JP2010062619A

JP2010062619A - 周波数変調信号発生方法及び発生装置

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Publication number: JP2010062619A
Application number: JP2008223374A
Authority: JP
Inventors: Ho-Jin Song; ホジンソン; Naofumi Shimizu; 直文清水
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-09-01
Filing date: 2008-09-01
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】ミリ波帯及びサブテラヘルツ帯において、十分な出力の周波数変調信号を発生する。
【解決手段】２つの単一波長光源１０１，１０２から出力された異なる発振周波数ｆ_１，ｆ_２の光信号のうち一方の光信号を光位相変調器１０３により位相変調して他方の光信号と合波し、フォトミキサ１０６により光電気変換を行う。これにより、２つの光信号の周波数の差を中心周波数ｆ_ＴＨとし、光位相変調器１０３を駆動する制御信号の時間微分に比例して瞬時周波数の中心周波数ｆ_ＴＨからのズレが変わる周波数変調信号を発生することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミリ波からサブテラヘルツ波を含む超高周波帯信号を用いた周波数変調分光、レーダセンシングシステムを実現させることを可能とする周波数変調信号を発生する技術に関する。

今日、大容量通信システム、電波天文、センシングシステムにおいて、１００ＧＨｚから１ＴＨｚの領域の電磁波を応用することが盛んに検討されている。それらの応用においては、周波数利用効率の向上やダイナミックレンジの増大という観点から、周波数変調は最適な変調方式の１つである。

数ＭＨｚから１０数ＧＨｚの周波数の電波を用いる無線通信システム、放送、レーダーシステム、分光システムにおいて周波数変調の技術は広く使われている。一般的にマイクロ波帯の周波数変調は、トランジスタやダイオード、容量可変キャパシタなどからなる電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled oscillator）により実現される。ＶＣＯの周波数制御用電圧入力端子にデータ信号または制御信号を入力することで、周波数変調信号を簡単に発生させることができる。
Herbert Tuab and Bonald L. Schilling 著、「Principles of Communication Systems」、McGraw-Hill Inc. 、1971年、p.113-156 Behzad Razavi 著、「RF Microelectronics」、Prentice Hall PTR、1998年、p.54-97

しかしながら、１００ＧＨｚから１ＴＨｚの領域に対応するサブテラヘルツ帯においては、ガン発振器、逓倍器ベース発振器などの信号源が存在するが、これらの信号源は外部制御端子による周波数制御が提供されていない。これは、ミリ波帯及びサブテラヘルツ帯においては、トランジスタなど半導体能動素子が限定的にしか安定動作をしないこと、及び可変容量キャパシタの抵抗成分、誘導成分の増大などによりＶＣＯが実現できないからである。

減衰率の高さ、帯域制限などから、一般に高い周波数の信号を電気的な手法で信号処理を行うのは非常に困難であり、ミリ波帯及びサブテラヘルツ帯においては、周波数変調を実現するための適切な方法が存在しない。

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、１００ＧＨｚから１ＴＨｚの周波数領域のミリ波帯及びサブテラヘルツ帯において、十分な出力の周波数変調信号を発生することにある。

第１の本発明に係る周波数変調信号発生方法は、それぞれ異なる周波数を持つ第１、第２の光信号を出力するステップと、制御信号を用いて、第１の光信号の位相を変調するステップと、位相が変調された第１の光信号と第２の光信号とを合波するステップと、合波された光信号を光電気変換するステップと、を有することを特徴とする。

上記周波数変調信号発生方法において、制御信号の逆相の制御信号を用いて、第２の光信号の位相を変調するステップをさらに有することを特徴とする。

上記周波数変調信号発生方法において、第１、第２の光信号は、光コム信号発生手段と光フィルタを用いて生成されることを特徴とする。

第２の本発明に係る周波数変調信号発生装置は、それぞれ異なる周波数を持つ光信号を出力する第１、第２の光源と、制御信号を用いて、第１の光源から出力された光信号の位相を変調する第１の光位相変調手段と、位相が変調された光信号と第２の光源から出力された光信号とを合波する光カプラと、合波された光信号を光電気変換するフォトミキサと、を有することを特徴とする。

