁（非特許文献１）参照）。しかしながら、本発明では、従来のＵＷＢ信号発生装置のようなアンテナによるＵＷＢ信号を発生する方式を採用せず、光ＦＳＫ方式を採用するので、ＣＷ波長のレーザ光源を用いることができる。なお、本明細書では、レーザ光源から出力される光の振動数をｆ₀として説明する。

レーザ光源としては、半導体レーザが挙げられる。なお、レーザ装置に後述の光強度変調器が組み込まれているものを用いても良い。

レーザ光源から出力される光の振動数であるｆ₀としては、１００ＴＨｚ以上であれば安定したレーザが利用できるので好ましく、１７０ＴＨｚ以上であれば既存のファイバが利用できるのでより好ましく、１９０〜２５０ＴＨｚであればファイバで低損失で伝送できるので特に好ましい。

レーザ光源から出力される光の強度としては、０．１ｍＷ以上が挙げられ、好ましくは１ｍＷ以上であり、より好ましくは１０ｍＷ以上である。
（１．２．光強度変調器）
光強度変調器(3)は、レーザ光源からのレーザ光の強度を変調するためのデバイスであり、公知の光強度変調器を採用できる。このような光強度変調器としてはＬＮ変調器などが挙げられる。光強度変調器によりレーザ光の振幅が変調される。この際の変調されたレーザ光の帯域幅を本明細書では、Δｆ_sigとする。光強度変調器としては、レーザ装置に組み込まれレーザを直接変調するものであっても良いが、好ましくはレーザ光源と別に設けられている光強度変調器である。

（１．３．強度変調信号源）
光強度変調器の信号源(4)は、光強度変調器へ伝達する信号を出力するためのデバイスであり、公知の強度変調信号源を採用できる。

（１．４．光ＦＳＫ変調器）
光ＦＳＫ変調器(5)は、光の周波数に変調をかけ、周波数の違いを信号として伝えるための装置である。なお、従来の光ＳＳＢ変調器に比べ出力周波数の高速な切り替えを達成できる[T. Kawanishi and M. Izutsu, “Optical FSK modulator usingan integrated lightwave circuit consisting of four optical phase modulator”, CPT 2004 G-2, Tokyo, Japan, 14-16 Jan.2004]。以下、本発明において用いられる光ＦＳＫ変調器の例について、図面を参照しながら説明する。図２は、このような光ＦＳＫ変調器の基本構成を表す図である。図２に示されるように光ＦＳＫ変調器の基本構成(11)は、例えば、第１のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_A）(12)と、第２のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_B）(13)と、前記ＭＺ_A及び前記ＭＺ_Bとを含み、光の入力部と、変調された光の出力部とを具備するメインマッハツェンダー導波路（ＭＺ_C）(14)と、前記ＭＺ_Aを構成する２つのアーム間のバイアス電圧を制御することにより、前記ＭＺ_Aの２つのアームを伝播する光の位相を制御する第１の直流または低周波用電極（ＤＣ_A電極）(15)と、前記ＭＺ_Bを構成する２つのアーム間のバイアス電圧を制御することにより、前記ＭＺ_Bの２つのアームを伝播する光の位相を制御する第２の直流または低周波用電極（ＤＣ_B電極）(16)と、前記ＭＺ_Aを構成する２つのアームにラジオ周波数（ＲＦ）信号を入力する第１のＲＦ電極（ＲＦ_A電極）(17)と、前記ＭＺ_Bを構成する２つのアームにＲＦ信号を入力する第２のＲＦ電極（ＲＦ_B電極）(18)と、入力されるＲＦ信号の周波数を制御することにより前記出力部から出力される光の周波数を制御する進行波型電極（ＲＦ_C電極）(19)とを具備する。

（１．４．１．マッハツェンダー導波路）
光ＦＳＫ変調器を構成するそれぞれのマッハツェンダー導波路は、例えば、並列する２つの位相変調器を具備するようにして構成される。図２の例では、第１のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_A）と、第２のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_B）と、メインマッハツェンダー導波路（ＭＺ_C）とを含む。ＭＺ_Cは、前記ＭＺ_A及び前記ＭＺ_Bとを含み、光の入力部と、変調された光の出力部とを具備する。

