JP2006333464A - 周波数逓倍型光学電子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、幅広いチューニングが可能で低ノイズの合成マイクロ波源をＯＥＯ発振器に提供するシステム及び方法に関する。
【解決手段】一構成では、光変調器は、基本光周波数について（基本変調器周波数に対して）少なくとも第１の高調波周波数対を生成するよう駆動される。１つ又は２つ以上のフィルタは、第１の高調波周波数対だけを通過させ、基本光周波数を含む他の周波数を除去する。次いで光検出器は、高調波周波数対の間の差に等しい電気信号を形成する。該差分信号は、基本変調器周波数の２の倍数である。該差分信号は、ＯＥＯ発振器からの出力として提供される。該差分信号は、１つ又は２つ以上の２分割プリスケーラを使用して基本変調器周波数に戻される。
【選択図】図１

Description

フォトニックシステムは、無線周波数（ＲＦ）技術と光技術とを組み合わせて使用して、信号を搬送するものであり、光学電子発振器（ＯＥＯ：Optical Electronic Oscillator）に使用できるものである。該発振器は、光エネルギを使用して純粋なマイクロ波信号を生成する。典型的な発振器は、低ノイズレーザ源から光が供給される光変調器と、遅延ファイバ、及び光検出器を備える。該検出器は電気信号を形成し、該電気信号が増幅されフィルタリングされて、変調器の制御に使用される。該変調器は、光源からの光を前記電気信号でエンコード又は変調する。該変調された光が次いで遅延ファイバを通過し、該遅延ファイバが該光に遅延を導入し、次いで該光が光検出器へ供給される。次いで該光検出器が、受光した光を電気信号へと変換し、該電気信号が光変調器に供給されて使用される。

ＯＥＯが発振する周波数は、ループの電子的な部分に周波数選択素子を配置することにより制御することができる。更に、ＯＥＯが発振する周波数は、ループの光学的な部分に周波数選択素子を配置することにより制御することができる。これに関する更なる情報は、非特許文献１を参照されたい。
Yao, X.S.等、「Optoelectronic Oscillator for Photonic Systems（フォトニックシステム用光電子発振器）」JEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.32, No.7, July 1996, pgs 1141-1149

本発明は、幅広いチューニングが可能で低ノイズの合成マイクロ波源をＯＥＯ発振器に提供するシステム及び方法に関する。

一構成では、光変調器は、基本光周波数について（基本変調器周波数に対して）少なくとも第１の高調波周波数対を生成するよう駆動される。１つ又は２つ以上のフィルタは、第１の高調波周波数対だけを通過させ、基本光周波数を含む他の周波数を除去する。次いで光検出器は、高調波周波数対の間の差に等しい電気信号を形成する。該差分信号は、基本変調器周波数の２の倍数である。該差分信号は、ＯＥＯ発振器からの出力として提供される。該差分信号は、１つ又は２つ以上の２分割プリスケーラを使用して基本変調器周波数に戻される。

別の構成では、光変調器は、基本光周波数について（基本変調器周波数に対して）少なくとも第３の高調波周波数対を生成するよう駆動される。カプラを使用して光を２つの部分に分割する。該光の一方の部分は、変調器に供給される基本変調器周波数信号を提供するために使用される。該光の他方の部分は、ＯＥＯ発振器から出力を提供するために使用される。該光の他方の部分は１つ又は２つ以上のフィルタに提供され、該フィルタが、前記第３の高調波周波数対だけを通過させ、基本光周波数を含む他の周波数を除去する。次いで光検出器は、高調波周波数対の間の差に等しい電気信号を形成する。該差分信号は、基本変調器周波数の２の倍数でなくてもよい。該差分信号は、ＯＥＯ発振器からの出力として提供される。

