JP2007163963A - ミリ波発生用光源および光ミリ波信号発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光変調器のバイアス電圧を自動で制御して安定した光ミリ波信号を発生する。
【解決手段】光変調器１においてシングルモードレーザ光を周波数ｆh（所望の周波数ｆの１／２）の 高周波信号で変調することにより、光キャリア信号ｆcとサイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhを含む光信号が出力されるので、その光信号からサイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhを抽出し、合波する。これにより、所望の周波数ｆの光ミリ波信号を得ることができる。また、第３の光バンドパスフィルタ２３により、光変調器１において変調された光信号から光キャリア信号ｆcを抽出し、その光キャリア信号ｆcの強さが最小となるように、ＤＣバイアス電源４を自動で制御する。これにより、最適なバイアス電圧を維持することができるので、安定した光ミリ波信号の発生が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミリ波の発生に用いる光ミリ波信号を発生する技術に関する。

近年、電波天体観測やイメージングの分野において、１００ＧＨｚを超える領域でのミリ波を発生する技術が注目されている。特に、低ノイズで、広い周波数領域をカバーする周波数可変なミリ波発生器は、電波天体観測用機器には必須となっている。

ところが、従来の全電気的な手法では、周波数が１００ＧＨｚを超える電磁波の発生は困難となる。また、ミリ波帯の発信器や逓倍器で使用されている電気回路は共振回路を用いているため可変領域は限られている。

そこで、ミリ波領域の周波数で強度変調した光信号（光ミリ波信号）を発生し、その光ミリ波信号を光電変換することにより電磁波を発生させる手法が検討されている。

光ミリ波信号を発生する方法としては、図７に示すように、固定波長光源７１および可変波長光源７２の出力を偏波コントローラ７３、７４により偏波をそろえて、光カプラ７５により合波して光ミリ波信号を発生する方法があるが、２つのレーザの同期を取ることが困難であるため、位相ノイズが大きく、周波数ドリフトも大きくなる。

また、コヒーレントな光ミリ波信号を発生する手段としては、モードロックレーザなどレーザの共振器を利用したものが知られているが、これらレーザの周波数の可変領域は小さい。

可変領域が大きく、安定した光ミリ波光源として、図８に示す、光変調器によるサイドバンド形成および光分波・合波による光ヘテロダイン法を用いた光源が知られている。

図８に示す光源は、光変調器１、シングルモードレーザ２、シンセサイザ３、ＤＣバイアス電源４、第１の光カプラ１１、第１、第２の光バンドパスフィルタ２１、２２および第２の光カプラ１２を有する。光変調器１により、シングルモードレーザ２から出力された光信号を、シンセサイザ３において発生する周波数ｆh（所望のミリ波の周波数ｆの１／２）の高周波信号で変調することで、光キャリア信号ｆcと周波数間隔ｆhのサイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhとを含む光信号が出力される。この光信号を第１の光カプラ１１で２つに分波し、第１、第２の光バンドパスフィルタ２１、２２に入力して２つのサイドバンド信号を抽出する。抽出した２つのサイドバンド信号を第２の光カプラ１２により合波することで、所望の周波数ｆで変調された光ミリ波信号を得ることができる。

図８に示す光源により発生した光ミリ波信号の周波数安定度は、シングルモードレーザ光の変調に用いたシンセサイザ３の安定度とほぼ同程度の安定度を有している。また、変調に用いる高周波信号の周波数を変えることにより、発生する光ミリ波信号の周波数を変えることが可能である。

通常、この方法では、サイドバンド信号の強度を強めるため、図９の点Ａに示すように、光変調器１に接続されたＤＣバイアス電源４の電圧を設定し、光キャリア信号ｆcを抑圧するキャリア抑圧変調を用いる。図９は、光変調器１の静特性を示しており、横軸は印加する直流バイアス電圧を、縦軸は光透過率を表している。

しかし、光変調器１の静特性は、温度変化や使用時間により変化するため、長時間使用する際には、設定したバイアス電圧が最適値から外れ、サイドバンド信号の強度が弱くなり、発生する光ミリ波信号のＳ／Ｎ比が低下してしまうという問題がある。