（１．４．２．基板）
光ＦＳＫ変調器の基板の材質としては、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体等の電気光学結晶が好ましく、Ｘ−ｃｕｔ（Ｘ−カット）LiNbO₃基板が特に好ましい。光導波路の形成方法としては、チタン拡散法等の内拡散法やプロトン交換法など公知の形成方法を利用できる。すなわち、本発明の光ＦＳＫ変調器は、例えば以下のようにして製造できる。まず、ニオブ酸リチウムのウエハー上に、フォトリソグラフィー法によって、チタンをパターニングし、熱拡散法によってチタンを拡散させ、光導波路を形成する。この際の条件は、チタンの厚さを１００〜２０００オングストロームとし、拡散温度を５００〜２０００℃とし、拡散時間を１０〜４０時間としすればよい。基板の主面に、二酸化珪素の絶縁バッファー層（厚さ０．５−２μｍ）を形成する。次いで、これらの上に厚さ１５−３０μｍの金属メッキからなる電極を形成する。次いでウエハーを切断する。このようして、チタン拡散導波路が形成された光変調器が形成される。

（１．４．３．共振型電極）
共振型光電極（共振型光変調器）は、変調信号の共振を用いて変調を行う電極である。共振型電極としては、公知の共振型電極を採用でき、例えば特開２００２−２６８０２５号公報に開示された共振型電極を採用できる。

（１．４．４．進行波型電極）
進行波型電極（進行波型光変調器）は、光波と電気信号を同方向に導波させ導波している間に光を変調する電極（変調器）である（例えば、西原浩、春名正光、栖原敏明著、「光集積回路」（改訂増補版）オーム社、１１９頁〜１２０頁）。進行波型電極としては、公知の進行波型電極を採用でき、例えば、特開平１１−２９５６７４号公報、特開平１１−２９５６７４号公報、特開２００２−１６９１３３号公報、特開２００２−４０３８１号公報、特開２０００−２６７０５６号公報、特開２０００−４７１５９号公報、特開平１０−１３３１５９号公報などに開示された進行波型電極を用いることができる。

進行波型電極として好ましくは、いわゆる対称型の接地電極配置（進行波型の信号電極の両側に、少なくとも一対の接地電極が設けられているもの）を採用するものが挙げられる。このように、信号電極を挟んで接地電極を対称に配置することによって、信号電極から出力される高周波は、信号電極の左右に配置された接地電極に印加されやすくなるので、高周波の基板側への放射を、抑圧できる。進行波型電極を用いることで、数十ｐｓ以下の出力周波数切換えをも達成できる。

（１．４．５．光ＦＳＫ変調器の動作）
光ＦＳＫ変調器の動作を以下に説明する。並列する４つの光位相変調器に位相が９０°ずつ異なる正弦波ＲＦ信号を入力する。また、光に関してもそれぞれの位相差が９０°となるようにバイアス電圧ＤＣ_A電極、ＤＣ_B電極、ＲＦ_C電極を調整する。すると、ＲＦ信号の周波数分だけ周波数がシフトした光が出力される。周波数シフトの方向（減少／増加）は、バイアス電圧を設定することにより選択できる。すなわち、各位相変調器で、電気・光とも９０°ずつの位相差をもつ。なお、基板として、Ｘ−カット基板を用いるとＲＦ信号用電極ＲＦ_A電極、及びＲＦ_B電極に位相が９０°異なる正弦波を供給するだけで、４つの位相変調器でそれぞれ位相が０°、９０°、１８０°、２７０°のＲＦ信号の変調を実現できる（日隅ら，Ｘカットリチウムニオブ光ＳＳＢ変調器，エレクトロンレター，vol. 37， 515-516 (2001)．）。