上記の説明は、次の本発明の詳細な説明をよりよく理解するために、本発明の特徴及び技術的な利点を概略したものである。本発明の更なる特徴及び利点は、本発明の請求項の要旨を形成する以下の説明に記述される。当業者であれば開示された思想及び特定の実施形態は、本発明と同じ目的を達成するために他の構成を変更し又は設計するときの基礎として容易に使用できることが理解されるであろう。また当業者であれば、このような等価な構成は、特許請求の範囲に示す本発明の思想及び範囲から逸脱するものではないことが理解されよう。構成及び動作方法の両者に関して本発明の特徴であると考えられる新規な特徴、ならびに更なる目的及び利点は、図面と共に以下の説明を読めばよりよく理解できるであろう。但し、各図面は、例示及び解説を目的として提供するものであり、本発明の制限を画定することを意図したものではないことを理解されたい。

本発明をより完全に理解するために、図面に関連して以下の説明を参照する。

本発明の実施形態は、ＯＥＯの思想を使用して、ＯＥＯを変調器基本周波数の高調波で動作させることにより、異なる周波数及び／又はより高い周波数を提供する。本発明の少なくとも一実施形態の利点は、ＯＥＯ発振器を使用してより高い周波数出力を生成するために、より低い帯域幅の（ひいてはより安価な）変調器を使用することにある。

図１は、本発明の実施形態による光学電子発振器（ＯＥＯ）の一例を示している。ＯＥＯ100は、プリスケーラを有する二次高調波ＯＥＯである。該ＯＥＯは、電子又はマイクロ波部分101と光学部分102とを備える。電子部分は、信号源118から例えば10メガヘルツ（MHz）の基準信号を受信する位相ロック117を含む。位相ロック117は、移相器104を制御して、ＯＥＯを基準周波数の特定の倍数にロックする。

移相器104は、変調器119によりレーザ入力103の光を変調させるための電気信号を提供する。移相器104を（位相ロック117を介して）変更すると、該ＯＥＯの位相周波数がシフトする。このため、移相器は、ＯＥＯの周波数を調整して、基準信号118（例えば10MHz信号）の高調波に発振を強制的にロックさせる。例えば、10ギガヘルツ（GHz）変調帯域幅を有する変調器を使用するＯＥＯは、10.1GHzで発振するよう設定することが可能である。ＯＥＯの周波数はまた、フラクショナルＮ型分周器を使用することにより、基準周波数の非整数倍に設定することもできる。これは周波数合成では一般的なことである。

レーザ源は、変調の基本周波数よりも遙かに大きな周波数の光を提供する。例えば、光は10¹⁴ヘルツ（Hz）のオーダの基本周波数を有し（又は約1550ナノメートルの波長）、変調器は10GHzのオーダの基本周波数を有することが可能である。

レーザ源103からの光は、変調器119により10GHz変調信号でエンコードされる。換言すれば、該レーザ光は、該変調信号を用いて振幅及び／又は位相変調される。周波数領域では、変調された光信号は、レーザ光の周波数を有する中心周波数と、該中心周波数の近傍に位置すると共に変調信号の周波数だけ該中心周波数から離れている少なくとも一対の側波帯とを有するものとなる（すなわち変調信号の周波数のプラスとマイナス）。例えば、図３Ａに示すように、中心周波数（又は基本周波数）を10¹⁴Hzとし、側波帯を該中心周波数から10GHzに位置させることが可能である。変調器は、更なる側波帯（例えば二次高調波及び三次高調波）を生成するよう駆動することが可能である。よって、選択的に変調器を駆動することによって、他の高調波帯を光にエンコードすることが可能である。

変調された光は次いで光ファイバ105に結合される。該光ファイバ105は、追加の光遅延を提供する一定長のファイバ（例えばループ106）を含む。該ループ106が長いほど、より多くの遅延が光に追加されるので、より小さな周波数シフトでも位相変化が起きることになる。よって、発振周波数を所望の値に正確に近づけると共に位相ノイズを低減させるためには、より長いループ（ひいてはより長い遅延）が望ましい。ループ106の長さは10メートルとすることが可能である。

