JP2011170253A

JP2011170253A - 光電気発振器

Info

Publication number: JP2011170253A
Application number: JP2010036008A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Men; 充徳面
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】従来の光電気発振器と同等の位相雑音性能であって、かつ小型な光電気発振器を提供する。
【解決手段】レーザ光源１と、光変調器２と、光変調器２の出力を遅延する光ファイバ３と、光ファイバの通過信号を高周波の電気信号に変換する光電変換器４とを含んだ光伝送系９と、光電変換器４から出力されバンドパスフィルタ５を通過した電気信号を増幅するアンプ６と、出力信号の一方を光変調器２に入力するカプラ７と、カプラ７の他方の出力信号を分周する分周器８とを含んだ電気伝送系１０より、高周波信号を発振する光電気発振器を構成し、光ファイバ３と、分周器８を用いて、所望の位相雑音性能を決定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ光を用いてミリ波やマイクロ波等の高周波信号を発振する光電気発振器に関する。

従来の光電気発振器は、レーザ光源と、光変調器と、光フィルタまたは光遅延器と、光電変換器と、バンドパスフィルタと、アンプを備えている。レーザ光源からのレーザ光は、光変調器で強度変調される。強度変調されたレーザ光は、光フィルタまたは光遅延器を通過し、光電変換器で電気信号に変換される。この電気信号の一方は、バンドパスフィルタに入力され、バンドパスフィルタの中心周波数近傍の信号成分のみがバンドパスフィルタを通過して出力される。バンドパスフィルタから出力された電気信号は、光変調器に再び入力されてレーザ光の強度変調に用いられる。光電変換器から出力される電気信号の他方は、高周波信号として外部に出力される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３５１９５１号公報

従来の光電気発振器では、電気ケーブルよりも損失の小さい光ファイバを用いて光遅延器を構成することで、伝送路を延長し、帰還回路内の遅延時間を稼ぐことができる。これにより、発振のＱ値が増加され、通常の光電気発振器よりも位相雑音が低減される。すなわち、光ファイバのファイバ長を長くすればするほど、位相雑音をより低減することができる。

上記特許文献１に記載の従来の光電気発振器では、光遅延器を構成する光ファイバのファイバ長を長くすることで、位相雑音を低減していた。しかし、ファイバ長を長くすると光ファイバの体積が増加し、光電気発振器が大型化するという問題があった。

この発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、その目的は、従来の光電気発振器と同等の位相雑音性能であって、かつ高周波信号を発振する小型な光電気発振器を提供することにある。

この発明による光電気発振器は、レーザ光源と、上記レーザ光源から発生された光を、入力される電気信号に基づいて強度変調する光変調器と、上記光変調器により強度変調された光信号を伝送する光ファイバと、上記光ファイバを通過した光信号を高周波の電気信号に変換する光電変換器と、上記光電変換器により変換された電気信号が入力されるバンドパスフィルタと、上記バンドパスフィルタを通過した電気信号を増幅するアンプと、上記アンプから出力される電気信号を分岐し、分岐した一方の電気信号を光変調器に帰還入力するカプラと、上記カプラにより分岐された他方の電気信号を分周して高周波信号を出力する分周器と、を備えたものである。

この発明によれば、周波数分周器による周波数分周効果によって、所望の位相雑音性能を得るために必要な遅延時間を決める光ファイバ長を、より短くすることができるので、光ファイバの組み込まれた光電気発振器を、より小型化することが可能となる。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による光電気発振器の構成を示すブロック図である。図１において、この光電気発振器は、光信号を伝送する光伝送系９と、電気信号を伝送する電気伝送系１０とを備えることで、レーザ光を用いてミリ波やマイクロ波等の高周波信号を発振する。

光伝送系９は、レーザ光源１と、光変調器２と、光ファイバ３と、光電変換器４とを含んでいる。また、電気伝送系１０は、バンドパスフィルタ５と、アンプ６と、カプラ７と、分周器８とを含んでいる。

光変調器２には、レーザ光源１およびカプラ７からの出力が入力される。光ファイバ３には、光変調器２からの出力が入力される。
光電変換器４には、光ファイバ３からの出力が入力される。光電変換器４は、光信号を電気信号に変換するフォトダイオードによって構成される。
バンドパスフィルタ５には、光電変換器４からの出力が入力される。アンプ６には、バンドパスフィルタ５からの出力が入力される。カプラ７には、アンプ６からの出力が入力される。分周器８には、カプラ７からの出力の一方が入力される。
また、光変調器２には、カプラ７からの出力の他方が入力される。光変調器２は、カプラ７から入力される電気信号に基づいてレーザ光源１からのレーザ光を強度変調する。