図３に光ＦＳＫ変調器の各点における光スペクトルを示す。図３は、上側波帯を発生する場合の例である。図２のそれぞれのＭＺ構造部分においてＤＣ_A電極、ＤＣ_B電極のバイアス電圧を２つのＰａｔｈ（パス１とパス３、パス２とパス４）での光の位相差が１８０°となるように調整する。ＲＦ_C電極のバイアス電圧を、２つのＭＺ構造部分の光位相差が９０°となるように調整する。図２のＰ点、及びＱ点においては、それぞれ両側波帯が存在する。しかしながら、Ｐ点とＱ点とでは、下側波帯の位相が逆である。このため、これらの光を合波した出力光では、上側波成分のみが含まれるのである。

一方、ＲＦ_C電極のバイアス電圧を、２つのＭＺ構造部分の光位相差が２７０°となるように調整すると、下側波成分のみが出力される。したがって、ＲＦ_C電極の信号電圧を切り替えることで、上側波成分と下側波成分とを切り替えて出力できる。

この例では、ＲＦ_C電極として、ＲＦ周波数に対応した進行波型電極を用いたので、上記の周波数シフトを高速に行うことができる。ただし、周波数シフトを高速に行わない場合には、ＲＦ_C電極として、共振型電極を用いてもよい。

以下では、光ＦＳＫ変調器の出力スペクトルについての数学的表現を説明する。光ＦＳＫ変調器は符号切り替えを高速で実現するために、従来の光ＳＳＢ変調器のＤＣ_C に相当する電極を、高速スイッチングに対応した、進行波型電極(ＲＦ_C) に置き換えたものである。光ＦＳＫ変調器の出力スペクトルは、基本的には光ＳＳＢ変調器の出力スペクトルと同様に解釈でき、光ＳＳＢ変調器の出力スペクトルについては報告例が多いので、以下では光ＳＳＢ変調器の出力スペクトルについて説明する。

変調信号をＡ^RFsinω_mt とすると、単体の位相変調器によるサイドバンドは、下記の式(1)で表される。

式(1)中、Jn(Ａ)は、第1 種n 次ベッセル関数である。ここで入力光をＡ^LWexp[iω₀t]とした。なお、Ａ^RFは、変調器での電気信号による光の位相変化の大きさを示す量であり、誘導位相量とよばれる。

同様に変調信号がＡ^RFcosω_mtの場合に、単体の位相変調器によるサイドバンドは、下記の式(2)で表される。

よって、n 次側波帯:exp［i(ω₀+nω_m)t］成分の振幅はn 次ベッセル関数で表されることがわかる。図４は、位相変調によるサイドバンドが生成する様子を示すグラフである。図４には、第１種ｎ次ベッセル関数のうち、J_i (i = 0， 1，・・・，５) が示されている。J₁(A) はA = 1.841 のときに最大値0.583 となる。この最大値を与える誘導位相量を以下の式(3)、及び式(4)のように定義した。

光ＳＳＢ変調器による光周波数変換では±１次側波帯を利用するので、誘導位相量をＡ_mを超える値としても変換効率が上がらず、また、不要な高調波の発生につながる。そこで、以下では、誘導位相量Ａが0以上Ａ_m以下の範囲のみを考える。

図２のPath j (j = 1; 2; 3; 4) における光の振幅、位相をＡ_j ^LW、φ_j ^LW、ＲＦ電気信号により光導波路に誘起される電界の振幅、位相をＡ_j ^RF、φ_j ^RFとして、式(1),(2) を用いると、光ＳＳＢ変調器の出力光Ｅは以下の式(5)〜式(9)で表される。なお、位相は、4つのPathが合波する点を基準とする。

理想的なＳＳＢ変調は、光と電気の位相差がそれぞれπ／2、すなわちΔφ_j ^LW = Δφ_j ^REで、また、振幅のばらつきもないとき(Ａ_j ^LW =Ａ^LW, Ａ_j ^RF =Ａ^RF)に得られる[S. Shimotsu, S. Oikawa, T. Saitou, N. Mitsugi, K. Kubodera, T. Kawanishi, and M. Izutsu, “LiNbO₃ Optical Single-Sideband Modulator,” OFC 2000, PD-16]。一方、出力光スペクトルは、下記式(10)〜式(12)で与えられる。

