JP2006339782A - 高周波信号光伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザの非線形性による高次の歪み成分を抑圧することによってダイナミックレンジの向上を図ることができ、レーザ光源の強度雑音成分の抑圧、光副搬送波、変調波の強度制御などによってダイナミックレンジの向上を図ることができる高周波信号光伝送装置を得る。
【解決手段】外部からのマイクロ波信号により変調されたレーザ光を出射するレーザ２と、レーザ２から出射したレーザ光を２つに分岐する光分波器３と、光分波器３により分波された一方のレーザ光のうち、レーザ２の発振周波数近傍のみを透過する第１の光バンドパスフィルタ４と、光分波器３により分波された他方のレーザ光のうち、片側の変調周波数近傍のみを透過する第２の光バンドパスフィルタ５と、第１及び第２の光バンドパスフィルタ４、５の出力光を合成する光合波器６とを設けた。
【選択図】図１

Description

この発明は、変調光から不要周波数成分を光バンドパスフィルタにより抑圧したり、レーザ光の強度雑音成分を光ノッチフィルタにより抑圧したりする高周波信号光伝送装置に関するものである。

従来の光信号にマイクロ波などの無線信号を伝送する高周波信号光伝送装置では、半導体レーザに直流電流でバイアスを与えて無線信号で直接変調し、その変調光を光ファイバで伝送した後、フォトダイオードで直接検波することにより、無線信号を復調していた（例えば、非特許文献１参照）。

「エレクトロニクス」、オーム社、２０００年９月号、２０ページ、２８ページ

従来の高周波信号光伝送装置におけるダイナミックレンジは、雑音強度と、歪みによって発生する高調波及び相互変調歪み成分により制限されている。ここで、雑音レベルが平均光強度にのみ依存すると、光強度一定の元で信号−雑音強度比を上げるためには、変調信号の強度を高めれば良いが、通常、レーザの変調電流に対して出力光強度は非線形性があるため、変調信号の強度を高めると、信号強度の増加量に対して、高次の歪み成分は大きく増加する。そのため、変調信号の強度をむやみに強くすることができず、雑音、歪みに対する要求を両立させることが難しいという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、レーザの非線形性による高次の歪み成分を抑圧することによってダイナミックレンジの向上を図ることができ、レーザ光源の強度雑音成分の抑圧、光副搬送波、変調波の強度制御などによってダイナミックレンジの向上を図ることができる高周波信号光伝送装置を得るものである。

この発明に係る高周波信号光伝送装置は、外部からのマイクロ波信号により変調されたレーザ光を出射するレーザと、前記レーザから出射したレーザ光を２つに分岐する光分波器と、前記光分波器により分波された一方のレーザ光のうち、前記レーザの発振周波数近傍のみを透過する第１の光バンドパスフィルタと、前記光分波器により分波された他方のレーザ光のうち、片側の変調周波数近傍のみを透過する第２の光バンドパスフィルタと、前記第１及び第２の光バンドパスフィルタの出力光を合成する光合波器とを設けたものである。

この発明に係る高周波信号光伝送装置は、レーザの非線形性による高次の歪み成分を抑圧することによってダイナミックレンジの向上を図ることができ、レーザ光源の強度雑音成分の抑圧、光副搬送波、変調波の強度制御などによってダイナミックレンジの向上を図ることができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る高周波信号光伝送装置について図１を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る高周波信号光伝送装置の光変調部分の構成と各構成要素の光スペクトルを示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この実施の形態１に係る高周波信号光伝送装置は、マイクロ波信号発生器１からのマイクロ波信号を変調信号として入力し、変調光を出力するレーザ２と、レーザ２から出射したレーザ光を２つに分岐する光分波器３と、光分波器３で分波された一方のレーザ光に対し発振周波数近傍のみを透過する第１の光バンドパスフィルタ（第１の光ＢＰＦ）４と、光分波器３で分波された他方のレーザ光に対し、レーザ２から出射したマイクロ波変調された変調光のうち片側の変調周波数近傍のみを透過する第２の光バンドパスフィルタ（第２の光ＢＰＦ）５と、第１のバンドパスフィルタ４の出力光と第２のバンドパスフィルタ５の出力光とを合成する光合波器６とが設けられている。

