JP2016021032A - 高周波逓倍装置及び逓倍方法 - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い帯域の高周波信号を生成することが可能な高周波逓倍装置を提供する。
【解決手段】周波数逓倍装置１００は，駆動信号源１０と，第１の光周波数逓倍器２０と，第２の光周波数逓倍器３０とを備える。駆動信号源１０は，周波数ｆの駆動信号を発生させる。第１の光周波数逓倍器２０には，駆動信号が印加される。第１の光周波数逓倍器２０は，駆動信号の周波数を２Ｎ逓倍（Ｎは１以上の整数）させた周波数２Ｎｆの第１の周波数逓倍信号を発生させる。第２の光周波数逓倍器３０には，第１の周波数逓倍信号が印加される。第２の光周波数逓倍器３０は，第１の周波数逓倍信号の周波数を２Ｍ逓倍（Ｍは１以上の整数）させた周波数２Ｍ・２Ｎｆの第２の周波数逓倍信号を発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は，高周波信号を生成するのに適した周波数逓倍装置及び周波数逓倍方法に関する。具体的に説明すると，本発明は，２つ以上の光周波数逓倍器を縦続接続することにより，４逓倍以上（好ましくは８逓倍以上）の逓倍信号を生成することが可能な逓倍装置及び逓倍方法に関するものである。

搬送波周波数の高周波化は，無線通信レーダ技術の大容量化及び高精度化に寄与する。このため，次世代無線技術では，搬送波周波数の高精度化が必須とされており，実際に，空港滑走路面監視レーダは，９０ＧＨｚのミリ波の利用を前提に研究開発が進められている。ただし，そのような高周波は，大気減衰が大きく，また，波長の短さに起因する自由空間伝搬損失の増大により，伝搬可能距離が短い傾向にある。そこで，現在では，光ファイバネットワークに直結することが可能な高周波ミリ波信号発生技術が求められている。

従来から，光変調器用いて周波数２逓倍信号や周波数４逓倍信号を得る技術の研究開発が行われている（特許文献１，特許文献２等）。このような逓倍技術では，例えばマッハツェンダ干渉計型の光強度変調器（ＭＺＭ）が利用されている。このような光変調器を備えた光周波数逓倍器は，例えば，ＭＺＭの駆動点を調整して抑圧搬送波両側波帯（ＤＳＢ−ＳＣ）変調を行い，±１次成分を強調して，その周波数差を検出することで，周波数２逓倍信号を得ることができる。また，例えば，ＭＺＭの駆動点を調整して全搬送波両側波帯（ＤＳＢ−ＷＣ）変調を行い，波長フィルタにて搬送波を抑圧することにより，±２次成分を強調して，その周波数差を検出することで，周波数４逓倍信号を得ることができる。さらには，ＭＺＭに印加する電力を増大させて，更なる高調波成分を誘引し，複雑な波長フィルタを適用することで，±３次成分又は±４次成分を強調して，周波数６逓倍信号又は周波数８逓倍信号を得ることも可能である。

特開２００６−３３２９９９号公報 特開２０１２−０９８６７９号公報

ところで，光周波数逓倍器によって最終的に得られる周波数逓倍信号は，光変調器に導入可能な駆動信号の周波数に律速される。ここで，一つの光変調器に導入可能な駆動信号は，一般的に，３５ＧＨｚ程度の周波数のものが限界であるとされている。このため，従来の光変調器による周波数２逓倍技術又は周波数４逓倍技術では，最大で１４０ＧＨｚ程度の周波数を得ることが限界であるとされていた。また，一つの光変調器を用いた光周波数８逓倍技術では，高度な光変調が必要となることから，装置の複雑化及び光ＳＮ比の低下が問題となっていた。

このため，現在では，単純な構成であって，光ＳＮ比の低下を抑制しつつ，マイクロ波帯〜サブミリ波帯までの幅広い高周波信号を生成することが可能な高周波逓倍装置及び逓倍方法が求められている。

そこで，本発明の発明者らは，上記の従来技術の問題を解決する手段について鋭意検討した結果，第１の光周波数逓倍器によって第１の周波数逓倍信号を得て，この第１の周波数逓倍信号を第２の光周波数逓倍器に導入し，第２の光周波数逓倍器によって第２の周波数逓倍信号を得るという構成を発案した。例えば，光周波数４逓倍器と光周波数２逓倍器を縦続接続することで，周波数８逓倍信号を生成することができる。つまり，従来技術のように，一つの光変調器によって周波数８逓倍信号を得ようとすると，その構造が複雑になるとともに光ＳＮ比が低下するという問題があった。これに対し，本発明は，比較的構造が単純な光周波数４逓倍器と光周波数２逓倍器を縦続接続するものであるため，より簡易な構造で周波数８逓倍信号を得ることが可能となる。併せて，光ＳＮ比の低下を抑制することができる。そして，本発明者らは，上記知見に基づけば，従来技術の課題を解決できることに想到し，本発明を完成させた。