図４に示されるように、振幅がＡ_mより小さい範囲では、5 次以上の高調波成分は十分小さいのでS × T = +1 の場合出力スペクトルは、式(13)となる。

J₁ が J₃ より大きいので、出力光では+1 次成分exp［i(ω₀+ω_m)t］が支配的で、入力光Ａ^LWexp［iω₀t］に対して変調周波数分だけの光周波数シフトが実現できる。また、この際の変換効率は、J₁ で表される。また、+1 次成分と不要な高調波の比をＳＮＲ［dB］で定義するとJ₁ ／ J₃ となる。なお、ここでは光および電気回路での位相、振幅のずれがないものとし、また、光導波路での損失をゼロとしているので、J₁ 、J₁ ／ J₃がそれぞれ光ＳＳＢ変調器による光周波数変換の変換効率とＳＮＲの理論限界を与える。

変換効率−10dB 以上、ＳＮＲ30dB 以上を満たす範囲は0.67 < Ａ^RF < 0.85 である。同様にS × T = −1 の場合を考えると出力スペクトルは、式(14)となる。

式(14)から、S ×T = +1 のとき光周波数が増加する方向（上側波帯）へ、S ×T = −1 のとき光周波数が減少する方向（下側波帯）へ光周波数がシフトすることがわかる。従っ
て、T またはS の符号を変化させることで、光周波数の切り替えが実現できることがわかる。T の符号の変化は、ＤＣ_C （したがって、光ＦＳＫ変調器では、ＲＦ_C）に印加する電圧を制御し、Path 1,3 とPath 2,4 間の光位相差を−π／2 からπ／2 に切り替えることで実現できる。一方、S の符号はＲＦ_A、ＲＦ_BのＲＦ信号の位相差を、π／2 から−π／2 に切り替えることで、変化させることができる。

先に説明したとおり、図２に示される光ＦＳＫ変調器は、Ｔの符号切り替えを高速で実現するために、従来の光ＳＳＢ変調器のＤＣ_Cに相当する電極を、高速スイッチングに対応した、進行波型電極(ＲＦ_C) に置き換えたものである。切り替え信号の振幅は、ＲＦ_Cの半波長電圧に一致する。

ここで、光ＦＳＫ変調器による振動数変調の幅をΔｆ_FSKとすると、Δｆ_FSK＞Δｆ_sigが成り立つ。たとえば、Δｆ_sigが10GHzで、Δｆ_FSKが25GHzであれば、50GHzの周波数を有するUWB信号が発生する。なお、先に説明したとおり、Δｆ_sigは、光強度変調器によって強度変調されたレーザ光の帯域幅である。

また、本発明のＵＷＢ信号発生装置は、波長分割多重（ＷＤＭ）通信にも用いることができる。そして、本発明のＵＷＢ信号発生装置を用いてＷＤＭ通信を行う場合、それぞれの周波数間隔をΔｆ_WDMとすると、Δｆ_WDM＞（Δｆ_FSK＋Δｆ_sig）×２の関係を充たすようにすればよい。たとえば、Δｆ_sigが10GHzで、Δｆ_FSKが25GHzであれば、Δｆ_WDMとして100GHzとすればよい。

上記のとおり、光ＦＳＫ変調器によれば、平均出力光強度が、ＲＦ_Cの電圧に依存しない。それゆえ、光ＦＳＫ変調器を用いる本発明のＵＳＢ信号発生装置は、平均出力が一定となり、ＵＷＢ信号にあわせて、強度変調信号など平均出力を利用する他の変調方式（ＯＯＫなど）との同時変調を可能となる。