つぎに、この実施の形態１に係る高周波信号光伝送装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図１において、マイクロ波信号発生器１より出力された無線信号である周波数ｆ_ｒｆのマイクロ波信号により、レーザ２を直接変調する。ここで、レーザ２の発振周波数をｆ_ｃとすると、マイクロ波信号ｆ_ｒｆで変調されることにより、レーザ２から出力する光には、周波数ｆ_ｃの他にｆ_ｃ±ｆ_ｒｆ、さらに、レーザ２の入出力特性の非線形性により、ｆ_ｃ±２ｆ_ｒｆ、ｆ_ｃ±３ｆ_ｒｆ、・・・の成分が存在する。

なお、図１中、マイクロ波信号発生器１からのマイクロ波信号のスペクトルを１０１に、マイクロ波信号ｆ_ｒｆで変調されたレーザ２の出力光のスペクトルを１０２に、第１の光ＢＰＦ４の透過帯域を１０３に、第２の光ＢＰＦ５の透過帯域を１０４に、第１の光ＢＰＦ４を透過した変調光ｆ_ｃのスペクトルを１０５に、第２の光ＢＰＦ５を透過した変調光ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆのスペクトルを１０６に、光合波器６で合成され、出力された光副搬送波信号ｆ_ｃと変調信号光ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆのスペクトルの概要を１０７に示す。

レーザ２から出射した変調光を光分波器３により２つに分岐する。分岐した片方の分岐光は、周波数ｆ_ｃ近傍を透過帯域とする第１の光ＢＰＦ４に入射する。第１の光ＢＰＦ４により、光ＢＰＦ４に入射した多数の周波数スペクトル成分のうち、周波数ｆ_ｃの光のみが出力される。

一方、光分波器３で分岐した他方の分岐光は、周波数ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆ近傍を透過帯域とする第２の光ＢＰＦ５に入射する。第２の光ＢＰＦ５により、第２の光ＢＰＦ５に入射した多数の周波数スペクトル成分のうち、周波数ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆのマイクロ波により変調された成分のみが出力される。

第１の光ＢＰＦ４を透過した光と、第２の光ＢＰＦ５を透過した光は、光合波器６により合成されて出力される。出力光は周波数ｆ_ｃとｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆの２種類の周波数成分のみとなる。これが、光ファイバを伝送した後、フォトダイオードで二乗検波されると、ＤＣ成分の他には周波数ｆ_ｒｆ成分のみが出力される。

以上のように、光副搬送波と片側の変調波（ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆ）のみを出力し、逆側の変調波（ｆ_ｃ−ｆ_ｒｆ）及び高次の変調波ｆ_ｃ±２ｆ_ｒｆ、ｆｃ±３ｆ_ｒｆ、・・・を抑圧するので、これをフォトダイオードで二乗検波しても、高調波や歪み成分は発生しないので、変調度を高くすることが可能となり、ダイナミックレンジの向上を図ることができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る高周波信号光伝送装置について図１を参照しながら説明する。

上記の実施の形態１において、第１の光ＢＰＦ４と第２の光ＢＰＦ５として、分布帰還型構造（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）あるいは、分布反射型構造（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）の光ＢＰＦを用いてもよい。

ＤＦＢ型、あるいはＤＢＲ型の光ＢＰＦは、回折格子が形成されている活性層へのキャリア注入により、光の透過帯域をチューニングすることが可能となり、レーザ２の発振波長の変動への対応、様々なマイクロ波周波数への対応が可能である。

また、ＤＦＢ型、あるいはＤＢＲ型の光ＢＰＦは、レーザ２と同一基板上に形成しても良い。これにより、例えば、温度変動によりレーザ２の発振波長がシフトした時、光ＢＰＦ４、５の透過帯域も同様にシフトするため、レーザ２の発振波長と光ＢＰＦ４、５の変動量の差を低減することが可能である。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る高周波信号光伝送装置について説明する。

上記の実施の形態２において、ＤＦＢ型、あるいはＤＢＲ型の光ＢＰＦをゲイン媒質により構成しても良い。これにより、ゲイン媒質への注入電流により第１の光ＢＰＦ４及び第２の光ＢＰＦ５を透過する光を各々独立に増幅させることが可能となる。