光増幅器107を随意選択的に使用して、変調された光をフィルタリング前にブーストすることが可能である。

変調された光が次いで、薄膜フィルタ108（例えば波長分割多重フィルタ）によりフィルタリングされる。この構成では、該薄膜フィルタ108は、中心周波数と第１組の側波帯を通過させ、残りを遮断する。これを図３Ｂに示す。他の構成では他の側波帯を通過させ及び／又は遮断することが可能であることに留意されたい。例えば、二次又は三次高調波帯を通過させてもよい。

光は、フィルタ108によりフィルタリングされた後にファイバカプラ109を通過し、該ファイバカプラ109が該光を２つの経路に分割する。各経路は、例えばファブリペローフィルタなどの狭通過帯域フィルタをそれぞれ通過する。各フィルタ110,111は、側波帯における狭い範囲の周波数を通過させるよう調整される。例えば、フィルタ110は、上側の側波帯（例えば＋10GHzの周波数）を通過させ、フィルタ111はより低い側波帯（例えば−10GHzの周波数）を通過させる。該フィルタ110,111は位相ロック117に接続され、該フィルタを所望の周波数に調整できるようになっている。該位相ロックは、移相器104並びにフィルタ110,111の中心周波数を設定するものとなる。

薄膜フィルタ108及びフィルタ110,111の構成は、単に例示を目的としたものであり、許容できる程度の低いノイズで所望の周波数が通過する限り、別の１つ若しくは複数のフィルタ又はかかるフィルタの組み合わせを使用することが可能である、という点に留意されたい。ファブリペローフィルタは、狭帯域の周波数を通過させる傾向のものであるが、幾つかの周期の狭帯域を通過させることになる周期的な応答を有するものである。薄膜フィルタを使用することにより、ファブリペローフィルタが一周期帯域内で通過させ得る光が除去される。

光は、フィルタ110,111によりフィルタリングされた後、ファイバカプラ112を通過する。該ファイバカプラ112は、光を単一経路へと組み合わせる。この構成では、中心周波数はフィルタリングにより除去されており、第１組の側波帯のみが残っている。これを図３Ｃに示す。このため、該２つの帯域は20GHzだけ分離される。

光は、次いで高速光検出器113に提供される。該高速光検出器113は、２つの受信した周波数の間の差を表す周波数（例えば20GHz）を有する電気信号を生成する。タップ115は、別の装置及び／又は別の用途で使用することができるように20GHzの信号を出力として提供することを可能にする。

ＯＥＯ発振器の発振を可能にするために、変調器に提供される入力信号は出力信号に近似していなければならない。このため、２分割プリスケーラ114を発振ループ内に提供して、20GHz信号を10GHz信号に分割する。移相器204の値は、所望の周波数において電気ループと光ループの組み合わせの周囲に整数個の波長が存在するよう選択される。随意選択のタップ116は、別の装置及び／又は別の用途で使用する出力として10GHzの信号を提供することを可能にする。

図２は本発明の実施形態による光学電子発振器（ＯＥＯ）の別の一例を示す。ＯＥＯ200は、別個の検出器を備えた六次高調波ＯＥＯである。該ＯＥＯは電子又はマイクロ波部分201と光学部分202を備える。電子部分は、信号源218から例えば10メガヘルツ（MHz）の基準信号を受信する位相ロック217を含む。位相ロック217は移相器204を制御し、ＯＥＯを特定の周波数にロックする。

移相器204は、変調器219によりレーザ入力203の光を変調させるための電気信号を提供する。移相器204を（位相ロック217を介して）変化させると、ＯＥＯの位相周波数がシフトすることになる。このため、移相器は、ＯＥＯの周波数を調整して、基準信号218（例えば10MHz信号）の高調波に発振を強制的にロックする。例えば10ギガヘルツ（GHz）ＯＥＯを10.1GHzで発振するよう設定することが可能である。周波数合成では一般的であるように、フラクショナルＮ型分周器を使用してＯＥＯ周波数を基準周波数の非整数倍に設定することができることに留意されたい。