（１．５．信号源）
信号源(6)は、光ＦＳＫ変調器のＲＦ_C電極へ伝達される信号を制御するためのデバイスであり、公知の信号源を採用できる。信号源（ＦＳＫ信号源）は、光ＦＳＫ変調器の信号源として、複数の電圧レベルを設定して切り替えることのできるものを用いることは、多値変調可能な光ＦＳＫ通信に関する態様である。信号源からＲＦ_C電極に入力される信号としては、好ましくは５００ＭＨｚ以上、３００ＧＨｚ以下の周波数成分をもつ信号が挙げられ、好ましくは５００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚである。なお、信号源が制御するＲＦ_C電極へ伝達される信号の周波数は、後述の高周波電気信号源が制御するＲＦ_A電極及びＲＦ_B電極へ伝達される信号の周波数に比べて小さいことが好ましい。信号源が制御するＲＦ_C電極へ伝達される信号の周波数が、後述の高周波電気信号源が制御するＲＦ_A電極及びＲＦ_B電極へ伝達される信号の周波数に比べて大きいと装置が複雑となるからである。

（１．６．高周波電気信号源）
高周波電気信号源(7)は、ＲＦ_A電極及びＲＦ_B電極へ伝達される信号を制御するためのデバイスであり、公知の高周波電気信号源を採用できる。高周波周波数としては、例えば１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚが挙げられる。高周波電気信号源の出力としては、一定の周波数を有する正弦波が挙げられる。

（１．８．高速光検出器）
高速光検出器は、ＲＦ_A電極及びＲＦ_B電極に入力するＲＦ信号の周波数の２倍以上の周波数に応答できる光検出器である。*1

（２．ＵＷＢ信号の発生装置の動作）
以下、本発明のＵＷＢ信号の発生装置を用いて、ＵＷＢ信号が発生することについて説明する。先に説明した通り、電極ＲＦ_C上の電圧変化により、光ＦＳＫ変調器の出力を上側波帯と、下側波帯とを切り替えることができる。Path 1,3 とPath 2,4 の光信号の位相差をφ_FSK とすると、上側波帯、下側波帯の振幅はそれぞれ下記式(15)、及び式(16)で与えられる。

φ_FSK = 0 のときに上側波帯のみが出力される。一方、φ_FSK = πのときに下側波帯のみが出力される。いずれの場合も、平均出力光強度はJ₁(Ａ^RF) で与えられ、φ_FSK に依存しない。図５は、光ＦＳＫ変調によるＵＷＢ信号発生を説明するための図である。ＲＦ_C 上の切り替えパルスの立ち上がり、立ち下がり時間の間は上側波帯、下側波帯が同時に存在する。これを高速光検出器で電気信号に変換すると、光ビートとして上側波帯と下側波帯の周波数の差(2ｆ_m) に相当するＲＦ信号が得られる。立ち上がり、立ち下がり時間は電極およびドライブ回路の帯域で制限されている。しかし、進行波型電極（およびドライバー）を利用することで、立ち上がり、立ち下がり時間を10 ps 程度にできる。また、ＦＳＫの周波数変移の上限も同様に変調電極の帯域で制限されており、60 GHz 程度である。よって、本発明のＵＳＢ発声装置を用いれば、キャリア周波数120 GHz、パルス幅10 ps のＵＷＢ信号が発生できる。

本発明のＵＳＢ発生装置によるＵＳＢ信号出力方法は、ＦＳＫ切り替え信号が平均出力光強度に影響を与えない。これは、ＦＳＫ変調による強度変化の周波数軸上での広がりがＵＷＢ信号のキャリア付近に限定されていることを意味している。これまでに提案されたＵＷＢ発生技術では、一般に、短パルスを発生させた後に、フィルタ（アンテナ）で所望のスペクトル成分のみを取り出すという方法が用いられてきたが、ここで提案する光ＦＳＫ変調器による方法では、上記の通り、不要なスペクトルは発生せず、ＵＷＢ通信に必要な成分のみを選択的に得ることができる。すなわち、ＲＦ信号として必要な成分のみが生成され、光ベースバンド帯域に影響を与えない。また、スペクトル広がりがＦＳＫ切り替え信号の立ち上がり、立ち下がり時間できまるので、スペクトル広がりを容易に制御できる。キャリア周波数は電極ＲＦ_A、ＲＦ_B に供給する正弦波の周波数ｆ_m の２倍となる。