これにより、光副搬送波信号ｆ_ｃと変調信号光ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆの強度を制御可能となる。光副搬送波信号ｆ_ｃと変調信号光ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆの強度の和が一定値以下の場合、光副搬送波信号ｆ_ｃと変調信号光ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆの強度が等しい時に光電変換された出力電気信号の強度は最大、つまりダイナミックレンジ最大となるが、容易にこのような条件にすることが可能である。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る高周波信号光伝送装置について図２を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態４に係る高周波信号光伝送装置の光変調部分の構成と各構成要素の光スペクトルを示す図である。

図２において、この実施の形態２に係る高周波信号光伝送装置は、マイクロ波信号発生器１からのマイクロ波信号を変調信号として入力し、変調光を出力するレーザ２と、レーザ２から出射した無変調光成分と、マイクロ波信号発生器１からのマイクロ波信号で変調された、変調光の片側の変調周波数近傍のみを透過する光バンドパスフィルタ（光ＢＰＦ）１０とが設けられている。

つぎに、この実施の形態４に係る高周波信号光伝送装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図２において、上記の実施の形態１及び図１と同一の部分は、説明を省略する。

図２において、マイクロ波信号発生器１より出力された無線信号である周波数ｆ_ｒｆのマイクロ波信号により、レーザ２を直接変調する。ここで、レーザ２の発振周波数をｆ_ｃとすると、マイクロ波信号ｆ_ｒｆで変調されることにより、レーザ２から出力する光には、周波数ｆ_ｃの他にｆ_ｃ±ｆ_ｒｆ、さらに、レーザ２の入出力特性の非線形性により、ｆ_ｃ±２ｆ_ｒｆ、ｆ_ｃ±３ｆ_ｒｆ、・・・の成分が存在する。

レーザ出射光は、周波数ｆ_ｃからｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆ近傍を透過帯域とする光ＢＰＦ１０に入射する。光ＢＰＦ１０により、光ＢＰＦ１０に入射した多数の周波数スペクトル成分のうち、周波数ｆ_ｃ及びｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆの光のみが出力される。

なお、図２中、マイクロ波信号発生器１からの出力信号のスペクトルを１０１に、マイクロ波信号ｆ_ｒｆで変調されたレーザ光のスペクトルを１０２に、光ＢＰＦ１０の透過帯域を１１０に、光ＢＰＦ１０から出力された光副搬送波信号ｆ_ｃと変調信号光ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆのスペクトルの概要を１１１に示す。

これにより、上記実施の形態１と同様に、光副搬送波と片側の変調波（ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆ）のみを出力し、逆側の変調波（ｆ_ｃ−ｆ_ｒｆ）及び高次の変調波ｆ_ｃ±２ｆ_ｒｆ、ｆ_ｃ±３ｆ_ｒｆ、・・・を抑圧するので、これをフォトダイオードで二乗検波しても、高調波や歪み成分は発生しないので、変調度を高くすることが可能となり、ダイナミックレンジの向上を図ることができる。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る高周波信号光伝送装置について説明する。

上記の実施の形態１〜４において、レーザ２をマイクロ波信号発生器１の出力で直接変調を行っているが、レーザ２を連続波（ＣＷ）で発振させて、出力光に対して、外部変調を行っても良い。

外部変調用の装置としては、電界吸収型（ＥＡ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）、ＬｉＮｂＯ_３基板によるマッハチェンダー型光変調器を用いてもよい。

実施の形態６．
この発明の実施の形態６に係る高周波信号光伝送装置について図３を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態６に係る高周波信号光伝送装置の光変調部分の構成と各構成要素の光スペクトルを示す図である。

図３において、この実施の形態６に係る高周波信号光伝送装置は、連続波を放射するレーザ２と、レーザ２の連続波の周波数からマイクロ波周波数だけオフセットした周波数近傍の成分を抑圧する光ノッチフィルタ２０と、光ノッチフィルタ２０の出力光にマイクロ波信号発生器１からのマイクロ波周波数で変調を行う外部変調器３０とが設けられている。

つぎに、この実施の形態６に係る高周波信号光伝送装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図３において、上記実施の形態１及び図１と同一の部分は説明を省略する。

