JP2015075614A - Optical frequency comb generator - Google Patents
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Description
本発明は、広帯域かつ高信号対雑音電力比の光周波数コムを生成する光周波数コム生成装置に関する。 The present invention relates to an optical frequency comb generator that generates an optical frequency comb having a wide band and a high signal-to-noise power ratio.
大容量の無線伝送を実現するため、従来の周波数よりも高いミリ波やテラヘルツ波を用いた無線伝送システムの研究開発が進められている(例えば、非特許文献1参照)。これらの無線伝送システムでの搬送波周波数は100〜1000GHzにおよぶため、半導体発振器で効率よく搬送波を生成することは困難である。このため、図1に示すように光周波数コム生成装置91で光周波数コムを生成し、必要な周波数間隔だけ離れた信号を抽出し、光ヘテロダイン検波で搬送波周波数の信号を生成する技術が多く用いられている(例えば、非特許文献1参照)。
In order to realize large-capacity wireless transmission, research and development of wireless transmission systems using millimeter waves and terahertz waves higher than conventional frequencies are underway (see, for example, Non-Patent Document 1). Since the carrier frequency in these wireless transmission systems ranges from 100 to 1000 GHz, it is difficult to efficiently generate a carrier wave with a semiconductor oscillator. Therefore, as shown in FIG. 1, an optical
図1では光周波数コムを分波器92で複数の周波数キャリア(fa,fb,fc,fd)に分ける。そして、そのうちの2つfa,fbを光検波器933に入力し、その周波数差f1=|fa−fb|の中心周波数をもつ高周波変調信号を光ヘテロダイン検波により生成し、無線信号として送信させる。一方、2つfc,fdを光検波器942に入力し、周波数差f2=|fc−fd|の高周波局部発振信号を生成し、受信した無線信号のダウンコンバージョンを行う。
In FIG. 1, the optical frequency comb is divided into a plurality of frequency carriers (f a , f b , f c , and f d ) by the
光周波数コムの生成方法としては、図2に示すように複数の光変調器を縦続接続し、多段変調で光周波数コムを生成するもの(例えば、非特許文献2参照)、および図3に示すように光ファイバの非線形を利用して光周波数コムを生成するもの(例えば、非特許文献3参照)がある。前者では複数の変調器を用いることで等価的に高い変調指数を実現し広帯域の信号を生成するとともに、位相制御により高調波を効率的に生成している。後者では、単体の変調器で生成した狭帯域の光周波数コムを主に3次の非線形光学効果(自己位相変調、相互位相変調、四光波混合)によって広帯域の光周波数コムに変換する。これらの手法により、数GHzら10数GHz周波数間隔でTHz以上の帯域の光周波数コムを生成することが可能である。 As an optical frequency comb generation method, a plurality of optical modulators are cascaded as shown in FIG. 2 to generate an optical frequency comb by multistage modulation (see, for example, Non-Patent Document 2), and FIG. As described above, there is an apparatus that generates an optical frequency comb using the nonlinearity of an optical fiber (see, for example, Non-Patent Document 3). In the former, by using a plurality of modulators, an equivalently high modulation index is realized to generate a broadband signal, and harmonics are efficiently generated by phase control. In the latter, a narrow-band optical frequency comb generated by a single modulator is converted into a broadband optical frequency comb mainly by third-order nonlinear optical effects (self-phase modulation, cross-phase modulation, four-wave mixing). By these methods, it is possible to generate an optical frequency comb in a band of THz or more at a frequency interval of several GHz or ten and several GHz.
図1に示すように、無線搬送波生成に必要な光搬送波および受信用の局部発振信号生成に用いる光搬送波はそれぞれ2本であり、1システム当たり4本の光搬送波があれば十分である。また、複数システムの実装を考慮しても10〜20本程度の光搬送波があれば十分である。これに対して従来の光周波数コムでは100本以上の光搬送波が生成されるため、多くの光搬送波が無駄になってしまう。また、光ヘテロダイン検波で無線搬送波周波数を効率よく発生させるためには、2本の光搬送波を高電力で光検波器に入力する必要があり、光搬送波に対しても高い信号対雑音電力比が要求される。 As shown in FIG. 1, there are two optical carriers necessary for generating a wireless carrier wave and two local optical signals for generating a reception local oscillation signal, and it is sufficient if there are four optical carriers per system. Also, considering the mounting of a plurality of systems, it is sufficient to have about 10 to 20 optical carriers. On the other hand, since the conventional optical frequency comb generates 100 or more optical carriers, many optical carriers are wasted. Also, in order to efficiently generate a radio carrier frequency by optical heterodyne detection, it is necessary to input two optical carriers to the optical detector with high power, and a high signal-to-noise power ratio is required for the optical carrier. Required.