本発明の第１の側面は，周波数逓倍装置に関する。
本発明の周波数逓倍装置は，駆動信号源１０と，第１の光周波数逓倍器２０と，第２の光周波数逓倍器３０と，を備える。
駆動信号源１０は，周波数ｆの駆動信号を発生させる。
第１の光周波数逓倍器２０には，駆動信号が印加される。第１の光周波数逓倍器２０は，駆動信号の周波数を２Ｎ逓倍（Ｎは１以上の整数）させた周波数２Ｎｆの第１の周波数逓倍信号を発生させる。
第２の光周波数逓倍器３０には，第１の周波数逓倍信号が印加される。第２の光周波数逓倍器３０は，第１の周波数逓倍信号の周波数を２Ｍ逓倍（Ｍは１以上の整数）させた周波数２Ｍ・２Ｎｆの第２の周波数逓倍信号を発生させる。なお，ＭはＮと同じ値であっても良いし，異なる値であってもよい。

上記のように，本発明の周波数逓倍装置は，第１の光周波数逓倍器２０と第２の光周波数逓倍器３０とを縦続接続した構成を有している。これにより，周波数逓倍装置は，駆動信号の周波数を少なくとも４逓倍以上，好ましくは８逓倍以上させた周波数逓倍信号を得ることができる。従って，本発明は，比較的単純な構成で，幅広い周波数帯の高周波信号を生成することができる。さらに，本発明は，光周波数８逓倍器のような複雑な構造を用いる必要がないため，光周波数逓倍波の光ＳＮ比が低下することを抑制することができる。

本発明の周波数逓倍装置において，第１の光周波数逓倍器２０は，光源から入力された光を駆動信号（ｆ）によって変調し，奇数次又は偶数次の両側波帯成分を得て，当該両側波帯成分の周波数差を検出することで，当該周波数差に応じた第１の周波数逓倍信号（２Ｎｆ）を発生させるものであることが好ましい。同様に，第２の光周波数逓倍器３０は，光源から入力された光を第１の周波数逓倍信号（２Ｎｆ）によって変調し，奇数次又は偶数次の両側波帯成分を得て，当該両側波帯成分の周波数差を検出することで，当該周波数差に応じた第２の周波数逓倍信号（２Ｍ・２Ｎｆ）を発生させるものであることが好ましい。

上記のように，第１の光周波数逓倍器２０と第２の光周波数逓倍器３０は，駆動信号によって入力光を両側波帯（ＤＳＢ）変調する光変調器を備えるものであることが好ましい。そして，変調光の両側波帯の周波数差に基づいて周波数逓倍信号を得ることにより，駆動信号の周波数を正確に逓倍化させた逓倍信号を生成することができる。

本発明の周波数逓倍装置は，Ｎ＞Ｍの条件を満たすことが好ましい。つまり，周波数逓倍装置は，その前段部分に，より逓倍数の高い第１の光周波数逓倍器２０を配置し，その後段部分に逓倍数の低い第２の光周波数逓倍器３０を配置したものであることが好ましい。

上記構成のように構成することで，周波数逓倍装置全体の構造の複雑化を防止すると同時に，得られる光周波数逓倍波の光ＳＮ比が低下することを抑制できる。つまり，光周波数逓倍器によって，より逓倍数の高い周波数逓倍信号を得ようとすると，より電力の大きい駆動信号を印加する必要がある。このため，例えば，光周波数２逓倍器の後に光周波数４逓倍器を接続した場合，これらの両逓倍器の間に大電力のＲＦ増幅器を設置する必要が生じる。これに対し，光周波数４逓倍器を，より駆動信号源１０に近い位置に設け，光周波数４逓倍器の後に光周波数２逓倍器を接続することで，両逓倍器の間に設置するＲＦ増幅器を比較的単純なものとすることができる。さらに，光周波数４逓倍器の後段に光周波数２逓倍器を設けることで，最終段の逓倍器を単純な構成とすることができるため，得られる光周波数逓倍波の光ＳＮ比が低下することを抑制できる。

本発明の周波数逓倍装置は，Ｎ＝２，且つ，Ｍ＝１であることが好ましい。これにより，本発明は，駆動信号の周波数ｆを８逓倍させた周波数８ｆの第２の周波数逓倍信号を発生させる。

上記のように，第１の光周波数逓倍器２０が光周波数４逓倍器であり，第２の光周波数逓倍器３０が光周波数２逓倍器であって，これらの逓倍器を縦続接続することで，周波数８逓倍信号を得ることが，本発明の好ましい形態である。このように，光周波数８逓倍器のような複雑な構造を用いなくても，単純な光周波数２逓倍器と光周波数４逓倍器と接続することで，周波数８逓倍信号を容易に得ることができる。

本発明の第２の側面は，周波数逓倍方法に関する。
本発明の周波数逓倍方法は，
駆動信号源１０により，周波数ｆの駆動信号を発生させる工程と，
駆動信号を第１の光周波数逓倍器２０に印加する工程と，
第１の光周波数逓倍器２０により，駆動信号の周波数を２Ｎ逓倍（Ｎは１以上の整数）させた周波数２Ｎｆの第１の周波数逓倍信号を発生させる工程と，
第１の周波数逓倍信号を第２の光周波数逓倍器３０に印加する工程と，
第２の光周波数逓倍器３０により，第１の周波数逓倍信号の周波数を２Ｍ逓倍（Ｍは１以上の整数）させた周波数２Ｍ・２Ｎｆの第２の周波数逓倍信号を発生させる工程と，を含む。