このようなバイアス点のずれを防止するため、常に最適なバイアス電圧となるようなオートバイアスコントロール機能が求められる。図１０は、光変調器１０１を光通信でのデータ信号変調用に使用する場合のオートバイアスコントロール機能を有する装置の構成を示すブロック図である。データ信号変調では、バイアス電圧が最適値からずれると光信号の変調度が低下し、光信号段での信号波形の歪が生じるので、受信器においてエラーフリー伝送を得るためには、より大きな受光パワーが必要とされる。光信号の変調度を最大にするためには、光透過率が図９の点Ｂで示される中間点になるようにバイアス電圧を制御する必要がある。

図１０に示すオートバイアスコントロール機能は、データ変調信号とは別に１０ｋＨｚ程度の変調信号を光変調器１０１に入力し、光変調器１０１の出力の一部を分波して、モニタ用フォトダイオード１０５により電気信号に変換し、フィードバック回路１０６により、１０ｋＨｚの信号成分が常に最大になるように、ＤＣ電圧源１０４を制御することで、バイアス点のずれを防止するものである。なお、光変調器の動作点の制御を行う技術として、特許文献１に記載のものが知られている。
特開２００５−９１５１７号公報

しかしながら、図１０に示す構成では、光透過率は、図９の点Ｂで示される中間点となるようにバイアス電圧を設定するため、光透過率が０となるようにバイアス電圧を設定するキャリア抑圧変調用には、図１０に示す構成のオートバイアスコントロール機能を使用することができない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、キャリア抑圧変調法を用いたミリ波発生用光源において、光変調器のバイアス電圧を自動で制御し、安定した光ミリ波信号を発生することにある。

本発明に係るミリ波発生用光源は、シングルモードレーザ光を出力するレーザ出力手段と、所望のミリ波周波数の半分の周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生手段と、シングルモードレーザ光を高周波信号で変調することにより、光キャリア信号とサイドバンド信号を含む光信号を出力する光変調手段と、光キャリア信号の強度を調節するための光変調手段に接続されたＤＣバイアス電源と、光信号からサイドバンド信号を抽出する第１、第２の抽出手段と、光信号から光キャリア信号を抽出する第３の抽出手段と、第１、第２の抽出手段から出力されるサイドバンド信号を合波する合波手段と、第３の抽出手段から出力される光キャリア信号の強度が最小となるようにＤＣバイアス電源を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明にあっては、光変調器において、シングルモードレーザ光を高周波信号で変調してサンドバンド信号を含む光信号を発生させ、そのサイドバンド信号を抽出して合波することで、光ミリ波信号を発生することができる。また、光変調器から出力される光信号から光キャリア信号を抽出し、その光キャリア信号の強度が最小となるように、光変調器に接続されたＤＣバイアス電源を制御することにより、安定した光ミリ波信号を発生することが可能となる。

本発明によれば、キャリア抑圧変調法を用いたミリ波発生用光源において、光変調器のバイアス電圧を自動で制御し、安定した光ミリ波信号を発生することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本実施の形態におけるミリ波発生用光源の構成を示すブロック図である。同図に示すミリ波発生用光源は、図８に示したものに対して、光キャリア信号ｆcを抽出する第３の光バンドパスフィルタ２３と、光信号の強さを電流量に変換するモニタ用フォトダイオード５と、ＤＣバイアス電源４を制御するフィードバック回路６とを備えたものであり、その他の構成および作用は、図８に示したものと同じである。

図８を用いて説明したように光ミリ波信号を発生するとともに、光変調器１から出力された光信号を第１の光カプラ１１により分波し、第３の光バンドパスフィルタ２３により光キャリア信号ｆcを抽出し、モニタ用フォトダイオード５により光キャリア信号ｆcの強さを電流量に変換する。フィードバック回路６は、変換された電流量が常に最小となるように、ＤＣバイアス電源４を制御する。これにより、光変調器１から出力される光信号に含まれる光キャリア信号ｆcの強度を常に最小とすることができる。

したがって、本実施の形態によれば、光変調器１においてシングルモードレーザ光を周波数ｆh（所望の周波数ｆの１／２）の高周波信号で変調することにより、光キャリア信号ｆcとサイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhを含む光信号が出力されるので、その光信号からサイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhを抽出し、合波して所望の周波数ｆの光ミリ波信号を得ることができる。