レーザ光源１と光変調器２と、光変調器２と光ファイバ３と、および光ファイバ３と光電変換器４とは、例えば光ファイバにより、互いに光回路として接続されている。
また、光電変換器４とバンドパスフィルタ５と、バンドパスフィルタ５とアンプ６と、アンプ６とカプラ７と、カプラ７と光変調器２と、およびカプラ７と分周器８とは、例えば同軸ケーブルのような電線ケーブルやマイクロストリップ線路等の高周波伝送線路により、互いに電気回路として接続されている。

以下、前述のように構成された光電気発振器の動作について説明する。
レーザ光源１は、レーザ光を発生して、光変調器２に出力する。光変調器２は、レーザ光源１からのレーザ光に対して、カプラ７から入力される電気信号に応じた変調を施し、変調後レーザ光として光ファイバ３に出力する。
光ファイバ３は、光変調器２からの変調後レーザ光を伝送して、光電変換器４に出力する。光ファイバ３は、光変調器２からの変調後レーザ光を所望の遅延時間だけ遅延させる。光ファイバ３は、電線ケーブルよりも信号の伝送損失が小さく、伝送路の延長化のために使用されており、発振のＱ値を増加させる。
光電変換器４は、光ファイバ３からの変調後レーザ光を、直接検波（自乗検波）によって光信号から電気信号に変換し、バンドパスフィルタ５に出力する。

バンドパスフィルタ５は、光電変換器４により変換された電気信号の信号成分のうち、所定の通過帯域以外の周波数帯域の信号成分やスプリアスを遮断して、所定の通過帯域に含まれている信号成分のみを通過させて、アンプ６に出力する。
アンプ６は、バンドパスフィルタ５からの電気信号を増幅して、カプラ７に出力する。カプラ７は、アンプ６からの電気信号を２つに分岐し、一方を、分周器８に出力し、他方を光変調器２に出力する。ここで、電気信号が光変調器２に再び入力されることにより、帰還回路が構成される。
分周器８は、カプラ７からの電気信号を周波数分周して、光電気発振器の出力として外部に高周波信号を出力する。

ここで、光電気発振器の動作原理について説明する。
光電気発振器の発振周波数をｆ_ＯＵＴ（ｎ）、帰還回路の遅延時間をτとすると、発振周波数ｆ_ＯＵＴ（ｎ）は、遅延時間τを用いて、下記の式（１）のように表される。

ただし、ｎはバンドパスフィルタ５で選定された所定の周波数が発振周波数となるよう、決定される任意の整数である。この所定の周波数における帰還ゲインを回路全体の損失よりも大きくなるように設定することにより、光電気発振器は、バンドパスフィルタ５で選択された所定の周波数で発振を始める。

また、式（１）から、発振周波数ｆ_ＯＵＴ（ｎ）は、バンドパスフィルタ５の設定によって、１／τの間隔で任意に取り出すことが可能であることがわかるが、どの周波数を取り出しても、その位相雑音レベルは変わらない特徴がある。

キャリアからの離調周波数をｆ_ｄ、ｆ_ｄにおける位相雑音レベルをＳ_ＲＦ（ｆ_ｄ）［ｄＢｃ／Ｈｚ］とすると、Ｓ_ＲＦ（ｆ_ｄ）は、下記の式（２）のように表される。

ただし、Ｋは定数である。

このことより、ある離調周波数における位相雑音レベルを低く抑えるためには、帰還回路の遅延時間τを大きくすればよいことがわかる。

光電気発振器においてτを大きくし、出力信号の位相雑音レベルを低く抑えるには、光ファイバのファイバ長を延長して、所望の信号遅延時間を確保するのに必要な伝送線路長を得る必要がある。しかし、ファイバ長を延長するに伴い、光ファイバの体積が増加し、光電気発振器が大型化してしまう。

このため、実施の形態１による光電気発振器では、出力信号の位相雑音レベルを低く抑える方法として、所望の信号遅延時間を得るための光ファイバ３の伝送線路長（光ファイバ長）だけに頼るのではなく、光ファイバ３よりも体積の小さい分周器８を同時に用いて、周波数分周効果を作用させて位相雑音の低レベル化を図っている。