本発明によれば，単純な構成で，光ＳＮ比の低下を抑制しつつ，マイクロ波帯だけでなく，ミリ波帯（例えば１００〜３００ＧＨｚ）やサブミリ波帯（例えば１ＴＨｚ〜）にまで達する高周波逓倍信号を得ることができる。また，通常の電気逓倍器では狭帯域動作しかできないのに対し，本発明の光周波数逓倍器を利用した逓倍装置であれば，光の原理的な広帯域性を利用することによって，逓倍帯域の超広帯域化が可能となる。さらに，一般的な電気逓倍器では増幅器等に起因した位相雑音の劣化が発生するのに対し，本発明の光周波数逓倍器を利用した逓倍装置であれば，理論位相雑音付加のみで逓倍動作が可能であり，原理的に雑音の小さい逓倍器構成が可能である。

図１は，本発明に係る周波数逓倍装置及び方法の基本原理を示したブロック図である。 図２は，本発明に係る周波数逓倍装置の実施例の構成を示している。 図３上段は，周波数４逓倍器内のＭＺＭの出力ポートで観測された光スペクトルを示し，図３下段は，周波数４逓倍器内のＰＤの入力ポートで観測された光スペクトルを示している。 図４は，周波数４逓倍信号の電力スペクトルを示している。 図５上段は，周波数２逓倍器内のＭＺＭの出力ポートで観測された光スペクトルを示し，図３下段は，周波数２逓倍器内のＰＤの入力ポートで観測された光スペクトルを示している。 図６は，ＳＧから発生した周波数１２．５ＧＨｚの駆動信号（ａ），周波数５０ＧＨｚの周波数４逓倍信号（ｂ），及び周波数１００ＧＨｚの周波数８逓倍信号（ｃ）のそれぞれについて，電気スペクトラム（上段）とＳＳＢ位相雑音特性（下段）を示している。 図７は，時間領域取得信号を用いて算出されたピリオドグラム（上段）とスペクトログラム（下段）を示している。図７より，入力された周波数チャープ信号は，８０〜１００ＧＨｚの帯域幅と０．５μｓのパルス持続時間を有していることがわかる。 図８上段は，周波数１８０ＧＨｚ（ａ），１８６ＧＨｚ（ｂ），１９４ＧＨｚ（ｃ），２００ＧＨｚ（ｄ），及び２０６ＧＨｚ（ｅ）での周波数８逓倍信号の電気スペクトラムを示している。図８下段は，ＰＤの入力ポードで観測された周波数１８０ＧＨｚ（ａ）及び２００ＧＨｚ（ｄ）の光波信号の光スペクトルを示している。

以下，図面を用いて本発明を実施するための形態について説明する。本発明は，以下に説明する形態に限定されるものではなく，以下の形態から当業者が自明な範囲で適宜修正したものも含む。

図１は，本発明に係る周波数逓倍装置及び周波数逓倍方法の基本原理を示している。周波数逓倍方法は，周波数逓倍装置１００により実現される。図１に示されるように，本発明に係る周波数逓倍装置１００は，基本的に，駆動信号源１０と，第１の光周波数逓倍器２０と，第２の光周波数逓倍器３０と，を備えている。

本発明に係る周波数逓倍装置１００は，駆動信号源１０から発生された電気信号の周波数を逓倍化させることができる。図１に示されるように，第１の光周波数逓倍器２０と第２の光周波数逓倍器３０は縦続接続されている。まず，駆動信号源１０から，周波数ｆの駆動信号が第１の光周波数逓倍器２０に入力される。すると，第１の光周波数逓倍器２０は，駆動信号の周波数を２Ｎ逓倍させた周波数２Ｎｆの第１の周波数逓倍信号を発生させる（ただしＮは１以上の整数）。また，この第１の周波数逓倍信号は，第１の光周波数逓倍器２０の後段に位置する第２の光周波数逓倍器３０に入力される。そして，第２の光周波数逓倍器３０は，第１の周波数逓倍信号の周波数を２Ｍ逓倍させた周波数２Ｍ・２Ｎｆの第２の周波数逓倍信号を発生させる（ただしＭは１以上の整数）。

具体的に説明すると，駆動信号源１０は，逓倍の対象となる駆動信号（電気信号）を発生させる。駆動信号源１０としては，公知の電気信号源を用いることができる。例えば，駆動信号源１０は，ラジオ周波数（ＲＦ）信号などの変調信号を発生する信号源を用いればよい。また，駆動信号源１０には，電気信号の電力を増幅させるための増幅器が接続されていてもよい。本願明細書において，駆動信号の周波数は“ｆ”で定義される。

第１の光周波数逓倍器２０は，駆動信号源１０からの駆動信号の周波数を逓倍化させた第１の周波数逓倍信号を生成する。第１の光周波数逓倍器２０は，まず，光変調器を含む。第１の光周波数逓倍器２０の光変調器には，所定の光源から発生された光が入力される。そして，第１の光周波数逓倍器２０の光変調器は，駆動信号源１０から印加された駆動信号に応じて，光源からの光を光強度変調する。そうすると，この変調光には，駆動信号と周波数が一致する搬送波成分（周波数ｆ）とともに，奇数次及び／又は偶数次の両側波帯成分（±Ｎｆ）が発生する。ここで，Ｎは１以上の整数である。つまり，Ｎは，側波帯成分の次数を意味しているということもできる。光変調器による変調方式は，搬送波成分を抑圧しない全搬送波両側波帯（ＤＳＢ−ＷＣ）変調であってもよいし，搬送波成分を抑圧した抑圧搬送波両側波帯（ＤＳＢ−ＳＣ）変調であってもよい。なお，搬送波成分が抑圧されない場合，光変調器からの出力光を光フィルタに入力して，搬送波成分を除去すればよい。このように動作する光変調器であれば，適宜公知のものを採用することができる。