また、第３の光バンドパスフィルタ２３により、光変調器１において変調された光信号から光キャリア信号ｆcを抽出し、その光キャリア信号ｆcの強さが最小となるように、ＤＣバイアス電源４を自動で制御することで、温度変化や経時変化により光変調器１の静特性が変化しても、キャリア抑圧変調を行うために最適なバイアス電圧を維持することができるので、安定した光ミリ波信号の発生が可能となる。

［第２の実施の形態］
図２は、本実施の形態におけるミリ波発生用光源の構成を示すブロック図である。同図に示すミリ波発生用光源は、図８に示したものに対して、第３の光カプラ１３と、モニタ用フォトダイオード５と、フィードバック回路６とを備えたものであり、その他の構成および作用は、図８に示したものと同じである。

図８を用いて説明したように光ミリ波信号を発生するとともに、第２の光バンドパスフィルタ２２と第２の光カプラ１２の間に配置された第３の光カプラにより、第２の光バンドパスフィルタ２２において抽出したサイドバンド信号ｆc＋ｆhを分波し、サイドバンド信号ｆc＋ｆhの強さをモニタ用フォトダイオード５により電流量に変換する。フィードバック回路６は、変換された電流量が常に最大となるように、ＤＣバイアス電源４を制御する。これにより、光変調器１から出力される光信号に含まれるサイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhの強度を常に最大とすることができる。

したがって、本実施の形態によれば、フィードバック回路６が、抽出したサイドバンド信号ｆc＋ｆhの強さが常に最大となるように、ＤＣバイアス電源４を自動で制御することで、温度変化や経時変化により光変調器１の静特性が変化しても、キャリア抑圧変調を行うために最適なバイアス電圧を維持することができ、安定した光ミリ波信号の発生が可能となる。

なお、本実施の形態においては、第２の光バンドパスフィルタ２２により抽出したサイドバンド信号ｆc＋ｆhの強さが最大となるようにバイアス電圧を制御したが、第３の光カプラを第１の光バンドパスフィルタ２１と第２の光カプラ１２の間に設置し、第１の光バンドパスフィルタ２１により抽出されるサイドバンド信号ｆc−ｆhの強さが最大となるようにバイアス電圧を制御してもよい。

［第３の実施の形態］
図３は、本実施の形態におけるミリ波発生用光源の構成を示すブロック図である。同図に示すミリ波発生用光源は、図１に示したものに対して、第１の光カプラ１１と第１、第２および第３の光バンドパスフィルタ２１、２２、２３をアレイ導波路回折格子７（AWG:Arrayed Waveguide Grating）に置き換えたものである。

アレイ導波路回折格子７の入力導波路から入力された光は、伝搬するアレイ導波路の長さの差により生じた位相差により、その波長ごとに異なる出力導波路に到達し、分波されて出力される。したがって、光変調器１から出力された光信号をアレイ導波路回折格子７に入力すると、波長の異なる光キャリア信号ｆcとサイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhは、アレイ導波路回折格子７で分波し、出力されるので、図８および図１を用いて説明したように、分波されたサイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhを合波して光ミリ波信号を発生するとともに、光キャリア信号ｆcが最小となるようにＤＣバイアス電源４を制御することができる。

アレイ導波路回折格子７の出力チャネル間隔は、光信号の変調に用いた高周波信号の周波数ｆhと等しければ望ましいが、周波数ｆhと等しくなくても、光キャリア信号ｆcとサイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhのそれぞれが分波されるものであれば良い。

したがって、本実施の形態によれば、第１の光カプラ１１と第１、第２および第３の光バンドパスフィルタ２１、２２、２３をアレイ導波路回折格子７で構成することにより、オートバイアスコントロールに必要な部品点数を減らすことができる。

なお、図２に示したミリ波発生用光源に対して、第１の光カプラ１１と第１、第２の光バンドパスフィルタ２１、２２をアレイ導波路回折格子７に置き換えてもよい。

［第４の実施の形態］
図４は、本実施の形態におけるミリ波発生用光源の構成を示すブロック図である。同図に示すミリ波発生用光源は、図３に示したもののうち、アレイ導波路回折格子７と第２の光カプラ１２を平面光波回路８（PLC:Planar Lightwave Circuit）に形成したものである。

