JP2016061579A - マイクロ波センサ及びマイクロ波測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精度が高くダイナミックレンジが広い計測ができ、振動や温度揺らぎなどの影響を受けにくいマイクロ波センサ及びマイクロ波測定方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るマイクロ波センサは、マイクロ波変調光信号のＤＣ成分（光中心周波数）の除去を行う際、図７のようにＯＥ変換サイトではなく、モノリシックＥＯチップを用いてアンテナサイトで行うことで安定性を改善することとした。さらに、本発明は、ＥＡＭに直列接続した可変抵抗を調節することで、ＤＣ成分除去の最適化を可能としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光をマイクロ波で変調した光信号を利用する無給電型のマイクロ波センサ、及びそのマイクロ波測定方法に関するものである。

マイクロ波とは周波数が３００ＭＨｚから３００ＧＨｚの電波であり、ミリ波、センチ波、及び極超短波を含む呼称である。
様々なマイクロ波／ミリ波機器及びシステムのＥＭＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）計測や電波伝搬計測分野では、光ファイバと光電子デバイスを組み合わせ、光をマイクロ波／ミリ波で変調して送受信する計測手法が新技術として注目されている。同軸ケーブルや金属導波管を光ファイバで置き換えることにより、電波環境への擾乱を減らしてより高精度な計測ができることに加え、光ファイバの信号減衰ロスが小さいという特性を生かして、遠隔的な計測が可能となるからである。ここで、光ファイバを伝送ラインとするマイクロ波／ミリ波の送信と受信には、それぞれ、光電気（ＯＥ）変換デバイス（典型的にはフォトダイオード）と電気光（ＥＯ）変換デバイスが必要となるが、これらのデバイスは、電波環境への擾乱を避けるため、電気的な給電が不要な“無給電動作＝ゼロバイアス動作”であることが望ましい（例えば、非特許文献１及び２を参照。）。

参考文献２には、半導体で製作される電界吸収光変調器（ＥＡＭ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）をＥＯ変換デバイスとしてゼロバイアス動作させることにより、良好なマイクロ波受信を実現できることが報告されている。ここで使われたＥＡＭは反射形の構成を取っており、連続光信号をＥＡＭモジュールに送り、マイクロ波で変調された光信号を反射光として戻し、それをフォトダイオードによりマイクロ波に再ＯＥ変換する。

マイクロ波・ミリ波を受信する際、通常、観測する電力レベルは比較的低いので、通常は、ＥＡＭの光変調度が小さい状態で動作する。その状態では、戻り光信号はほとんど直流成分からなる。光信号からフォトダイオードを用いてマイクロ波に再ＯＥ変換すると、光電力の直流成分に依存する電流ショット雑音のためにＳＮ比が劣化してしまう、という問題が生じる。

この問題を解決する手法として、特許文献１には、「マイクロ波変調光信号と、位相を制御した逆位相の連続光との干渉信号を用いる手法」が提案されている。図７に示した様に、レーザ光源（４１）から出射された連続光を３ｄＢ光カプラ（４３）で分割、一方の連続光を光サーキュレータ（４５）を通して電界吸収形光変調器（ＥＡＭ）（４４Ａ−４４Ｇ）に送り、マイクロ波でＥＯ変調された光信号を反射光として光送信側に戻す。光サーキュレータを通過した光信号は、元のレーザ光と３ｄＢ光カプラ（４８）で干渉させ、フォトダイオード（４９）でマイクロ波信号に再ＯＥ変換、その後電気アンプ（５０）で増幅される。ここで、反射光信号の中心周波数（搬送光）成分を抑圧すべく、逆位相の連続光の光位相と強度を、光位相調整器（３６）及び光アテネータ（４７）を用いて調整する。結局、上記の信号干渉の結果、ＤＣ成分である光変調信号の光中心周波数のスペクトル強度（搬送光成分）が抑制されて変調成分がフォトダイオード（４９）の主たる受光信号となるので、フォトダイオード（４９）の受信電流レベルは大きく低減する。

一方、変調成分の信号強度は、干渉の影響を受けず、光カプラ（４８）での３ｄＢの低下のみであるから搬送光成分に対して相対的に光強度が大きくなる。このため、変調成分をフォトダイオード（４９）で電気信号に変換した際のＳＮ比が改善され、より精度が高くダイナミックレンジが広いマイクロ波の観測が可能となる。