例えば，第１の光周波数逓倍器２０に含まれる光変調器としては，マッハツェンダ干渉計型の光強度変調器（ＭＺＭ）を利用することが好ましい。ＭＺＭは，入力された光を２つの導波路に分岐させて，各導波路を通過させた後に，再度合波させる構成をもつ光変調器である。２つの導波路には，それぞれ駆動信号源１０からの駆動信号が印加されており，これにより駆動信号に応じた光変調信号が得られる。また，バイアス電源（図示省略）によって各導波路に印加するバイアス信号を調整して，各導波路を導波する光の位相変化量の差を変化させることで，変調器から出力される光成分の強度を変化させることができる。例えば，ＭＺＭに印加するバイアス電圧を伝達関数の透過極大点に設定することで，ＭＺＭからの出力光は，奇数次成分が抑圧され，偶数次成分と搬送波成分（０次成分）とが増強されるようになる。他方，ＭＺＭに印加するバイアス電圧を伝達関数の透過極小点に設定することで，ＭＺＭからの出力光は，奇数次成分が増強され，偶数次成分と搬送波成分（０次成分）が抑圧されるようになる。つまり，ＭＺＭによって強調する側波帯成分は，±１次成分であってもよいし，±２次成分であってもよいし，±３次成分以上の高調波成分であってもよい。なお，このようなＭＺＭの駆動方法は公知であるため，適宜公知の方法を用いることができる。

また，第１の光周波数逓倍器２０は，光検出器をさらに含む。光検出器は，ＭＺＭなどの光変調器び出力光を検出して電気信号に変換する。例えば，光検出器としては，公知のフォトダイオード（ＰＤ）などを用いることができる。具体的には，光検出器は，光変調器から出力された変調光に含まれる両側波帯成分の周波数差を検出する。変調光の両側波帯成分の周波数は，それぞれ，±Ｎｆで表すことができる。つまり，下側波帯成分の周波数は−Ｎｆであり，上側波帯成分の周波数は＋Ｎｆとなる。このため，両側波帯成分の周波数差は，２Ｎｆとなる。従って，光変調器と光検出器を含む第１の光周波数逓倍器２０によれば，駆動信号の周波数ｆを２Ｎ逓倍させた第１の周波数逓倍信号（周波数２Ｎｆ）を生成することができる。例えば，光変調器によって±１次成分を増強させる場合，第１の光周波数逓倍器２０は，周波数２逓倍信号を生成することができる。また，例えば，光変調器によって±２次成分を増強させる場合，第１の光周波数逓倍器２０は，周波数４逓倍信号を生成することができる。同様に，周波数６逓倍信号や周波数８逓倍信号を生成することも，理論上可能である

第２の光周波数逓倍器３０には，第１の周波数逓倍器２０によって得られた第１の周波数逓倍信号が駆動信号として入力される。これにより，第２の光周波数逓倍器３０は，第１の周波数逓倍信号の周波数を逓倍化させた第２の周波数逓倍信号を生成する。第２の光周波数逓倍器３０は，上述した第１の光周波数逓倍器２０と同じ原理で，周波数逓倍信号を生成することが可能である。つまり，第２の光周波数逓倍器３０は，第１の光周波数逓倍器２０と同様に，光変調器（マッハツェンダ干渉計型の光強度変調器等）と光検出器（フォトダイオード等）とを含んで構成されている。

具体的に説明すると，第２の光周波数逓倍器３０の光変調器には，所定の光源から発生された光が入力される。なお，第２の光周波数逓倍器３０に光を供給する光源と，第１の光周波数逓倍器２０に光を供給する光源は，同一であってもよいし異なっていてもよい。そして，第２の光周波数逓倍器３０の光変調器は，第１の光周波数逓倍器２０から印加された第１の周波数逓倍信号に応じて，光源からの光を光強度変調する。そうすると，この変調光には，第１の周波数逓倍信号と周波数が一致する搬送波成分（周波数２Ｎｆ）とともに，奇数次及び／又は偶数次の両側波帯成分（±Ｍ・２Ｎｆ）が発生する。ここで，Ｍは１以上の整数である。つまり，Ｍは，側波帯成分の次数を意味しているということもできる。なお，ＮとＭは，同一であってもよいし異なっていてもよい。また，光変調器による変調方式は，搬送波成分を抑圧しない全搬送波両側波帯（ＤＳＢ−ＷＣ）変調であってもよいし，搬送波成分を抑圧した抑圧搬送波両側波帯（ＤＳＢ−ＳＣ）変調であってもよい。搬送波成分が抑圧されない場合，光変調器からの出力光を光フィルタに入力して，搬送波成分を除去すればよい。