レーザ２は、周波数ｆ_ｃの光を出力する。この時、出力光にはレーザ２の相対強度雑音成分１２３も同時に出力される。このときのレーザ２の出力光の周波数特性を図３中の１２０に模式的に示す。通常のＤＦＢ−ＬＤでは、相対強度雑音１２３の強度は、周波数ｆ_ｃの光強度に対し、−１３０〜−１６０ｄＢ／Ｈｚ程度である。

レーザ２から出射したレーザ光は、周波数ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆ近傍の周波数に対する光ノッチフィルタ２０に入射する。この光ノッチフィルタ２０に入射したレーザ光（周波数ｆ_ｃの副搬送波および強度雑音成分）から、ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆ近傍の強度が抑圧される。

光ノッチフィルタ２０の出力光は、外部変調器３０に入力し、マイクロ波信号発生器１から入力した無線信号である周波数ｆ_ｒｆのマイクロ波で変調される。この外部変調器３０としては、電界吸収型（ＥＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）型、ＬｉＮｂＯ_３基板によるマッハチェンダー型光変調器などが実用化されている。

ここでは、片側波帯変調（ＳＳＢ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｉｄｅ Ｂａｎｄ）で説明すると、外部変調器３０の出力光の周波数スペクトルは１２２のようになる。

これが、光ファイバなどで伝送された後、フォトダイオードで二乗検波されると、電気信号は各周波数のクロスタームとなる。この時、マイクロ波信号発生器１から入力したマイクロ波信号ｆ_ｒｆの強度は、フォトダイオード入力光のｆ_ｃ及びｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆの振幅の積に比例する。この時、周波数ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆ近傍では、レーザ２の強度雑音成分１２３が抑圧されており、光電変換された電気信号の内、光源の相対強度雑音に起因する雑音を低減することができるので、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の高い高周波信号光伝送装置を実現することができる。

実施の形態７．
この発明の実施の形態７に係る高周波信号光伝送装置について図４を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態７に係る高周波信号光伝送装置の光変調部分の構成と各構成要素の光スペクトルを示す図である。

図４において、この実施の形態７に係る高周波信号光伝送装置は、連続波を放射するレーザ２と、レーザ２の連続波の周波数近傍を透過帯域とする光バンドパスフィルタ（光ＢＰＦ）２１と、光バンドパスフィルタ２１の出力光にマイクロ波信号発生器１からのマイクロ波周波数で変調を行う外部変調器３０とが設けられている。

つぎに、この実施の形態７に係る高周波信号光伝送装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図４において、上記実施の形態６及び図３と同一の部分は説明を省略する。

レーザ２から出射したレーザ光は、周波数ｆ_ｃ近傍の周波数を透過する光ＢＰＦ２１に入射する。光ＢＰＦ２１に入射したレーザ光（周波数ｆ_ｃの副搬送波及び強度雑音成分）からは、１２４の如く周波数ｆ_ｃ近傍以外の強度が抑圧される。

光ＢＰＦ２１の出力光は、外部変調器３０に入射し、マイクロ波信号発生器１から入力した無線信号である周波数ｆ_ｒｆのマイクロ波で変調される。片側波帯（ＳＳＢ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｉｄｅ Ｂａｎｄ）変調の場合は、外部変調器３０の出力光の周波数スペクトルは、１２５のように、ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆに変調光が発生する。両側波帯（ＤＳＢ：Ｄｏｕｂｌｅ Ｓｉｄｅ Ｂａｎｄ）変調の場合は、ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆの他に、ｆ_ｃ−ｆ_ｒｆに変調光が発生する。

これが、光ファイバなどで伝送された後、フォトダイオードで二乗検波されると、電気信号は各周波数のクロスタームとなる。この時、マイクロ波信号発生器１から入力したマイクロ波信号ｆ_ｒｆの強度は、フォトダイオード入力光のｆ_ｃ及びｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆの振幅の積に比例する。この時、周波数ｆ_ｃ＋ｆ_ｒｆ近傍では、レーザ２の強度雑音成分１２３が抑圧されており、光電変換された電気信号の内、光源の相対強度雑音に起因する雑音を低減することができるので、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）の高い高周波信号光伝送装置を実現することができる。