特願２０１３−１９９００９

鳥畑 成典 「導波路型電界センサの実用化と将来展望」，レーザー研究，２００５年６月，ｐｐ． ３８４−３８８． Ｓ． Ｋｕｒｏｋａｗａ ｅｔ ａｌ．， "Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｅｍｉ−ａｎｅｃｈｏｉｃ Ｃｈａｍｂｅｒ Ｕｓｉｎｇ Ｚｅｒｏ Ｂｉａｓｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ"， ２０１０ ＩＥＥＥ Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈ． ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ （ＩＣＷＩＳ） ｐｐ．１−４， ２０１０．

しかしながら、特許文献１に開示されている技術は、マイクロ波観測（ＥＯ変換）サイト（５２）と、信号処理（ＯＥ変換）サイト（５３）との間は光ファイバ伝送ライン（５１）で接続されている。その結果、光ファイバ伝送ラインが長くなるに従って、振動や温度揺らぎなどの影響で、マイクロ波変調光信号が波長分散や偏波モード分散に由来する擾乱を受けてしまい、必ずしも安定な干渉操作ができない、という課題がある。マイクロ波変調光を常時モニタすることにより、逆位相の連続光の位相と強度にフィードバックすることは原理的に可能であるが、測定システムは複雑にならざるを得ない。

すなわち、「背景技術」において説明した様に、光ファイバと電気光／光電気変換デバイスを組み合わせることにより、無給電状態で動作するマイクロ波／ミリ波センサを構成することができ、より精度が高くダイナミックレンジが広い計測のためには、「マイクロ波変調光信号の中心周波数のスペクトル強度を抑制した光電気再変換」がＳＮ比の改善に大きな効果がある。その様な「光電気再変換」は、同一の半導体レーザから分割された連続光信号とマイクロ波変調光信号との干渉操作を行うことにより実現できる。しかしながら、従来の計測系構成によれば、振動や温度揺らぎなどの影響で、必ずしも安定な干渉操作ができないという課題がある。特に、マイクロ波観測サイトと光電気変換サイトとの間が長い光ファイバ伝送ラインで接続されている場合に、大きな問題となる。

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、精度が高くダイナミックレンジが広い計測ができ、振動や温度揺らぎなどの影響を受けにくいマイクロ波センサ及びマイクロ波測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、マイクロ波変調光信号のＤＣ成分（光中心周波数）の除去を行う際、図７のようにＯＥ変換サイトではなく、モノリシックＥＯチップを用いてアンテナサイトで行うことで安定性を改善することとした。さらに、本発明は、ＥＡＭに直列接続した可変抵抗を調節することで、ＤＣ成分除去の最適化を可能としている。

具体的には、本発明に係るマイクロ波センサは、
１つの光源からの搬送光を２分岐する分岐手段と、
前記分岐手段で分岐された搬送光の少なくとも一方を電気信号で変調するとともに、互いの平均光強度を違えた出力光を出力する２つの光変調手段と、
前記光変調手段が出力する前記２つの光変調手段からの出力光を合波して干渉させ、搬送光成分を低減させた干渉光を出力する干渉手段と、
を同一基板上に備える。

本マイクロ波センサは、被観測マイクロ波で変調された光信号をそのまま光ファイバで伝送するのではなく、１つの基板上で干渉させてマイクロ波変調光信号のＤＣ成分の除去を行う。ＤＣ成分を除去するため、精度が高くダイナミックレンジが広い計測ができ、マイクロ波変調光信号を光ファイバで伝送しないため、振動や温度揺らぎの影響を受けにくい。

従って、本発明は、精度が高くダイナミックレンジが広い計測ができ、振動や温度揺らぎなどの影響を受けにくいマイクロ波センサを提供することができる。

本発明に係るマイクロ波センサの前記光変調手段は、カソードを接地した導波路形電界吸収光変調器であり、
それぞれの前記導波路形電界吸収光変調器のアノードは、抵抗器を介して接地され、
少なくとも１つの前記抵抗器は、前記変調手段が出力する出力光の平均光強度を調整する可変抵抗器であり、
少なくとも１つの前記導波路形電界吸収光変調器のアノードと前記抵抗器との間に前記電気信号が入力される電気信号入力ポートが接続される
ことを特徴とする。
可変抵抗器でＥＡＭから出力される光の平均光強度を調節することで、ＤＣ成分除去の最適化が可能となる。