上記周波数変調信号発生装置において、制御信号の逆相の制御信号を用いて、第２の光源から出力された光信号の位相を変調する第２の光位相変調手段をさらに有することを特徴とする。

上記周波数変調信号発生装置において、第１、第２の光源は、光コム信号発生手段と光フィルタを用いて構成されていることを特徴とする。

本発明にあっては、異なる周波数を持つ２つの光信号のうちの一方を制御信号を用いて位相変調し、２つの光信号を合波して光電気変換することにより、２つの光信号の周波数の差を中心周波数とし、制御信号の時間微分に比例して瞬時周波数の中心周波数からのズレが変わる周波数変調信号を発生することができる。

このように、本発明によれば、１００ＧＨｚから１ＴＨｚの周波数領域のミリ波帯及びサブテラヘルツ帯において、十分な出力の周波数変調信号を発生することができる。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態における周波数変調信号発生装置の構成を示す模式図である。同図に示す周波数変調信号発生装置は、単一波長光源１０１，１０２、光位相変調器１０３、高周波増幅器１０４、光カプラ１０５、およびフォトミキサ１０６を備える。

単一波長光源１０１から出力される発振周波数ｆ_１の光信号は、光位相変調器１０３により位相の変調を受ける。光位相変調器１０３は、高周波増幅器１０４によって増幅された制御信号によって駆動される。光位相変調を受けた発振周波数ｆ_１の光信号と、単一波長光源１０２から出力される発振周波数ｆ_２の光信号は、光カプラ１０５によって合波される。この合波された光信号を入力されたフォトミキサ１０６は、ｆ_ＴＨ＝ｆ_１−ｆ_２の周波数を中心周波数とする周波数変調信号を発生する。フォトミキサ１０６としては、光検出器、光伝導体、および非線形光学結晶を用いることができる。

２台の単一波長光源１０１，１０２から出力された異なる発振周波数ｆ_１，ｆ_２の光信号のうち一方の光信号を位相変調して合波し、フォトミキサ１０６により光電気変換を行うと、直流成分と、中心周波数ｆ_ＴＨの交流成分が得られる。その交流成分の瞬時周波数の中心周波数ｆ_ＴＨからのズレは、光位相変調器１０３を駆動する制御信号の時間微分に比例している。

ここで、上記周波数変調信号発生装置が発生する周波数変調信号について説明する。本発明においては、周波数変調と位相変調の基本的な関係と、マイクロ波フォトニクスの代表的手法である光検出器によるヘテロダインフォトミキシング差周波発生を利用する。

周波数差ｆ_ＴＨの２つの単一波長光源１０１，１０２で発生する光信号は、

で表される。ここでＥ_ｉ，ｆ_ｉ，θ_ｉは電界強度、周波数、位相を表し、添え字１，２は、２つの光源の区別に用いる。２つの光信号の周波数差ｆ_ＴＨ＝ｆ_１−ｆ_２は、周波数変調波の中心周波数を与える。ここで、添え字１で表される光信号に光位相変調器１０３と電気の高周波制御信号により光の周波数領域で位相変調を行う。このとき光位相変調器１０３の出力は、

で表される。ここで、Ｌ_ＰＭとＶ_πは光位相変調器１０３の挿入損と半波長電圧を表し、ｋ（ｔ）は光位相変調器１０３に与えられた制御信号を表す。式（３）で表される位相変調された光信号と式（２）で表される単一波長光を合波し、フォトミキサ１０６に導入する。するとフォトミキサ１０６への入力信号ｅ_ｉｎ（ｔ）とフォトミキサ１０６の出力電流ｉ_ＴＨ（ｔ）はそれぞれ次式で表される。

ここでＲはフォトミキサ１０６の光電変換効率を示す。式（５）の右辺第１項と第２項はそれぞれフォトミキサ１０６から得られる直流信号Ｉ_ＤＣと制御信号ｋ（ｔ）によって変調を受けた周波数ｆ_ＴＨ近傍の信号を示す。特に第２項は、ｋ（ｔ）によって位相変調を受けた信号に見えるが、実はｋ（ｔ）によって周波数変調を受けている。