高い信号対雑音電力比を実現するためには、光増幅器の必要が不可欠であるが、光増幅器では自然放出光が雑音として追加され、光増幅器への入力電力が低いほど雑音電力が大きくなる。このため、光搬送波を抽出してから増幅するよりも抽出前に一括で増幅した方が雑音レベルが低くなる。しかしながら、光搬送波数が多いため、光搬送波あたりの光電力を高めようとすると光増幅器の出力電力を大きくする必要があり、高価な光増幅器が必要である。 In order to realize a high signal-to-noise power ratio, an optical amplifier is indispensable. However, in an optical amplifier, spontaneous emission light is added as noise, and the noise power increases as the input power to the optical amplifier decreases. For this reason, the noise level is lower when the optical carrier wave is amplified before being extracted than when the optical carrier wave is extracted and then amplified. However, since the number of optical carriers is large, it is necessary to increase the output power of the optical amplifier to increase the optical power per optical carrier, and an expensive optical amplifier is required.
光周波数コムを生成する基準周波数を高める方法もあるが、高周波の発振器、変調器ドライバ、広帯域変調器が必要となり、コストが増大する。 Although there is a method for increasing the reference frequency for generating the optical frequency comb, a high-frequency oscillator, a modulator driver, and a broadband modulator are required, which increases the cost.
本発明は、広帯域かつ高信号対雑音電力比の光周波数コムを生成することを目的とする。 An object of the present invention is to generate an optical frequency comb having a wide bandwidth and a high signal-to-noise power ratio.
本願発明の光周波数コム生成装置は、
光源からの連続光を変調する光変調器と、
前記光変調器からの変調信号に含まれる複数の周波数成分のうちの少なくとも1つの周波数成分を除去する光フィルタと、
前記光フィルタからの変調信号を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器からの変調信号の各パルスのパルス幅を、分散媒質を用いて圧縮するパルス圧縮部と、
前記パルス圧縮部からの変調信号の帯域を、非線形媒質を用いて周波数軸上で広げる帯域拡張部と、
を備える。
The optical frequency comb generator of the present invention is
An optical modulator that modulates continuous light from the light source;
An optical filter for removing at least one frequency component of a plurality of frequency components included in a modulation signal from the optical modulator;
An optical amplifier for amplifying the modulation signal from the optical filter;
A pulse compression unit that compresses the pulse width of each pulse of the modulated signal from the optical amplifier using a dispersion medium;
A band extending unit that expands the band of the modulation signal from the pulse compression unit on the frequency axis using a nonlinear medium;
Is provided.
本願発明の光周波数コム生成装置では、前記光変調器が、光強度変調器であってもよい。 In the optical frequency comb generator of the present invention, the optical modulator may be a light intensity modulator.
本願発明の光周波数コム生成装置では、前記光変調器が、光位相変調器であってもよい。 In the optical frequency comb generator of the present invention, the optical modulator may be an optical phase modulator.
本願発明の光周波数コム生成装置では、前記光フィルタが、マッハツェンダ型光フィルタ、ファブリペロー型光フィルタ又は光インタリーバであってもよい。 In the optical frequency comb generator of the present invention, the optical filter may be a Mach-Zehnder optical filter, a Fabry-Perot optical filter, or an optical interleaver.
本願発明の光周波数コム生成装置では、前記パルス圧縮部が、通常分散ファイバ又はチャープドファイバグレーティングであってもよい。 In the optical frequency comb generator of the present invention, the pulse compression unit may be a normal dispersion fiber or a chirped fiber grating.
本願発明の光周波数コム生成装置では、前記帯域拡張部が、前記光変調器と前記光フィルタとの間の光ファイバの有効コア径よりも有効コア径の小さなファイバであるか、あるいは、分散減少ファイバであってもよい。 In the optical frequency comb generator according to the present invention, the band extension unit is a fiber having an effective core diameter smaller than an effective core diameter of the optical fiber between the optical modulator and the optical filter, or dispersion reduction. It may be a fiber.
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。 The above inventions can be combined as much as possible.
本発明によれば、広帯域かつ高信号対雑音電力比の光周波数コムを生成することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to generate an optical frequency comb having a wide bandwidth and a high signal-to-noise ratio.
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.
(実施形態1)
図4に本発明の第1の実施形態を示す。
本実施形態の光周波数コム生成装置91は、光源11、光強度変調器21、発振器13、光フィルタ22、光増幅器23、パルス圧縮部として機能するシングルモードファイバ24、帯域拡張部として機能する高非線形ファイバ25を備える。
(Embodiment 1)
FIG. 4 shows a first embodiment of the present invention.