平面光波回路８は、シリコンや石英基板上に光回路を形成し、光信号の合波・分波など各種機能を実現するものである。図３のようにアレイ導波路回折格子７と第２の光カプラ１２を光ファイバで接続すると、温度変化などにより分波されたサイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhの光路長差が変動し、両サイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhの位相差が変動するので、発生する光ミリ波信号の位相が変動して、位相雑音が増加してしまう。アレイ導波路回折格子７と第２の光カプラ１２を同一の平面光波回路８に形成することで、温度変化により平面光波回路８が伸縮しても両サイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhが通過する光路長差は０であるので、発生する光ミリ波信号の位相の変動は抑えられる。

したがって、本実施の形態によれば、アレイ導波路回折格子７と第２の光カプラ１２を同一の平面光波回路８に形成することにより、温度変化によって光路長が変化しても、両サイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhが通過する光路長差を０とすることができるので、発生する光ミリ波信号の位相の変動は抑えることができる。

［第５の実施の形態］
図５は、本実施の形態におけるミリ波発生用光源の構成を示すブロック図である。同図に示すミリ波発生用光源は、図４に示したものに対し、光変調器１から出力される光信号を分波する第４の光カプラ１４を備え、アレイ導波路回折格子７に複数の入力チャネルを設けたものである。

図４に示したものでは、光キャリア信号ｆcを出力する光導波路は、サイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhを出力する光導波路のうちいずれか１つと交差する必要があった。平面光波回路８上における光導波路の交差には、大きな面積が必要であり、チャネル間のクロストークが大きくなるなどの欠点がある。アレイ導波路回折格子７に２つの入力チャネルを設け、一方の入力チャネルに入力した光信号からは、サイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhの出力を選択し、他方の入力チャネルに入力した光信号からは、光キャリア信号ｆcの出力を選択することにより、図５に示すように、アレイ導波路回折格子７から出力された光信号は交差する必要がない。

したがって、本実施の形態によれば、光変調器１から出力される光信号を分波し、アレイ導波路回折格子７に設けた複数の入力チャネルに別々に入力することにより、一方の入力チャネルに入力された光信号からは、サイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhの出力を選択し、他方の入力チャネルに入力された光信号からは、光キャリア信号ｆcの出力を選択することができるので、平面光波回路８に形成される光導波路を交差する必要がなくなる。

［第６の実施の形態］
図６は、本実施の形態におけるミリ波発生用光源の構成を示すブロック図である。同図に示すミリ波発生用光源は、図５に示したもののうち、第４の光カプラを平面光波回路８に形成したものである。

したがって、本実施の形態によれば、第４の光カプラも同一の平面光波回路８に形成することにより、オートバイアスコントロールに必要な部品点数を減らすことができる。

なお、いずれの実施の形態においても、ミリ波発生用光源は全て偏波を保持する部品で構成されているが、全て又は一部の構成部品で偏波を保持しないものを用いた場合は、サイドバンド信号を合波して光ミリ波信号を出力するための光カプラの直前において、偏波コントローラによりサイドバンド信号の偏波をそろえる必要がある。

また、いずれの実施の形態においても、光キャリア信号ｆcからｆh離れたサイドバンド信号ｆc−ｆh、ｆc＋ｆhを抽出して光ミリ波信号を発生したが、より強度の強い高周波信号を入力し、複数のサイドバンド信号を発生させて、周波数が２×Ｎ×ｆh（Ｎは自然数）離れたサイドバンド信号を抽出し、合波することにより、２×Ｎ×ｆhの周波数の光ミリ波信号を発生させてもよい。

第１の実施の形態におけるミリ波発生用光源の構成を示すブロック図である。 第２の実施の形態におけるミリ波発生用光源の構成を示すブロック図である。 第３の実施の形態におけるミリ波発生用光源の構成を示すブロック図である。 第４の実施の形態におけるミリ波発生用光源の構成を示すブロック図である。 第５の実施の形態におけるミリ波発生用光源の構成を示すブロック図である。 第６の実施の形態におけるミリ波発生用光源の構成を示すブロック図である。 従来のミリ波発生用光源の構成を示すブロック図である。 別の従来のミリ波発生用光源の構成を示すブロック図である。 光変調器のバイアス電圧に対する光透過率を示す図である。 データ信号変調用のオートバイアスコントロール機能を有する装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…光変調器
２…シングルモードレーザ
３…シンセサイザ
４…ＤＣバイアス電源
５…モニタ用フォトダイオード
６…フィードバック回路
７…アレイ導波路回折格子
８…平面光波回路
１１，１２，１３，１４…光カプラ
２１，２２，２３…光バンドパスフィルタ