レーザ源は、変調周波数より遙かに大きな周波数の光を提供する。例えば、光は10¹⁴ヘルツ（Hz）（すなわち約1550ナノメートルの波長）のオーダの周波数を有し、光の変調は10GHzのオーダであることが可能である。

レーザ源203からの光は、変調器219により10GHz変調信号でエンコードされる。換言すれば、レーザ光は、該変調信号で振幅及び／又は位相変調される。周波数領域では、変調された光信号は、レーザ光の周波数を有する中心周波数と、該中心周波数の周囲に位置すると共に該中心周波数から変調信号の周波数だけ離れている少なくとも一対の側波帯（すなわち変調信号周波数のプラスとマイナス）とを有する。例えば、図４Ａに示すように、中心周波数を1014Hzにし、側波帯を該中心周波数から10GHzの位置とすることが可能である。この例では、変調器は、追加の側波帯（すなわち三次高調波）を生成するよう駆動される。

変調された光は次いで光ファイバ205に結合される。該光ファイバ205は、例えばループ206などの一定長のファイバを含み、及び追加の光遅延を提供する。より長いループ206はより大きな遅延を光に加えるので、より小さな周波数シフトで位相が変化することになる。よって、発振周波数を所望の値に正確に近づけ、及び位相ノイズを低減させるためには、より長いループ（すなわちより長い遅延）が望ましい。ループ206の長さは10メートルとすることが可能である。

光増幅器（図示せず）を随意選択的に使用して、変調された光をフィルタリング前にブーストすることが可能である。

変調された光は次いで、例えば波長分割多重フィルタなどの薄膜フィルタ208によりフィルタリングされる。この構成では、薄膜フィルタ208は、中心周波数及び第３組の側波帯までを通過させ、残りを遮断する。これを図４Ｂに示す。他の構成では、他の側波帯を通過させ及び／又は遮断することが可能であることに留意されたい。

光は、フィルタ208によりフィルタリングされた後、ファイバカプラ209を通過する。該ファイバカプラ209は、光を３つの経路に分割する。その経路のうちの２つは、基本周波数（すなわち変調信号）を生成するために使用される。第３の経路は、六次高調波出力を提供するために使用される。

２つの経路の各々は、それぞれ狭通過帯域フィルタ（例えばファブリペローフィルタ）を通過する。各フィルタ210,211は、狭い範囲の周波数を通過させるよう調整される。例えば、フィルタ210は、側波帯のうちの一方（例えば低い方の側波帯すなわち−10GHz周波数）を通過させ、フィルタ211は、基本周波数（すなわち10¹⁴Hz周波数）を通過させる。フィルタ210,211は位相ロック217に接続され、それらフィルタを所望の周波数に調整できるようになっている。該位相ロックは、移相器204並びにフィルタ210,211の中心周波数を設定するものとなる。

薄膜フィルタ208及びフィルタ210,211の構成は例に過ぎず、許容できる程度の低いノイズで所望の周波数が通過する限り、別の１つ又は複数のフィルタ及び／又はかかるフィルタの組み合わせを使用できることに留意されたい。ファブリペローフィルタは、狭帯域周波数を通過させる傾向を有するものであるが、幾つかの周期の狭帯域を通過させることになる周期的な応答を有するものである。薄膜フィルタを使用することにより、ファブリペローフィルタが一周期帯域内で通過させ得る光が除去される。

光は、フィルタ210,211によりフィルタリングされた後、ファイバカプラ212を通過する。該ファイバカプラ212は光を単一経路へと組み合わせる。この構成では、中心周波数は側波帯のうちの一方と共に通過する。このため、２つの帯域は10GHzだけ分離される。

光は次いで高速光検出器213に提供される。該高速光検出器213は、２つの受信した周波数の間の差を表す周波数（例えば10GHz）を有する電気信号を生成する。タップ216は、該10GHz信号を、別の装置及び／又は別の用途で使用するための出力として提供することを可能にする。