第２の光周波数逓倍器３０の光検出器は，光変調器からの出力光を検出して電気信号に変換する。具体的には，光検出器は，光変調器から出力された変調光に含まれる両側波帯成分の周波数差を検出する。第２の光周波数逓倍器３０の変調光が出力する両側波帯成分の周波数は，それぞれ，±Ｍ・２Ｎｆで表すことができる。つまり，下側波帯成分の周波数は−Ｍ・２Ｎｆであり，上側波帯成分の周波数は＋Ｍ・２Ｎｆとなる。このため，両側波帯成分の周波数差は，２Ｍ・２Ｎｆとなる。従って，第１の光周波数逓倍器２０と第２の光周波数逓倍器３０とを縦続接続した構成によれば，元となる駆動信号の周波数ｆを２Ｍ×２Ｎ逓倍させた第２の周波数逓倍信号（周波数２Ｍ・２Ｎｆ）を生成することができる。例えば，駆動信号の周波数を，第１の光周波数逓倍器２０によって２逓倍させて，第２の光周波数逓倍器３０によって２逓倍させる場合，結果として周波数４逓倍信号を得ることができる。また，駆動信号の周波数を，第１の光周波数逓倍器２０によって４逓倍させて，第２の光周波数逓倍器３０によって２逓倍させる場合，結果として周波数８逓倍信号を得ることができる。また，同様に，周波数１２逓倍信号，周波数１６逓倍器，及びさらに逓倍数の高い信号を生成することも，理論上可能である

また，第１の光周波数逓倍器２０と第２の光周波数逓倍器３０を縦続接続する構成において，第１の光周波数逓倍器２０により得られる逓倍信号の逓倍数と，第２の光周波数逓倍器３０により得られる逓倍信号の逓倍数とが重要になる。第１の光周波数逓倍器２０の逓倍数は２Ｎであり，第２の光周波数逓倍器３０の逓倍数は２Ｍである。このとき，Ｎの値は，Ｍの値よりも大きいことが好ましい（Ｎ＞Ｍ）。特に，第１の光周波数逓倍器２０の逓倍数は４であり，第２の光周波数逓倍器３０の逓倍数は２であることが好ましい。（２Ｎ＝４，２Ｍ＝２）。すなわち，光周波数逓倍器によって，より逓倍数の高い周波数逓倍信号を得ようとすると，より電力の大きい駆動信号を印加する必要がある。このため，例えば，光周波数２逓倍器の後に光周波数４逓倍器を接続した場合，これらの両逓倍器の間に大電力のＲＦ増幅器を設置する必要が生じる。これに対し，光周波数４逓倍器を，より駆動信号源１０に近い位置に設け，光周波数４逓倍器の後に光周波数２逓倍器を接続した構成とすることで，両逓倍器の間に設置するＲＦ増幅器を比較的単純なものとすることができる。さらに，光周波数４逓倍器の後段に光周波数２逓倍器を設けることで，最終段の逓倍器を単純な構成とすることができるため，得られる光周波数逓倍波の光ＳＮ比の低下を抑制することができる。

続いて，本発明に係る周波数逓倍装置及び周波数逓倍方法の実施例について説明する。図２は，実施例に係る周波数逓倍装置１００を示している。本実施例では，２つの光周波数逓倍器を縦続接続することによって，周波数８逓倍装置１００を構築した。周波数８逓倍装置１００は，光周波数４逓倍器２０と，光周波数２逓倍器３０を含む。まず，光周波数４逓倍器２０に駆動信号を入力し，周波数４逓倍信号を得た後，この周波数４逓倍信号を光周波数２逓倍器３０に入力した。これにより，２つの光周波数逓倍器２０，３０によって，周波数８逓倍信号が得られた。

具体的に説明すると，光源として，波長可変レーザ（ＴＬＤ）１を用いた。ＴＬＤ１は，＋１４ｄＢｍの出力光強度を有する波長約１５５０．７ｎｍの光を発生させるように調整した。ＴＬＤからの出力光は，２つに分離され，それぞれ，偏波コントローラ（ＰＣ）２，３を介して，光周波数４逓倍器２０の光変調器（ＭＺＭ）２１と，光周波数２逓倍器３０の光変調器（ＭＺＭ）３１に入力された。

光周波数４逓倍器２０において，マッハツェンダ干渉計型の光強度変調器（ＭＺＭ）２１は，変調器駆動増幅器（ＡＭＰ）１１を備えるマイクロ波信号源（ＳＧ）１０により駆動した。このＭＺＭ２１のバイアスは，伝達関数の透過極大点に設定した。すなわち，このＭＺＭ２１は，出力光の奇数次成分が抑圧され，偶数次成分と搬送波成分（０次成分）が増強されるように，バイアス電圧が印加されている。なお，バイアス電圧系は図示していない。ＭＺＭ２１からの出力光は，添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）２２，光帯域除去フィルタ（ＯＢＥＦ）２３，添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）２４，光パンドパスフィルタ（ＯＢＰＦ）２５，及びフォトダイオード（ＰＤ）２６の順に入力される。前段のＥＤＦＡ２２は，ＭＺＭ２１における挿入損失を補償するために設置した。ＯＢＥＦ２３は，ＥＤＦＡ２２を通過した搬送波成分を抑圧するためのノッチフィルタとして利用した。後段のＥＤＦＡ２４は，ＯＢＥＦ２３を通過した出力光を再び増幅するために設置した。ＯＢＰＦ２５は，ＥＤＦＡ２４に起因して増幅された自然放出雑音光を抑圧するためフィルタとして用いた。ＰＤ２６は，入力される光信号の光強度を検出可能なように最適化した。ＰＤ２６は，入力された光信号の周波数差を，これに対応する周波数成分を有する電気信号に直接変換する。±２次成分の間の周波数差は，ＳＧ１０から出力された駆動信号（電気信号）の４倍であるため，これらの成分の差周波を取ることによって，周波数４逓倍信号（電気信号）が生成された。