ＵＷＢ信号のキャリア周波数は高周波電気信号源の周波数の２倍となるので、高い周波数成分を有する信号を生成でき、また周波数を容易に制御できる。ＵＷＢ信号のパルス波形はＲＦ_C信号波形によって決まるので、例えば、立ち上がり時間などを調整することによってＵＷＢ信号のパルス形状を容易に制御できる。

（３．強度変調信号／ＵＷＢ信号発生装置）
本発明の光ＦＳＫ変調器を用いた強度変調信号およびＵＷＢ信号の発生装置（以下、単に「本発明の強度変調信号／ＵＷＢ信号発生装置」ともいう）は、本発明のＵＷＢ信号発生装置と光検出器とを組み合わせることで、強度変調信号とＵＷＢ信号とを出力できる装置である。本発明の強度変調信号／ＵＷＢ信号発生装置の実現例を、図面を参照しつつ説明する。図６は、本発明の強度変調信号／ＵＷＢ信号発生装置の基本構成を示す概略図である。図６に示されるとおり、本発明の強度変調信号／ＵＷＢ信号発生装置は、レーザ光源(2)と、光強度変調器(3)と、光強度変調器の信号源(4)と、光ＦＳＫ変調器(5)と、光ＦＳＫ変調器の切換え信号源(6)と、光ＦＳＫ変調器の高周波電気信号源(7)と、光ＦＳＫ変調器の出力を検波する高速光検波器(8)と、光検波器(20)と任意要素としての高速光検波器の出力を増強する光強度増幅器(21)とを有する。これらの要素のうち、本発明のＵＳＢ信号発生装置において説明した要素は、先に説明したと同様である。

（３．１．光検出器）
光検出器は、光信号を検出するためのデバイスであり、公知の光検出器を採用できる。この光検出器としては、例えばフォトダイオードを含むデバイスを採用できる。光検出器は、例えば、光信号を検出し、電気信号に変換するものが挙げられる。光検出器によって、光信号の強度などを検出できる。光検出器の検出帯域は、Δｆ_sigより大きく、Δｆ_FSKの２倍より小さければよい。

（３．２．光増幅器）
光増幅器（たとえば、リミッティングアンプ）は、飽和現象を利用して強度変調成分を抑圧できる。この光増幅器を通過することで、強度変調成分が抑圧されたＵＷＢ信号を出力できる。したがって、光増幅器を用いることは、強度変調信号／ＵＷＢ信号発生装置に有効である。なお、このように効果的に強度変調成分を抑圧するために、好ましくは強度変調信号のＯＮ／ＯＦＦ消光比を２０ｄＢ以下とする。このようなＯＮ／ＯＦＦ消光比であれば、アンプの飽和特性を利用してほぼ一定のＵＷＢ信号出力を得ることができる。

（４．強度変調信号／ＵＷＢ信号発生装置の動作）
光ＦＳＫ変調器は平均出力光強度を一定に保つので、入力が強度変調信号であった場合に、それへの影響を与えずにＵＷＢ信号を同時に伝送できる。ＵＷＢ信号の強度は、強度変調信号の影響を受けるが、これが問題となる場合には、光増幅器（リミッティングアンプなど）を用いて強度変動を抑圧することができる。

（シミュレーション）
光通信システムシミュレータOptisystem^TM 2.2 を用いて、光ＦＳＫ変調によるＵＷＢ信号発生を解析した。ＦＳＫ周波数変移(ｆ_m) を10 GHz とし、電極ＲＦ_A;ＲＦ_Bによる誘導位相量を1.48 rad とした。ＦＳＫ切り替え信号はくり返し周波数200 MHz、デューティ比50%の矩形パルスで立ち上がり・立ち下がり時間を100 ps とした。

図７、及び図８は、実施例１において発生したＵＷＢ信号の時間波形を示す。図８は、図７の拡大図である。図７、及び図８から平均パワーが一定な、ＲＦパルスが発生していることがわかる。ＵＷＢ信号のパルス幅は110 ps であり、これは切り替え信号の立ち上がり時間とほぼ一致する。