The optical
光強度変調器21は、光源11からの連続光を発振器13からの周波数f0の信号で光強度変調して変調信号を生成する。光フィルタ22は、光強度変調器21からの変調信号に含まれる周波数成分のうちの複数の周期的成分を抑圧する。光増幅器23は、光フィルタ22からの出力信号を光増幅する。シングルモードファイバ24は、変調信号の各パルスのパルス圧縮を行う。高非線形ファイバ25は、非線形を利用して広帯域の光周波数コムを生成する。
The
この場合の各点における光周波数スペクトルの概念図を図5から図8に示す。図5に示す光源11からの1波の光搬送波は、光強度変調器21で変調されて、図6に示すf0間隔の複数キャリアからなる狭帯域の光周波数コムとなる。この光周波数コムから光フィルタ22で2f0周期の信号を抑圧することにより、図7に示す2f0間隔の光周波数コムを生成する。その後光増幅、パルス圧縮、光非線形現象により、図8に示す広帯域の光周波数コムを生成することが可能となる。
The conceptual diagrams of the optical frequency spectrum at each point in this case are shown in FIGS. A single optical carrier wave from the
このように、光増幅器23に周波数間隔の広い光周波数コムを入力することにより、発生する広帯域の光周波数コムのキャリア数を削減することが可能となり、キャリア単位の信号対雑音比を高くとることができる。
As described above, by inputting optical frequency combs having a wide frequency interval to the
本実施形態における光フィルタ22としては、図9に示すような2f0間隔の透過特性(FSR:Free Spectral Range)を有するマッハツェンダ型光フィルタや、図10に示すような2f0のFSRを有するファブリペロー型フィルタを用いることができる。
The
さらに、基準周波数f0が50GHz以上の場合、多段のマッハツェンダ干渉計等を用いた光インタリーバの適用も可能である。特にファブリペロー型フィルタの場合、共振器長を調整することが容易であるため、基準周波数f0とともに共振器長を変化させることにより光周波数コムで発生させる周波数間隔を連続的に可変とすることができる。 Further, when the reference frequency f 0 is equal to or greater than 50 GHz, the application of light interleaver using multistage Mach-Zehnder interferometer or the like is also possible. Especially in the case of Fabry-Perot type filter, it is easy to adjust the cavity length, making the frequency interval to be generated in the optical frequency comb and a continuously variable by varying the resonator length with the reference frequency f 0 Can do.
マッハツェンダ型フィルタおよび光インタリーバの場合、透過周波数の周期を変化させることは難しいが、透過域のレベル変化が小さいため、光変調器の変調指数があまり大きくない範囲では基準周波数f0を変化させ光周波数コムの周波数間隔を可変とすることができる。 In the case of a Mach-Zehnder type filter and an optical interleaver, it is difficult to change the period of the transmission frequency, but since the level change of the transmission band is small, the optical frequency is changed by changing the reference frequency f0 in a range where the modulation index of the optical modulator is not so large. The frequency interval of the comb can be made variable.
なお、本実施形態でのフィルタ22の透過特性について、FSRが2f0の場合に限ったものではなく、より広いFSRフィルタを用いることや、FSRの異なる複数のフィルタを縦続接続して、さまざまな周波数配置の光周波数コムを生成することが可能である。
Note that the transmission characteristics of the
本実施形態での動作の一例として、数値シミュレーション結果を図11に示す。シミュレーションでは基準周波数f0=25GHzとし、光強度変調器21の半波長電圧Vπの1.8倍の電圧で駆動し、FSRが50GHzのマッハツェンダ型フィルタを光フィルタ22として用い、平均電力200mWまで増幅し、2kmのシングルモードファイバ24および高非線形性ファイバ25を用いて光周波数コムを生成している。図に示す通り、光強度変調器21からの出力の狭帯域の周波数コムから2f0間隔の周波数コムを抽出し、増幅・非線形光学効果で広帯域の光周波数コムが生成できることが明らかである。
As an example of the operation in this embodiment, a numerical simulation result is shown in FIG. In the simulation, the reference frequency is f 0 = 25 GHz, driven by a voltage 1.8 times the half-wave voltage Vπ of the
本実施形態の場合、周波数間隔がf0の場合に比べて非線形で発生するキャリア本数が少ないため、キャリアあたりで高い信号電力を得ることが可能であり、等価的に高い信号対雑音電力比を得ることができる。 In the case of the present embodiment, since the number of carriers generated in a non-linear manner is smaller than in the case where the frequency interval is f 0 , it is possible to obtain a high signal power per carrier, and an equivalently high signal-to-noise power ratio. Can be obtained.
なお、本実施形態では光パルス圧縮のため1.55μm帯での波長分散が18ps/nm/km程度となるシングルモードファイバ24(通常分散ファイバ)を想定しているが、チャープドファイバグレーティングのような分散媒体を用いても構わない。この場合、分散媒体での光非線形性は小さいため、分散媒体の配置箇所を光増幅器の前としても構わない。 In this embodiment, a single mode fiber 24 (ordinary dispersion fiber) in which the chromatic dispersion in the 1.55 μm band is about 18 ps / nm / km is assumed for optical pulse compression, but it is like a chirped fiber grating. Various dispersion media may be used. In this case, since the optical nonlinearity in the dispersion medium is small, it is possible to place the dispersion medium in front of the optical amplifier.