光周波数４逓倍器２０のＰＤ２６と光周波数２逓倍器３０のＭＺＭ３１とを，電線路４によって接続した。この電線路４には，周波数４逓倍信号を増幅するための変調器駆動増幅器（ＡＭＰ）２７を設けた。これにより，電線路４を介して，光周波数４逓倍器２０で生成された周波数４逓倍信号が，ＡＭＰ２７によって増幅された後，光周波数２逓倍器３０のＭＺＭ３１に印加された。

光周波数２逓倍器３０に含まれるＭＺＭ３１用の光源は，上記したＴＬＤ１から出力されて分離されたもう一方の光とした。ＭＺＭ３１に入力される光の偏光状態は，ＰＣ３によって維持されている。光周波数２逓倍器３０において，ＭＺＭ３１のバイアス点は，上記した光周波数４逓倍器２０とは反対に，伝達関数の透過極小点に設定した。つまり，このＭＺＭ３１には，出力光の奇数次成分が増強され，偶数次成分と搬送波成分（０次成分）が抑圧されるように，バイアス電圧を印加した。ＭＺＭ３１から出力された変調光は，前段のＥＤＦＡ３２を通過して増幅された後，ＯＢＥＦ３３によって残留搬送波成分が抑圧された。その後，後段のＥＤＦＡ３４によって，ＰＤ３６による検出のために，光信号を増幅した。最後に，ＰＤ３６によって，±１次成分が増強された光２トーン信号から周波数差を検出した。これにより，ＰＤ３６によって，元となる駆動信号の周波数を８倍にした周波数８逓倍信号が得られた

ここで，光周波数４逓倍器２０と光周波数２逓倍器３０を縦続接続する順序は，ミリ波信号などの高周波信号を生成するために，非常に重要となる。一般的に，光変調器（ＭＺＭ）からの出力光の振幅（光強度）は，印加されるＲＦ信号周波数（特に５０ＧＨｚの周波数）の増幅に伴って減少する。また，光変調器において，電気−光変換の周波数応答の劣化を防止するためには，ＲＦ信号の入力振幅をより増幅させる必要がある。しかし，偶数次成分（±２次成分）を増強させる必要のある光周波数４逓倍器２０は，光変調器の半波長電圧の１．５倍以上の入力ＲＦ振幅で動作させる必要がある。また，光周波数２逓倍器３０は，入力ＲＦ振幅の半波長電圧を必要とする。従って，本実施例において，光周波数４逓倍器の後段に光周波数２逓倍器を設けることは，光変調器と駆動条件を考慮する上で有益である。

また，周波数８逓倍装置１００の各ポイントにおいて生成された信号の性質を評価するために，時間領域と周波数領域を評価する２つのシステムを用いた。図２には，評価装置２００の概要が示されている。オシロスコープ（Ｓｃｏｐｅ）２１０は，信号の時間領域を評価するために使用した。なお，スコープの帯域幅は最終出力信号（周波数８逓倍信号）の測定には不十分であったため，周波数下方変換のために，局部発振器２２０に接続された二重平衡ミキサ（ＤＢＭ）２３０を備えるヘテロダイン検出器を使用し，局部発振器２２０を周波数７５ＧＨｚで駆動させた。この周波数領域において，単側波帯（ＳＳＢ）位相雑音測定機能を有する電気スペクトルアナライザ（ＥＳＡ）２４０を，高調波ミキサ（ＨＭ）２５０と共に使用した。

［Ａ．光周波数４逓倍］
光スペクトルは，光変調器による光周波数逓倍の評価のための指標となる。図３は，図２に示した光周波数８逓倍器１００の光周波数４逓倍器２０で観察された光信号の光スペクトルを示している。ＳＧ１０は，周波数１２．５ＧＨｚで駆動した。図３に示されるように，光変調器（ＭＺＭ２１）からの多くの調波成分が，偶数次成分を増幅させた条件として観察された。ただし，光変調器の消光比が低いため，１次成分が残留したままとなっている。本実施例では，光ファイバ通信用の市販の光変調器が用いられており，この変調器は２０〜３０ｄＢの典型的な消光比を有していた。このように消光比が低い値であると，奇数次成分（特に１次成分）を十分に抑制することができない。また，２つのマッハツェンダ干渉計を並列した構造の高消光比光変調器を用いることで，より鮮明な光信号を得ることができる。このようなマッハツェンダ干渉計並列型の光変調器を採用することも，本発明の好ましい形態である。また，ＯＢＥＦ２３は，搬送波成分とともに高次調和成分を抑圧することに成功し，ＯＢＥＦ２３を通過した光は２０ｄＢを超える抑圧比を有していた。これにより，４０ｄＢを超えるサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）によって，５０ＧＨｚの周波数差を有する光２トーン信号が生成された。

また，図４は，光周波数４逓倍器２０によって生成された周波数５０ＧＨｚの４逓倍信号の電気スペクトルを示している。周波数１２．５，２５，及び３７．５ＧＨｚのサブ調和成分が観測されたが，３０ｄＢを超えるサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）を達成することに成功した。スプリアス成分（擬似成分）が調和成分に伴って現れていないため，鮮明な周波数４逓倍信号の生成に成功したといえる。