第３の経路は光増幅器207に光を提供する。該光増幅器207は、変調された光をそのフィルタリング前にブーストするために随選択的に使用できるものである。

次いで随意選択的に、光は、随意選択的な薄膜フィルタ221によってフィルタリングされる。該薄膜フィルタ221はフィルタ208と同様のものである。この構成では、該薄膜フィルタ221は、中心周波数と第３組の側波帯を通過させ、残りを遮断する。これを図４Ｂに示す。他の構成では、他の側波帯を通過させ及び／又は遮断できることに留意されたい。

光は、フィルタ221によってフィルタリングされた後、ファイバカプラ222を通過する。該ファイバカプラ222は光を２つの経路に分割する。各経路は、狭通過帯域フィルタ（例えばファブリペローフィルタ）をそれぞれ通過する。各フィルタ216,220は、狭い範囲の周波数を通過させるよう調整される。例えば、フィルタ216は、側波帯のうちの一方（例えば上側の側波帯すなわち−30GHz周波数）を通過させ、フィルタ220は、他方の側波帯（例えばより低い側波帯すなわち＋30GHz周波数）を通過させる。フィルタ216,220は帯域制御回路214に接続されており、それらフィルタを所望の周波数に調整することが可能となっている。

薄膜フィルタ221及びフィルタ216,220の構成は例に過ぎず、許容できる程度の低いノイズで所望の周波数が通過する限り、他の１つ又は複数のフィルタ及び／又はかかるフィルタの組み合わせを使用できることに留意されたい。ファブリペローフィルタは、狭帯域の周波数を通過させる傾向のものであるが、幾つかの周期の狭帯域を通過させることになる周期的な応答を有する。薄膜フィルタを使用することにより、ファブリペローフィルタが周期帯域で通過させ得る光を除去することができる。

フィルタ216,220によってフィルタリングされた後、光はファイバカプラ223を通過する。該ファイバカプラ223は該光を単一経路へと再結合させる。この構成では、中心周波数と第１組及び第２組の側波帯とがフィルタリングにより除去されており、第３組の側波帯が残っている。これを図４Ｃに示す。よって、２つの帯域は60GHzだけ分離されている。

光は次いで高速光検出器224に供給される。該高速光検出器224は、２つの受信した周波数の間の差を表す周波数（例えば60GHz）を有する電気信号を生成する。タップ215は、別の装置及び／又は別の用途で使用するための出力として60GHzの信号を提供することを可能にする。

図１の構成は、２の倍数である高調波について好ましいものとなる。それは、１つ又は２つ以上の２分割プリスケーラを使用して基本又は変調信号を提供することができるからである。一方、図２の構成は、２の倍数でない高調波にとってより有用なものである。

図１及び図２の構成では、10GHz電界吸収型光変調器（electro absorption modulator）を使用しているが、他の変調器も使用できることに留意されたい。例えば、40GHzのマッハツェンダー変調器を、図１の構成で使用して80GHzの信号を生成することが可能であり、または図２の構成で使用して240GHzの信号を生成することが可能である。ＯＥＯの基本周波数を、例えば2〜10GHzに調整することができる場合には、出力を2〜20GHz（図１の構成の場合）または2〜60GHz（図２の構成の場合）に調整することができる。殆どの光変調器は、強力に駆動した場合に、高調波を生成するために使用することができる非線形性を有する。ニオブ酸リチウムマッハツェンダー変調器は特に、この点で制御し易いものである。これは、正弦伝達関数（電圧→光強度）を有する。フルオフポイント（full-off point）でバイアスすると偶数高調波が生成される。直角位相でバイアスすると奇数高調波が得られる。中間バイアスポイントは、その両方を混合した制御可能な波形が生成される。