本発明に係るマイクロ波センサの前記光変調手段は、前記導波路形電界吸収光変調器からの光を反射して前記導波路形電界吸収光変調器に再度入力する反射器を有しており、
前記分岐手段と前記干渉手段は、同一の光カプラであることを特徴とする。
マイクロ波センサの小型化及び省部品化が可能である。

本発明に係るマイクロ波測定方法は、前記マイクロ波センサでのマイクロ波測定方法であって、
前記光源から搬送光を前記分岐手段へ入力する搬送光入力ステップと、
前記電気信号を前記電気信号入力ポートに入力する電気信号入力ステップと、
前記干渉手段から出力される干渉光を受光器で受光して電気信号に変換する光電変換ステップと、
前記光電変換ステップで変換された電気信号の周波数が前記電気信号入力ステップで入力した電気信号の周波数と等しくなるように前記可変抵抗器を調整する調整ステップと、
を備える。
ＤＣ成分除去の最適化は、干渉手段で干渉させた光をＯＥ変換した電気信号に主信号の二次高調波が含まれない範囲で主信号強度を最大とし、平均電流を最小とすべく可変抵抗器を調節することで実現できる。

本発明は、精度が高くダイナミックレンジが広い計測ができ、振動や温度揺らぎなどの影響を受けにくいマイクロ波センサ及びマイクロ波測定方法を提供することができる。

本発明に係るマイクロ波センサを説明する図である。 本発明に係るマイクロ波センサを説明する図である。 本発明に係るマイクロ波センサの動作を説明する図である。 本発明に係るマイクロ波センサの動作を説明する図である。 本発明に係るマイクロ波センサの動作を説明する図である。 本発明に係るマイクロ波センサを説明する図である。 本発明に関連するマイクロ波センサを説明する図である。

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。

（実施形態１）
図１は、本実施形態のマイクロ波センサ３０１を説明する模式図である。
マイクロ波センサ３０１は、
１つの光源からの搬送光を２分岐する分岐手段と、
前記分岐手段で分岐された搬送光の少なくとも一方を電気信号で変調するとともに、互いの平均光強度を違えた出力光を出力する２つの光変調手段と、
前記光変調手段が出力する前記２つの光変調手段からの出力光を合波して干渉させ、搬送光成分を低減させた干渉光を出力する干渉手段と、
を同一基板上に備える。

そして、前記光変調手段は、カソードを接地した導波路形電界吸収光変調器であり、
それぞれの前記導波路形電界吸収光変調器のアノードは、抵抗器とインダクタを介して接地され、
少なくとも１つの前記抵抗器は、前記変調手段が出力する出力光の平均光強度を調整する可変抵抗器であり、
少なくとも１つの前記導波路形電界吸収光変調器のアノードと前記抵抗器／インダクタ回路との間に前記電気信号が入力される電気信号入力ポートが接続される。

図１を用いてより詳細に説明する。マイクロ波センサ３０１は、電気光変換チップ基板と外部回路を含む。電気光変換チップ基板１２は、光入力ポート１、入力光導波路２、２×２ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）光カプラ３、分岐光導波路（４Ａ〜４Ｆ）、導波路形電界吸収変調器（ＥＡＭ）（５Ａ、５Ｂ）、電気信号入力ポート（６Ａ、６Ｂ）、２×２ＭＭＩ光カプラ７、出力光導波路８、及び光信号出力ポート９が形成される。そして、電気信号入力ポート（６Ａ、６Ｂ）には、それぞれ、可変抵抗器（１０Ａ、１０Ｂ）とインダクタンス（１１Ａ、１１Ｂ）が外部回路として直列接続される。

２×２ＭＭＩ光カプラ３が前記分岐手段に相当し、電気信号入力ポート（６Ａ、６Ｂ）、可変抵抗器（１０Ａ、１０Ｂ）、インダクタンス（１１Ａ、１１Ｂ）及び導波路形ＥＡＭ（５Ａ、５Ｂ）が前記光変調手段に相当し、２×２ＭＭＩ光カプラ７が前記干渉手段に相当する。