（ＵＷＢ信号発生実験）
実施例１の条件で実験を行い、ＵＷＢ信号を発生した。図９に、発生したＵＷＢ信号のスペクトルを示す。図９から、本発明のＵＷＢ信号発生装置を用いれば、ＵＷＢ信号を出力できることがわかる。なお、図９には、計算結果（マル点）も合わせて示した。数値計算では偶数次成分のＵＷＢ信号のみが発生するのに対して、実験で得られたスペクトルには奇数次成分（偶数次成分に比べて-10dB 以下）のＵＷＢ信号が存在する。これは変調器の消光比が有限の値を持つことによるものと考えられる。

本発明のＵＷＢ信号発生装置などは、新規なＵＷＢ信号発生装置などとして情報通信分野で利用できる。

本発明のＵＷＢ信号発生装置などによれば、信号帯域がＵＷＢ信号のキャリア周波数から十分離れている場合、波長多重なしで強度変調信号にＵＷＢパルスを重畳できる。よって、本発明のＵＷＢ信号発生装置などによれば、既に普及しているＦＴＴＨシステムにＵＷＢ信号を利用したファイバ無線システムとしての機能を新たにもたせることができる。

本発明の強度変調信号／ＵＷＢ信号発生装置では、既存のＩＭＤＤを用いたＦＴＴＨシステムのために敷設された光ファイバを用いて、ＵＷＢ信号ファイバ無線システムを実現できる。この方式は波長多重技術を用いていないので、送信側を同時伝送可能なシステムにアップグレードした際にも、ＦＴＴＨ端末側に光フィルタの増設などが不要であり、既存のサービスに影響を与えることなく機能拡張を進めることができる。

図１は、本発明のＵＷＢ信号発生装置の基本構成を示す概略図である。図２は、光ＦＳＫ変調器の基本構成を表す図である。図３は、上側波帯を発生する場合における図２の光ＦＳＫ変調器の各点における光スペクトルを示す。図４は、位相変調によるサイドバンドが生成する様子を示すグラフである。図５は、光ＦＳＫ変調によるＵＷＢ信号発生を説明するための図である。図６は、本発明の強度変調信号／ＵＷＢ信号発生装置の基本構成を示す概略図である。図７は、実施例１において求められたＵＷＢ信号の時間波形を示すグラフである。図８は、図７の拡大図である。図９は、実施例２において発生したＵＷＢ信号のスペクトルと、計算結果を示すグラフである。図１０は、非特許文献１（2003年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会予稿集343頁）に記載されたＩＲ方式に基づくＵＷＢ信号の発生装置の例を示す図である。

符号の説明

１ＵＷＢ信号発生装置
２レーザ光源
３光強度変調器
４光強度変調器の信号源
５光周波数シフトキーイング（光ＦＳＫ）変調器
６ＲＦ_C電極へ伝達される信号を制御する信号源
７高周波電気信号源
８高速光検波器
12 第１のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_A）
13 第２のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_B）
14 メインマッハツェンダー導波路（ＭＺ_C）
15 ＤＣ_A電極
16 ＤＣ_B電極
17 第１のＲＦ電極（ＲＦ_A電極）
18 第２のＲＦ電極（ＲＦ_B電極）
19 進行波型電極（ＲＦ_C電極）
20 光検波器
21 光強度増幅器
101 従来のＵＷＢ信号の発生装置
102 光パスル発生器
103 光強度変調器
104 ＵＴＣ−ＰＤ
105 アンテナ
106 受信器
107 アンテナ
108 ショットキー・バリア・ダイオード
109 増幅器
110 オシロスコープ