［Ｂ．光周波数８逓倍］
周波数８逓倍信号を得るためには，上述した周波数４逓倍信号をさらに２逓倍する必要がある。図５は，周波数２逓倍器の各ポイントで観測された光信号の光スペクトルを示している。図５の上段に示されるように，バイアス点が透過極小点に設定されたＭＺＭ３１により，抑圧搬送波両側波帯（ＤＳＢ−ＳＣ）変調が行われた。光変調器（ＭＺＭ３１）の消光比が２０ｄＢ未満であったため，搬送波成分の抑圧比は約１０ｄＢ程度であった。また，増幅器が低出力であったため，周波数５０ＧＨｚの高速変調では，入力信号のため十分な振幅を得ることができなかった。ただし，大きな周波数差は，例えばファイバブラッグ格子フィルタ（ＦＢＧＦ）のような高消光比光フィルタに適用することができる。このように，ＭＺＭ３１の出力光の搬送波成分は，ＯＢＥＦ３３を用いて，６０ｄＢを超える消光比で抑圧された。これにより，１００ＧＨｚの周波数差を有する光２トーン信号が生成された。この光２トーン信号の光成分のサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）は，３０ｄＢを超えるものであった。また，光検出は二乗検波によって続けられるため，電気領域において実現可能なサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）は６０ｄＢであった。以上のように，光変調技術によって，１２．５ＧＨｚの電信信号周波数から，１００ＧＨｚの光周波数を得ることが可能な周波数８逓倍が実証された。

また，ＳＳＢ位相雑音は，通信システムやレーダ装置などのアプリケーション用の電気信号の重要な特性の一つである。図６は，ＳＧ１０から発生した周波数１２．５ＧＨｚの駆動信号（ａ），周波数５０ＧＨｚの周波数４逓倍信号（ｂ），及び周波数１００ＧＨｚの周波数８逓倍信号（ｃ）のそれぞれについて，電気スペクトラム（上段）とＳＳＢ位相雑音特性（下段）を示している。所望の信号付近における周波数領域でのスペクトルは，スプリアス成分（擬似成分）を一切伴わずに，鮮明に現れている。結果的に得られた信号対雑音比（ＳＮＲ）は，５０ＧＨｚでは５０ｄＢ以上であり，１００ＧＨｚでは７０ｄＢ以上であった。このようなＳＮＲの違いは，電気スペクトルアナライザ（ＥＳＡ）のノイズレベルが原因であると考えられる。一般的に，高調波ミキサ（ＨＭ）に対する局部発振器の周波数は，５０ＧＨｚよりもノイズレベルが良好な２０ＧＨｚ以下である。

また，図６には，観測されたそれぞれの信号（ａ）〜（ｃ）について，位相雑音のスペクトルが示されている。５０ＧＨｚ（ｂ）及び１００ＧＨｚ（ｃ）で観測された位相雑音は，それぞれ，１００ｋＨｚのオフセット周波数において，約１１．６ｄｂ及び１９．２ｄＢまで減衰していた。これらの値は，２０ｌｏｇ・ｍによる周波数逓倍によって得られた単一の位相雑音減衰とよく一致している。なお，ここで，“ｍ”は，逓倍数を意味している。これらの値は，ｍ＝４及び８である場合に，それぞれ，約１２及び１８ｄＢであった。このような結果は，縦続接続された２つの光周波数逓倍器を利用した光周波数８逓倍装置１００が，単一の周波数８逓倍器と同様に機能していたことを示している。ただし，１００〜１０ｋＨｚにおけるオフセット周波数でのピーク構造は，光周波数逓倍によって観測され，波長可変レーザ（ＴＬＤ）１に存在する自動出力制御信号によって引き起こされた可能性がある。１００ＧＨｚ信号に対して観測された位相雑音は，５０ＧＨｚ信号に対するものより低いものであったが，上述したように，電気スペクトルアナライザ（ＥＳＡ）２４０の減衰されたノイズレベルによって引き起こされたと考えられる。

［Ｃ．周波数チャープ信号の生成］
レーダシステムのような画像化アプリケーションを，本発明に係る縦続接続型の周波数逓倍装置１００によって構成することが可能であることを実証するために，ここでは，周波数チャープ信号の生成を検討する。

周波数逓倍装置１００を用いた周波数チャープの生成は，オシロスコープ２１０によって構成された時間領域評価装置（図７）を用いて実証されている。入力光源として用いられる周波数ランプ信号（傾斜信号）は，０．５ｓのパルス持続時間を有する１０〜１２．５ＧＨｚの帯域幅に設定されている。結果として得られた周波数チャープ信号は，同じ持続時間を有する８０〜１００ＧＨｚで明確に観測された。周波数約１００ＧＨｚでのピーク構造は，オシロスコープの漏れたクロック信号に起因するものであった。マイクロ波シンセサイザは，メインピークの周囲に従属ピークを提供している。５０Ｇｓａｍｐｌｅｓ／ｓのサンプリングレートを有する任意波形発生器を高速周波数信号源として使用したため，ある程度の従属ピークが，デジタル／アナログ変換のフォールディングモード（Ｆｏｌｄｉｎｇ Ｍｏｄｅｓ）に起因して存在していると予想された。図７に示された鮮明なチャープの反応は，本発明に係る縦続接続型の周波数逓倍装置１００の構成が，より高い周波数帯域の周波数変調信号源に適用可能であるという，優れた可能性を示している。