入力光導波路２、２×２ＭＭＩ光カプラ（３、７）、分岐光導波路（４Ａ〜４Ｆ）、導波路形ＥＡＭ（５Ａ、５Ｂ）、電気信号入力ポート（６Ａ、６Ｂ）、出力光導波路８は、電気光変換チップ基板１２上にモノリシック集積されており、可変抵抗器（１０Ａ、１０Ｂ）とインダクタンス（１１Ａ、１１Ｂ）は、チップの外に電気的な実装により接続する。

このマイクロ波センサの製作手法は、１．５μｍ帯の光通信用送信デバイスの製作手法と変わらず、例えば、１０Ｇｂ／ｓ用のＤＦＢレーザ／電界吸収変調器集積デバイスの技術を用いれば容易に製作可能である。

導波路形ＥＡＭ（５Ａ、５Ｂ）は、典型的にはダブルヘテロｐｉｎ形ダイオード構造を持ち、逆バイアス電圧を大きくするに従い、光吸収が増大する。使用する光波長に応じて、導波路のコア層の構造を調整することにより、ゼロバイアスでも動作させることができることがわかっている。

各々の導波路形ＥＡＭは、カソードが接地され、それぞれ、インダクタンス（１１Ａ、１１Ｂ）と可変抵抗（１０Ａ、１０Ｂ）が直列接続され、“バイアス回路”として機能する。光が導入されない状態では、各導波路形ＥＡＭはゼロバイアス（電圧が印加されない状態）である。一方、光が導入されると、各導波路形ＥＡＭは光吸収に伴う光電流を発生し、この光電流が流れることで可変抵抗に電圧降下が発生する。このため、その電圧降下分だけ、各導波路形ＥＡＭのバイアス電圧は順バイアス側にシフトする。この順方向のバイアスシフトは、導波路形ＥＡＭの光吸収率を下げる（透過光強度を上げる）ので、抵抗値を変えることにより、一定の光入力に対する透過光強度を調整することができる。

なお、インダクタンスと可変抵抗からなるバイアス回路は、ＤＣ的には可変抵抗（１０Ａ、１０Ｂ）の値、ＲＦ的には高インピーダンスとなる。従って、電気信号入力ポート（６Ａ、６Ｂ）から見た高周波インピーダンスは、導波路形ＥＡＭのインピーダンスと等しくなる。

マイクロ波センサ３０１を用いたマイクロ波測定方法を以下に説明する。
本マイクロ波測定方法は、
光源から搬送光を前記分岐手段へ入力する搬送光入力ステップと、
電気信号を前記電気信号入力ポートに入力する電気信号入力ステップと、
前記干渉手段から出力される干渉光を受光器で受光して電気信号に変換する光電変換ステップと、
前記光電変換ステップで変換された電気信号の周波数が前記電気信号入力ステップで入力した電気信号の周波数と等しくなるように前記可変抵抗器を調整する調整ステップと、
を備える。

［搬送光入力ステップ］
光入力ポート１には、外部のレーザ等（不図示）から搬送光が導入される。光入力ポート１から導入される搬送光は、入力光導波路２を通過し、その電力が２×２ＭＭＩ光カプラ３で２分割され、分岐光導波路（４Ａ、４Ｂ）を通過し導波路形ＥＡＭ（５Ａ、５Ｂ）に到達する。

［電気信号入力ステップ］
電気信号入力ポート（６Ａ、６Ｂ）には、受信したマイクロ波の電気信号が入力される。電気信号入力ポート（６Ａ、６Ｂ）に入力された電気信号により、搬送光が導波路形ＥＡＭ（５Ａ、５Ｂ）で強度変調され、それらが分岐光導波路（４Ｃ、４Ｆ）出力され、さらに、２×２ＭＭＩ光カプラ７で両光信号が干渉する。ここで、分岐光導波路４Ｅには、光位相が同相の重ね合わせ、分岐光導波路４Ｆには光位相が逆相の重ね合わせで出力される。この干渉状態は、２×２タイプ、ないしは方向性結合器タイプの光カプラに一般的な特性であり、カプラ出力の２つの光信号の位相が９０°の差があることに由来する。

［光電変換ステップ］
光位相が逆相の状態で変調信号が重ね合わせられると、ＤＣ光部分（搬送光成分）の少ないマイクロ波変調光信号を取り出すことができる。フォトダイオードで再ＯＥ変換した際にフォトダイオード電流レベルがはるかに低くなるので、ショット雑音が低下しＳＮ比が高くなる。