また、高非線形性ファイバ25として、コア径を絞り非線形光学定数を高めたものの他に、長手方向に分散を減少させ等価的に利得を得る分散減少ファイバを用いても同様の効果が得られる。
The same effect can be obtained by using a dispersion-reducing fiber that reduces the dispersion in the longitudinal direction and obtains an equivalent gain in addition to the highly
本実施形態において光フィルタ22で、元の搬送波成分とそれから±2nf0(n=1,2,3…)離れた周波数成分を抑圧する場合と、±(2n−1)f0(n=1,2,3…)離れた成分のみを抑圧する場合があるが、前者の場合強度の直流成分が抑圧されるため、より広帯域の光周波数コムを発生しやすい。
In the present embodiment, the
(実施形態2)
図12に本発明の第2の実施形態を示す。第2の実施形態の第1の実施形態との相違点は、光変調器として光強度変調器21の代わりに光位相変調器31を用いていることである。
(Embodiment 2)
FIG. 12 shows a second embodiment of the present invention. The difference of the second embodiment from the first embodiment is that an
光位相変調器31は、光源11からの連続光を発振器13からの周波数f0の信号で光位相変調して変調信号を生成する。光フィルタ22は、光位相変調器31からの変調信号に含まれる複数の周期的成分を抑圧する。
The
ここで、光位相変調器31で光位相変調された信号の強度は一定であるが、分散媒質を透過する際に瞬時周波数に応じた遅延を受け、図13に示すように強度変調信号へと変換される。光強度変調器21を用いる場合にはパルスを生成するために信号を削除するため、過剰な損失が生じるが、光位相変調器31の場合にはこの過剰な損失を削減できる。このため、本実施形態に係る発明は、より信号対雑音比の高い光周波数コムの生成が可能となる。
Here, although the intensity of the optical phase modulated signal by the
本発明は情報通信産業に適用することができる。 The present invention can be applied to the information communication industry.
11:光源
12:光変調器
13:発振器
14:位相調整器
15:分散媒質
16:光増幅器
17、25:高非線形ファイバ
91:光周波数コム生成装置
21:光強度変調器
22:光フィルタ
23:光増幅器
24:シングルモードファイバ
31:光位相変調器
92:分波器
931:光変調器
932:合波器
933:光検波器
934:増幅器
935:アンテナ
941:合波器
942:光検波器
943:電力増幅器
944:ミキサ
945:低雑音増幅器
946:アンテナ
11: Light source 12: Optical modulator 13: Oscillator 14: Phase adjuster 15: Dispersion medium 16:
Claims (6)
前記光変調器からの変調信号に含まれる周波数成分のうちの少なくとも1つの周波数成分を除去する光フィルタと、
前記光フィルタからの変調信号を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器からの変調信号の各パルスのパルス幅を、分散媒質を用いて圧縮するパルス圧縮部と、
前記パルス圧縮部からの変調信号の帯域を、非線形媒質を用いて周波数軸上で広げる帯域拡張部と、
を備える光周波数コム生成装置。 An optical modulator that modulates continuous light from the light source;
An optical filter for removing at least one of frequency components included in a modulation signal from the optical modulator;
An optical amplifier for amplifying the modulation signal from the optical filter;
A pulse compression unit that compresses the pulse width of each pulse of the modulated signal from the optical amplifier using a dispersion medium;
A band extending unit that expands the band of the modulation signal from the pulse compression unit on the frequency axis using a nonlinear medium;
An optical frequency comb generator.
ことを特徴とする請求項1に記載の光周波数コム生成装置。 The optical frequency comb generator according to claim 1, wherein the optical modulator is an optical intensity modulator.
ことを特徴とする請求項1に記載の光周波数コム生成装置。 The optical frequency comb generator according to claim 1, wherein the optical modulator is an optical phase modulator.
ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の光周波数コム生成装置。 The optical frequency comb generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the optical filter is a Mach-Zehnder optical filter, a Fabry-Perot optical filter, or an optical interleaver.
ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の光周波数コム生成装置。 The optical frequency comb generator according to any one of claims 1 to 4, wherein the pulse compression unit is a normal dispersion fiber or a chirped fiber grating.
ことを特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載の光周波数コム生成装置。 The band extension unit is a fiber having an effective core diameter smaller than an effective core diameter of an optical fiber between the optical modulator and the optical filter, or a dispersion reducing fiber. Item 6. The optical frequency comb generator according to any one of Items 1 to 5.
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