Claims (9)

1. シングルモードレーザ光を出力するレーザ出力手段と、
   所望のミリ波周波数の半分の周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生手段と、
   前記シングルモードレーザ光を前記高周波信号で変調することにより、光キャリア信号とサイドバンド信号を含む光信号を出力する光変調手段と、
   前記光キャリア信号の強度を調節するための前記光変調手段に接続されたＤＣバイアス電源と、
   前記光信号から前記サイドバンド信号を抽出する第１、第２の抽出手段と、
   前記光信号から前記光キャリア信号を抽出する第３の抽出手段と、
   前記第１、第２の抽出手段から出力されるサイドバンド信号を合波する合波手段と、
   前記第３の抽出手段から出力される光キャリア信号の強度が最小となるように前記ＤＣバイアス電源を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とするミリ波発生用光源。
2. シングルモードレーザ光を出力するレーザ出力手段と、
   所望のミリ波周波数の半分の周波数の高周波信号を発生する高周波信号発生手段と、
   前記シングルモードレーザ光を前記高周波信号で変調することにより、光キャリア信号とサイドバンド信号を含む光信号を出力する光変調手段と、
   前記光キャリア信号の強度を調節するための前記光変調手段に接続されたＤＣバイアス電源と、
   前記光信号から前記サイドバンド信号を抽出する第１、第２の抽出手段と、
   前記第１、第２の抽出手段から出力される前記サイドバンド信号を合波する合波手段と、
   前記第１または第２の抽出手段から出力されるサイドバンド信号の強度が最大となるように前記ＤＣバイアス電源を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とするミリ波発生用光源。
3. 前記第１、第２および第３の抽出手段がアレイ導波路回折格子であることを特徴とする請求項１に記載のミリ波発生用光源。
4. 前記第１、第２の抽出手段がアレイ導波路回折格子であることを特徴とする請求項２に記載のミリ波発生用光源。
5. 前記アレイ導波路回折格子と前記合波手段を同一の平面光波回路に形成したことを特徴とする請求項３又は４に記載のミリ波発生用光源。
6. 前記光変調手段の出力を分波する分波手段と、
   前記分波手段により分波した光信号を入力する複数の入力チャネルを備えるとともに、前記サイドバンド信号と前記光キャリア信号を別々に出力する複数の出力チャネルを備えた前記アレイ導波路回折格子と、を有し、
   前記アレイ導波路回折格子と前記合波手段を同一の平面光波回路に光導波路を交差することなく形成したことを特徴とする請求項３に記載のミリ波発生用光源。
7. 前記分波手段を同一の前記平面光波回路に形成したことを特徴とする請求項６に記載のミリ波発生用光源。
8. シングルモードレーザ光を発生するステップと、
   所望のミリ波周波数の半分の周波数の高周波信号を発生するステップと、
   前記シングルモードレーザ光を前記高周波信号で変調することにより、光キャリア信号とサイドバンド信号を含む光信号を出力するステップと、
   前記光信号から前記サイドバンド信号を抽出するステップと、
   前記光信号から前記光キャリア信号を抽出するステップと、
   抽出した２つのサイドバンド信号を合波するステップと、
   抽出した光キャリア信号の強度が最小となるように制御するステップと、
   を有することを特徴とする光ミリ波信号発生方法。
9. シングルモードレーザ光を発生するステップと、
   所望のミリ波周波数の半分の周波数の高周波信号を発生するステップと、
   前記シングルモードレーザ光を前記高周波信号で変調することにより、光キャリア信号とサイドバンド信号を含む光信号を出力するステップと、
   前記光信号から前記サイドバンド信号を抽出するステップと、
   抽出した２つのサイドバンド信号を合波するステップと、
   抽出したサイドバンド信号の強度が最大となるように制御するステップと、
   を有することを特徴とする光ミリ波信号発生方法。
   

Images