なお、上記の実施の形態１〜７において、マイクロ波信号発生器１から周波数ｆ_ｒｆのみで変調を行ったが、周波数ｆ_ｒｆに加え、周波数が近接したｆ_ｒｆ１、ｆ_ｒｆ２など、複数の信号を多重しても良いことは、言うまでもない。

また、上記の各実施の形態では、光ＢＰＦの前段（光源側）に光アイソレータ、もしくは光サーキュレータを挿入しても良い。これにより、光ＢＰＦで反射された光は、レーザ光の発振を不安定化させるレーザへの戻り光とならない。

さらに、上記の各実施の形態において、光ＢＰＦや光ノッチフィルタとしては、上記各実施の形態で述べた透過特性等を得る物であれば、アレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ）、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）、エタロン、誘電体多層膜など、光ＢＰＦ、光ノッチフィルタの実現手段によらないことは言うまでもない。

この発明の実施の形態１に係る高周波信号光伝送装置の光変調部分の構成と各構成要素の光スペクトルを示す図である。 この発明の実施の形態４に係る高周波信号光伝送装置の光変調部分の構成と各構成要素の光スペクトルを示す図である。 この発明の実施の形態６に係る高周波信号光伝送装置の光変調部分の構成と各構成要素の光スペクトルを示す図である。 この発明の実施の形態７に係る高周波信号光伝送装置の光変調部分の構成と各構成要素の光スペクトルを示す図である。

符号の説明

１ マイクロ波信号発生器、２ レーザ、３ 光分波器、４ 第１の光バンドパスフィルタ、５ 第２の光バンドパスフィルタ、６ 光合波器、１０ 光バンドパスフィルタ、２０ 光ノッチフィルタ、２１ 光バンドパスフィルタ、３０ 外部変調器。

Claims (8)

1. 外部からのマイクロ波信号により変調されたレーザ光を出射するレーザと、
   前記レーザから出射したレーザ光を２つに分岐する光分波器と、
   前記光分波器により分波された一方のレーザ光のうち、前記レーザの発振周波数近傍のみを透過する第１の光バンドパスフィルタと、
   前記光分波器により分波された他方のレーザ光のうち、片側の変調周波数近傍のみを透過する第２の光バンドパスフィルタと、
   前記第１及び第２の光バンドパスフィルタの出力光を合成する光合波器と
   を備えたことを特徴とする高周波信号光伝送装置。
2. 前記第１及び第２の光バンドパスフィルタは、活性層へのキャリア注入により光の透過周波数を制御することができる分布帰還型構造フィルタ又は分布反射型構造フィルタを用いる
   ことを特徴とする請求項１記載の高周波信号光伝送装置。
3. 前記分布帰還型構造フィルタ又は分布反射型構造フィルタをゲイン媒質により構成し、
   前記ゲイン媒質への注入電流制御により、前記第１及び第２の光バンドパスフィルタの透過光の強度を独立に制御する
   ことを特徴とする請求項２記載の高周波信号光伝送装置。
4. 外部からのマイクロ波信号により変調されたレーザ光を出射するレーザと、
   前記レーザから出射した無変調光成分及び変調光の片側の変調周波数近傍のみを透過する光バンドパスフィルタと
   を備えたことを特徴とする高周波信号光伝送装置。
5. 連続波を放射するレーザと、
   前記レーザからの連続波の周波数からマイクロ波信号の周波数だけオフセットした周波数近傍の成分を抑圧する光ノッチフィルタと、
   前記光ノッチフィルタの出力光に外部からのマイクロ波信号の周波数で変調を行う外部変調器と
   を備えたことを特徴とする高周波信号光伝送装置。
6. 連続波を放射するレーザと、
   前記レーザからの連続波の周波数近傍を透過する光バンドパスフィルタと、
   前記光バンドパスフィルタの出力光に外部からのマイクロ波信号の周波数で変調を行う外部変調器と
   を備えたことを特徴とする高周波信号光伝送装置。
7. 前記光バンドパスフィルタもしくは光ノッチフィルタは、アレイ導波路グレーティングを用いる
   ことを特徴とする請求項１、４、５又は６記載の高周波信号光伝送装置。
8. 前記光バンドパスフィルタもしくは光ノッチフィルタは、ファイバブラッググレーティングを用いる
   ことを特徴とする請求項１、４、５又は６記載の高周波信号光伝送装置。

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