また、図１及び図２の構成は、例えば1〜6の又は更に高い高調波のうち任意の高調波など、他の高調波を使用することができることも留意されたい。

本発明及びその利点を詳細に説明したが、付随する請求項が定義する本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、様々な変更、置換、代替が可能であることを理解されたい。また、本出願の範囲は、プロセス、機械、製造、組成、手段、方法、ステップを明細書に記述された特定の実施形態に限定することを目的としていない。したがって、当業者であれば本発明の開示から容易に理解できるように、本明細書に記述された実施形態と実質的に同じ機能を実行するか又は実質的に同じ結果を達成する、既存の又は今後に開発されるプロセス、機械、製造、組成、手段、方法、ステップも本発明にしたがって使用できる。従って、特許請求項の範囲は、これらのプロセス、機械、製造、組成、手段、方法、ステップも含むことを意図したものである。

本発明の実施形態によるＯＥＯ発振器の一例を示す図である。 本発明の実施形態によるＯＥＯ発振器の別の一例を示す図である。 図１のシステムの異なるポイントにおける光の周波数スペクトルを示している。 図１のシステムの異なるポイントにおける光の周波数スペクトルを示している。 図１のシステムの異なるポイントにおける光の周波数スペクトルを示している。 図２のシステムの異なるポイントにおける光の周波数スペクトルを示している。 図２のシステムの異なるポイントにおける光の周波数スペクトルを示している。 図２のシステムの異なるポイントにおける光の周波数スペクトルを示している。

符号の説明

100 光学電子発振器（ＯＥＯ）
101 マイクロ波部分
102 光学部分
103 レーザ入力
104 移相器
105 光ファイバ
106 ループ
107 光増幅器
108 薄膜フィルタ
109 ファイバカプラ
110 フィルタ
111 フィルタ
112 ファイバカプラ
113 高速光検出器
116 光タップ
117 位相ロック
118 信号源
119 変調器

Claims (10)

1. 基本周波数を有する光を提供し(103)、
   変調器(119)を介して前記光を変調して、該光に少なくとも一組の高調波をエンコードし、
   該エンコードされた光をフィルタリングして (108,110,111)、前記基本周波数を実質的に除去し、
   該フィルタリングされた光を、前記変調器を駆動する変調信号の周波数よりも高い周波数を有する電気信号へと変換する (113)、
   という各ステップを含む、電気信号を形成する方法。
2. 光ファイバループ(106)に前記エンコードされた光を通過させて該エンコードされた光に遅延を提供するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記エンコードされた光をフィルタリングする前記ステップが、
   前記基本周波数を有する光と少なくとも一組の高調波の周波数を有する光とを通過させる第１のフィルタ(108)を介して前記エンコードされた光を通過させ、
   前記一組の高調波の周波数を有する光を通過させると共に前記基本周波数を有する光を実質的に遮断してフィルタリングされた光を形成する別のフィルタ(110,111)に前記第１のフィルタからの光を通過させる、
   という各ステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記別のフィルタが、第２のフィルタ(111)及び第３のフィルタ(110)を含み、前記第１のフィルタからの光を前記第２のフィルタに通過させる前記ステップが、
   前記第１のフィルタからの光を２つの経路へと分離させ (109)、
   その第１の経路上の光を、前記少なくとも一組の高調波の上側の側波帯の周波数を有する光を通過させる第２のフィルタ(111)でフィルタリングし、
   その第２の経路上の光を、前記少なくとも一組の高調波の下側の側波帯の周波数を有する光を通過させる第３のフィルタ(110)でフィルタリングし、
   前記第１の経路上のフィルタリングされた光と前記第２の経路上のフィルタリングされた光とを組みあわせて(112)、フィルタリングされた光を形成する、
   という各ステップを含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記第２のフィルタの通過帯域と前記第３のフィルタの通過帯域とを位相ロック(117)を介して制御するステップを更に含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記電気信号の周波数を下げて(114)前記変調信号を形成するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記変調信号を位相シフトさせて(104)該変調信号の周波数を変更するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記変調信号が基準信号の高調波へと変化するよう基準信号(118)を提供するステップを更に含み、
   該基準信号が、前記変調信号の周波数の分数である周波数を有している、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記変調信号の前記位相シフトを位相ロック(117)を介して制御するステップを更に含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記電気信号が、前記変調信号の少なくとも２倍の周波数を有している、請求項１に記載の方法。

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