ここでｋ（ｔ）が正弦波信号であった場合を考える。この場合、ｋ（ｔ）は下記のように表すことが可能である。

ここでｋ_０とｆ_ｍは制御信号の振幅と周波数を示す。Ｉ_ＤＣとＩ_ＴＨはそれぞれフォトミキサ１０６の出力の直流成分の値と交流成分の振幅を示し、それぞれ下記のように表される。

式（７）で示すように、出力信号の周波数は、余弦関数によって変調を受けており、瞬時周波数ｆ（ｔ）と周波数偏差Ａ_ｍは次式で与えられる。

式（１０）から見て明らかなように、出力信号の瞬時周波数の中心周波数ｆ_ＴＨからの変化分は、周波数変調のために光位相変調器１０３に入力された制御信号ｋ（ｔ）＝ｋ_０ｓｉｎ（２πｆ_ｍｔ）の時間微分に比例している。

このように、出力信号の瞬時周波数の中心周波数ｆ_ＴＨからの変化分が周波数変調のための制御信号の時間微分に比例する周波数変調信号を得ることができる。なお、高周波増幅器１０４で制御信号を増幅することによりｋ_０が大きくなり、大きな周波数偏差Ａ_ｍを得ることができる。

式（７）は特定の制御信号ｋ（ｔ）に対して一般化することが可能で、その場合式（７）は、

と表すことができる。出力信号の瞬時周波数が正弦波状に変化するもの以外としては、例えば、出力信号の瞬時周波数が三角波状に変化するものが考えられる。この場合、式（１２）から明らかなように、三角波の積分形である方形波を入力信号として加えればよい。

図２は、図１に示した周波数変調信号発生装置の構成の変形例を示す模式図である。同図に示す周波数変調信号発生装置は、単一波長光源２０１，２０２、光位相変調器２０３，２０４、高周波増幅器２０５、半波長位相シフター２０６、光カプラ２０７、およびフォトミキサ２０８を備える。

図２に示す周波数変調信号発生装置では、単一波長光源２０１，２０２から出力される光信号それぞれを光位相変調器２０３，２０４により位相変調する。半波長位相シフター２０６によって逆相の制御信号を生成し、２台の光位相変調器２０３，２０４はお互い逆位相で駆動される。

フォトミキサ２０８に入力される光信号およびフォトミキサ２０８の出力電流は次式で表される。

フォトミキサ２０８で得られる周波数変調信号の交流成分は、中心周波数ｆ_ＴＨで、瞬時周波数の中心周波数ｆ_ＴＨからのズレは高周波増幅器２０５に入力される制御信号の時間微分に比例していることがわかる。また、同じ強度の制御信号を与えた場合で比べると、図１の構成に対して図２の構成では瞬時周波数の中心周波数ｆ_ＴＨからのズレは２倍になる。

したがって、本実施の形態によれば、２つの単一波長光源１０１，１０２から出力された異なる発振周波数ｆ_１，ｆ_２の光信号のうち一方の光信号を光位相変調器１０３により位相変調して他方の光信号と合波し、フォトミキサ１０６により光電気変換を行うことにより、２つの光信号の周波数の差を中心周波数ｆ_ＴＨとし、光位相変調器１０３を駆動する制御信号の時間微分に比例して瞬時周波数の中心周波数ｆ_ＴＨからのズレが変わる周波数変調信号を発生することができる。

［第２の実施の形態］
図３は、第２の実施の形態における周波数変調信号発生装置の構成を示す模式図である。同図に示す周波数変調信号発生装置は、光コム信号源３０１、分波器３０２、光フィルタ３０３，３０４、光位相変調器３０５、高周波増幅器３０６、光カプラ３０７、およびフォトミキサ３０８を備える。