［Ｄ．Ｇバンド信号の生成］
ここでは，本発明に係る縦続接続型の周波数逓倍装置１００の構成が，高周波信号を生成するための能力を備えることを説明する。図８は，２２．５〜２５ＧＨｚの周波数範囲における入力駆動信号から得られた最終的な周波数８逓倍信号のスペクトルを示している。図８の上段に示されるように，約１８０〜２００ＧＨｚの高周波信号を生成することに成功した。周波数１８０ＧＨｚの信号から得られた電気ＳＮＲの観測値は，約２０ｄＢであった。約−９８ｄＢの小さな信号ピークが，高調波ミキサ（ＨＭ）上の画像から生じている。出力周波数で観測されたピーク電力の変動は，光信号のＳＮＲの減衰によるものであった。図８の下段は，２トーン信号の光ＳＮＲが周波数の増幅に伴って減衰することを示している。これは，１００ＧＨｚ変調時の光変調器と変調器ドライバの周波数応答とによって引き起こされた光変調器の変調指数の減少が原因であると考えられる。一方，高調波ミキサ（ＨＭ）の周波数応答の変動が，観測されたパワーの変動を引き起こしていると考えられる。縦続接続型の周波数逓倍装置１００は，低位相雑音特性を有するサブミリ波信号（テラヘルツ信号ともいう）を生成することが可能であることが実証された。

以上，本願明細書では，本発明の内容を表現するために，図面を参照しながら本発明の実施形態及び実施例の説明を行った。ただし，本発明は，上記実施形態に限定されるものではなく，本願明細書に記載された事項に基づいて当業者が自明な変更形態や改良形態を包含するものである。

例えば，第１の光周波数逓倍器と第２の光周波数逓倍器だけでなく，さらに第３の光周波数逓倍器や第４の光周波数逓倍器を縦続接続して，周波数逓倍装置を構築することも理論上可能である。この場合，第２の光周波数逓倍器によって生成された周波数逓倍信号を，第３の光周波数逓倍器の光変調器に印加して周波数逓倍信号を生成したり，さらに，第３の光周波数逓倍器によって生成された周波数逓倍信号を，第４の光周波数逓倍器の光変調器に印加して周波数逓倍信号を得ることもできる。

本発明は，サブミリ波帯にまで達する幅広い高周波信号を生成することが可能な高周波逓倍装置及び逓倍方法に関する。従って，本発明は，例えば，ミリ波・サブミリ波の高精度信号源や，ミリ波・サブミリ波のレーダ信号発生源として有効に利用することができる。

１０…駆動信号源
２０…第１の光周波数逓倍器
３０…第２の光周波数逓倍器
１００…周波数逓倍装置

Claims (5)

1. 周波数ｆの駆動信号を発生させる駆動信号源（１０）と，
   前記駆動信号が印加され，前記駆動信号の周波数を２Ｎ逓倍（Ｎは１以上の整数）させた周波数２Ｎｆの第１の周波数逓倍信号を発生させる第１の光周波数逓倍器（２０）と，
   前記第１の周波数逓倍信号が印加され，前記第１の周波数逓倍信号の周波数を２Ｍ逓倍（Ｍは１以上の整数）させた周波数２Ｍ・２Ｎｆの第２の周波数逓倍信号を発生させる第２の光周波数逓倍器（３０）と，を備える
   周波数逓倍装置。
2. 前記第１の光周波数逓倍器（２０）は，
   光源から入力された光を前記駆動信号（ｆ）によって変調し，奇数次又は偶数次の両側波帯成分を得て，当該両側側波帯成分の周波数差を検出することで，当該周波数差に応じた前記第１の周波数逓倍信号（２Ｎｆ）を発生させるものであり，
   前記第２の光周波数逓倍器（３０）は，
   光源から入力された光を前記第１の周波数逓倍信号（２Ｎｆ）によって変調し，奇数次又は偶数次の両側波帯成分を得て，当該両側側波帯成分の周波数差を検出することで，当該周波数差に応じた前記第２の周波数逓倍信号（２Ｍ・２Ｎｆ）を発生させるものである
   請求項１に記載の周波数逓倍装置。
3. Ｎ＞Ｍの条件を満たす
   請求項１又は請求項２に記載の周波数逓倍装置。
4. Ｎ＝２，且つ，Ｍ＝１であることにより，
   駆動信号の周波数ｆを８逓倍させた周波数８ｆの第２の周波数逓倍信号を発生させる
   請求項３に記載の周波数逓倍装置。
5. 駆動信号源（１０）により，周波数ｆの駆動信号を発生させる工程と，
   前記駆動信号を第１の光周波数逓倍器（２０）に印加する工程と，
   前記第１の光周波数逓倍器（２０）により，前記駆動信号の周波数を２Ｎ逓倍（Ｎは１以上の整数）させた周波数２Ｎｆの第１の周波数逓倍信号を発生させる工程と，
   前記第１の周波数逓倍信号を第２の光周波数逓倍器（３０）に印加する工程と，
   前記第２の光周波数逓倍器（３０）により，前記第１の周波数逓倍信号の周波数を２Ｍ逓倍（Ｍは１以上の整数）させた周波数２Ｍ・２Ｎｆの第２の周波数逓倍信号を発生させる工程と，を含む
   周波数逓倍方法。

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