Claims

レーザ光を発生するレーザ光源(2)と、レーザ光源からのレーザ光の強度を変調する光強度変調器(3)と、前記光強度変調器へ伝達する信号を出力する光強度変調器の信号源(4)と、前記光強度変調器からの出力光が入力する光周波数シフトキーイング（光ＦＳＫ）変調器(5)と、前記光ＦＳＫ変調器のＲＦ_C電極へ伝達される信号を制御する信号源(6)と、前記光ＦＳＫ変調器のＲＦ_A電極及びＲＦ_B電極へ伝達される信号を制御する高周波電気信号源(7)と、前記光ＦＳＫ変調器の出力を検波する高速光検波器(8)とを具備するＵＷＢ信号発生装置(1)。
前記光ＦＳＫ変調器が、第１のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_A）(12)と、第２のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_B）(13)と、前記ＭＺ_A及び前記ＭＺ_Bとを含み、光の入力部と、変調された光の出力部とを具備するメインマッハツェンダー導波路（ＭＺ_C）(14)と、前記ＭＺ_Aを構成する２つのアーム間のバイアス電圧を制御することにより、前記ＭＺ_Aの２つのアームを伝播する光の位相を制御する第１の直流または低周波用電極（ＤＣ_A電極）(15)と、前記ＭＺ_Bを構成する２つのアーム間のバイアス電圧を制御することにより、前記ＭＺ_Bの２つのアームを伝播する光の位相を制御する第２の直流または低周波用電極（ＤＣ_B電極）(16)と、前記ＭＺ_Aを構成する２つのアームにラジオ周波数（ＲＦ）信号を入力する第１のＲＦ電極（ＲＦ_A電極）(17)と、前記ＭＺ_Bを構成する２つのアームにＲＦ信号を入力する第２のＲＦ電極（ＲＦ_B電極）(18)と、入力されるＲＦ信号の周波数を制御することにより前記出力部から出力される光の周波数を制御する進行波型電極（ＲＦ_C電極）(19)とを具備する請求項１に記載のＵＷＢ信号発生装置(1)。
請求項１、又は請求項２に記載のＵＷＢ信号発生装置を用いた波長分割多重通信システム。
レーザ光を発生するレーザ光源(2)と、レーザ光源からのレーザ光の強度を変調する光強度変調器(3)と、前記光強度変調器へ伝達する信号を出力する光強度変調器の信号源(4)と、前記光強度変調器からの出力光が入力する光周波数シフトキーイング（光ＦＳＫ）変調器(5)と、前記光ＦＳＫ変調器のＲＦ_C電極へ伝達される信号を制御する信号源(6)と、前記光ＦＳＫ変調器のＲＦ_A電極及びＲＦ_B電極へ伝達される信号を制御する高周波電気信号源(7)と、光検波器(20)とを有する強度変調信号およびＵＷＢ信号発生装置。
前記高速光検波器の出力を増強する光強度増幅器(21)を具備する請求項に記載の強度変調信号およびＵＷＢ信号発生装置。
前記光ＦＳＫ変調器が、第１のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_A）(12)と、第２のサブマッハツェンダー導波路（ＭＺ_B）(13)と、前記ＭＺ_A及び前記ＭＺ_Bとを含み、光の入力部と、変調された光の出力部とを具備するメインマッハツェンダー導波路（ＭＺ_C）(14)と、前記ＭＺ_Aを構成する２つのアーム間のバイアス電圧を制御することにより、前記ＭＺ_Aの２つのアームを伝播する光の位相を制御する第１の直流または低周波用電極（ＤＣ_A電極）(15)と、前記ＭＺ_Bを構成する２つのアーム間のバイアス電圧を制御することにより、前記ＭＺ_Bの２つのアームを伝播する光の位相を制御する第２の直流または低周波用電極（ＤＣ_B電極）(16)と、前記ＭＺ_Aを構成する２つのアームにラジオ周波数（ＲＦ）信号を入力する第１のＲＦ電極（ＲＦ_A電極）(17)と、前記ＭＺ_Bを構成する２つのアームにＲＦ信号を入力する第２のＲＦ電極（ＲＦ_B電極）(18)と、入力されるＲＦ信号の周波数を制御することにより前記出力部から出力される光の周波数を制御する進行波型電極（ＲＦ_C電極）(19)とを具備する請求項４、又は請求項５に記載の強度変調信号およびＵＷＢ信号発生装置(1)。