第２の実施の形態における周波数変調信号発生装置は、２つの単一波長光源を用いる代わりに、周波数軸上で等間隔に並ぶ複数のモードが同時に発生する光コム信号源３０１を用いた。光コム信号源３０１で発生した光信号は、分波器３０２により分波され、光フィルタ３０３，３０４に入力される。光フィルタ３０３，３０４はそれぞれ周波数ｆ_１，ｆ_２の光信号を抜き出す。

光フィルタ３０３から出力される周波数ｆ_１の光信号は、高周波増幅器３０６によって増幅された制御信号によって駆動される光位相変調器３０５により位相の変調を受ける。位相変調を受けた周波数ｆ_１の光信号と、光フィルタ３０４から出力される周波数ｆ_２の光信号とを光カプラ３０７により合波し、フォトミキサ３０８により光電気変換を行うと、制御信号の時間微分に比例して周波数偏差が変わる周波数変調信号が得られる。

図４は、図３に示した周波数変調信号発生装置の構成の変形例を示す模式図である。光コム信号源４０１、分波器４０２、光フィルタ４０３，４０４、光位相変調器４０５，４０６、高周波増幅器４０７、半波長位相シフター４０８、光カプラ４０９、およびフォトミキサ４１０を備える。

図４に示す周波数変調信号発生装置では、光フィルタ４０３，４０４から出力される光信号それぞれを光位相変調器４０５，４０６により位相変調する。半波長位相シフター４０８によって逆相の制御信号を生成し、２台の光位相変調器４０５，４０６はお互い逆位相で駆動される。

したがって、本実施の形態によれば、周波数軸上で等間隔に並ぶ複数のモードが同時に発生する光コム信号源３０１で発生した光信号を分波器３０２により分波し、光フィルタ３０３，３０４によりそれぞれ周波数ｆ_１，ｆ_２の光信号を抜き出すことで２つの単一波長光源を準備することができる。

第１の実施の形態における周波数変調信号発生装置の構成を示す模式図である。第１の実施の形態における周波数変調信号発生装置の構成の変形例を示す模式図である。第２の実施の形態における周波数変調信号発生装置の構成を示す模式図である。第２の実施の形態における周波数変調信号発生装置の構成の変形例を示す模式図である。

符号の説明

１０１，１０２，２０１，２０２…単一波長光源
１０３，２０３，２０４，３０５，４０５，４０６…光位相変調器
１０４，２０５，３０５，４０７…高周波増幅器
１０５，２０７，３０７，４０９…光カプラ
１０６，２０８，３０８，４１０…フォトミキサ
２０６，４０８…半波長位相シフター
３０１，４０１…光コム信号源
３０２，４０２…分波器
３０３，３０４，４０３，４０４…光フィルタ

Claims

それぞれ異なる周波数を持つ第１、第２の光信号を出力するステップと、
制御信号を用いて、前記第１の光信号の位相を変調するステップと、
位相が変調された前記第１の光信号と前記第２の光信号とを合波するステップと、
合波された光信号を光電気変換するステップと、
を有することを特徴とする周波数変調信号発生方法。
前記制御信号の逆相の制御信号を用いて、前記第２の光信号の位相を変調するステップをさらに有することを特徴とする請求項１記載の周波数変調信号発生方法。
前記第１、第２の光信号は、光コム信号発生手段と光フィルタを用いて生成されることを特徴とする請求項１又は２記載の周波数変調信号発生方法。
それぞれ異なる周波数を持つ光信号を出力する第１、第２の光源と、
制御信号を用いて、前記第１の光源から出力された前記光信号の位相を変調する第１の光位相変調手段と、
位相が変調された前記光信号と前記第２の光源から出力された前記光信号とを合波する光カプラと、
合波された前記光信号を光電気変換するフォトミキサと、
を有することを特徴とする周波数変調信号発生装置。
前記制御信号の逆相の制御信号を用いて、前記第２の光源から出力された前記光信号の位相を変調する第２の光位相変調手段をさらに有することを特徴とする請求項４記載の周波数変調信号発生装置。
前記第１、第２の光源は、光コム信号発生手段と光フィルタを用いて構成されていることを特徴とする請求項４又は５記載の周波数変調信号発生装置。