この周波数分周効果による位相雑音の改善量をＩ_Ｄ［ｄＢ］、周波数分周数をＮとすると、Ｉ_ＤはＮを用いて、下記の式（３）のように表される。

かくして、実施の形態１による光電気発振器の位相雑音レベルＳ_Ｒは、ある離調周波数ｆ_ｄにおいて、Ｓ_Ｒ＝Ｓ_ＲＦ（ｆ_ｄ）−Ｉ_Ｄとなり、周波数分周効果により、光ファイバのファイバ長を抑えたまま、位相雑音レベルを低減することができる。

このことについて更に説明を加える。
出力信号の周波数と位相雑音レベルを同じにする条件の元、分周器８を設けない光電気発振器（以下、比較例と称する）と実施の形態１の光電気発振器とを比べると、以下のことがいえる。

ａ）分周器８の周波数分周数をＮとした場合、実施の形態１によれば、出力信号の位相雑音は式（３）の改善がなされるため、カプラ７の出力信号の位相雑音は、比較例の光電気発振器のカプラの出力信号と比べ、その分悪くても問題ないことになる。
このため、実施の形態１の帰還回路の遅延時間τは、従来の光電気発振器のτよりも小さくでき、遅延時間を決める光ファイバ３の光ファイバ長を短くすることができる。

ｂ）また、実施の形態１の光電気発振器では、カプラ７の出力信号の周波数は、その後にＮ分周されるため、比較例の光電気発振器のＮ倍となる。このため、電気伝送系１０に使用する回路は、比較例の光電気発振器と比べ、Ｎ倍の周波数の高周波信号を出力することができる。

以上説明した通り、この実施の形態１の光電気発振器によれば、レーザ光源と、上記レーザ光源から発生された光を、入力される電気信号に基づいて強度変調する光変調器と、上記光変調器により強度変調された光信号を伝送する光ファイバと、上記光ファイバを通過した光信号を高周波の電気信号に変換する光電変換器と、上記光電変換器により変換された電気信号が入力されるバンドパスフィルタと、上記バンドパスフィルタを通過した電気信号を増幅するアンプと、上記アンプから出力される電気信号を分岐し、分岐した一方の電気信号を光変調器に帰還入力するカプラと、上記カプラにより分岐された他方の電気信号を分周して高周波信号を出力する分周器と、を備えたことを特徴とする。

このように、光ファイバ３よりも体積の小さい分周器８を使用することによって、所望の位相雑音レベルを得るのに本来必要な光ファイバ３の長さを短くすることができるため、光電気発振器の小型化が可能となる。

また、この実施の形態１によれば、分周器８の分周数をＮとした場合、発振周波数はＮ倍となり高くなるため、電気伝送系１０に使用する回路は、より高周波用の部品となる。これにより、電気伝送系１０に使用する電気部品、特にバンドパスフィルタ５は高周波用部品を用いることによって小型化されるため、光電気発振器の小型化が可能となる。

実施の形態２．
この発明に係る実施の形態２による光電気発振器は、実施の形態１の分周器８を可変分周器によって構成したことを特徴とする。この分周器８は、外部の制御装置（図示せず）から制御信号が入力されることによって、分周数が設定される。これによって、分周数を所望の値に設定することができるので、光電気発振器の発振周波数を所望の周波数に設定することができるのに加え、位相雑音レベルを適宜調整することが可能となる。

この発明に係る実施の形態１による光電気発振器の構成を示すブロック図である。

１レーザ光源、２光変調器、３光ファイバ、４光電変換器、５バンドパスフィルタ、６アンプ、７カプラ、８分周器、９光伝送系、１０電気伝送系。

Claims

レーザ光源と、
上記レーザ光源から発生された光を、入力される電気信号に基づいて強度変調する光変調器と、
上記光変調器により強度変調された光信号を伝送する光ファイバと、
上記光ファイバを通過した光信号を高周波の電気信号に変換する光電変換器と、
上記光電変換器により変換された電気信号が入力されるバンドパスフィルタと、
上記バンドパスフィルタを通過した電気信号を増幅するアンプと、
上記アンプから出力される電気信号を分岐し、分岐した一方の電気信号を光変調器に帰還入力するカプラと、
上記カプラにより分岐された他方の電気信号を分周して高周波信号を出力する分周器と、
を備えた光電気発振器。
上記分周器は可変分周器であり、外部からの信号入力によって、分周数が設定されることを特徴とした請求項１記載の光電気発振器。