［調整ステップ］
この様な干渉によりマイクロ波変調光信号を得る場合、マイクロ波の位相に加え、相互の光強度の調整が必要である。図１の導波路型ＥＡＭ（ダイオード）の配置の場合、変調光信号の振幅を最大にするためには、マイクロ波の電気信号は逆相で入力する必要がある。そして、相互の光強度については、干渉後の光信号の光位相の反転が起こらない範囲で重ね合わせを行うべきである。そのために、２×２ＭＭＩ光カプラ７に入力される各々の光電界振幅の平均値に一定以上の差があることが不可欠である。本発明によれば、可変抵抗（１０Ａ、１０Ｂ）の値を調整することで、ＥＡＭのバイアス電圧変化で光吸収状態を変え、２×２ＭＭＩ光カプラ（７）に入力される各々の光電界振幅を変えることができる。光電界振幅の調整は、可変抵抗（１０Ａ、１０Ｂ）の値の設定は、いずれか片方を調整すればよい。

より具体的に調整方法を説明する。一例として２×２ＭＭＩ光カプラ７に入力される各々の光電界振幅の平均値がほぼ等しい場合を考える。この状態では、２×２ＭＭＩ光カプラ７から出力される逆位相干渉光（分岐光導波路４Ｆ）は、光強度変調の位相と光位相がともに逆位相となるので、半周期毎に位相反転した光信号となる。この光信号がＯＥ変換されると、（詳細には後述の様に）その周波数は電気信号の周波数の２倍の周波数となる。一方、２×２ＭＭＩ光カプラ７に入力される各々の光電界振幅の平均値を干渉後に光位相の位相反転が起こらない様に調整した場合、２×２ＭＭＩ光カプラ７から出力される干渉光の光電界振幅は電気信号入力ポート（６Ａ、６Ｂ）に入力した電気信号の周波数となる。このため、２×２ＭＭＩ光カプラ７から出力される干渉光の光電界振幅が電気信号入力ポート（６Ａ、６Ｂ）に入力した電気信号の周波数となるように可変抵抗器１０Ａ又は可変抵抗器１０Ｂを変化させ、光吸収状態を調整する。

（実施形態２）
図２は、本実施形態のマイクロ波センサ３０２を説明する図である。図１のマイクロ波センサ３０１に対し、マイクロ波センサ３０２は、前記光変調手段が、前記導波路形電界吸収光変調器からの光を反射して前記導波路形電界吸収光変調器に再度入力する反射器を有しており、前記分岐手段と前記干渉手段が、同一の光カプラであることを特徴とする。

マイクロ波センサ３０２は、もっとも簡便な形態の例である。マイクロ波センサ３０２は、図１のマイクロ波センサ３０１の２×２ＭＭＩ光カプラ７を排し、連続レーザ光（搬送波）の電力分岐とマイクロ波変調光信号の干渉操作を一つの２×２ＭＭＩ光カプラ２３で行う。一方の導波路形ＥＡＭに電気信号入力ポート２６を配置し、他方は無入力（ＤＣ固定）とする。もちろん、第１の実施形態の様に、電気信号を両方のＥＡＭに入力する形態も可能であることは言うまでもない。

図２を用いてより詳細に説明する。マイクロ波センサ３０２は、電気光変換チップ基板と外部回路を含む。電気光変換チップ基板２９は、光入出力ポート２１、入出力光導波路２２、２×２ＭＭＩ光カプラ２３、分岐光導波路（２４Ａ〜２４Ｄ）、導波路形ＥＡＭ（２５Ａ、２５Ｂ）、電気信号入力ポート２６が形成される。そして、電気信号入力ポート２６Ａには、可変抵抗２７Ａとインダクタンス２８が外部回路として直列に接続される。一方、電気信号入力ポート２６Ｂには、可変抵抗２７Ｂが外部回路として接続される。本実施形態では、前記反射器として端面（４０Ａ、４０Ｂ）を利用する場合を説明するが、端面（４０Ａ、４０Ｂ）にミラーを配置してもよい。
これらの各機能は、実施形態１での説明と同じである。

図３は、マイクロ波センサ３０２の各部分における光の状態を説明する図である。
マイクロ波（周波数ｆ_ｍ）を電気に変換した電気信号が電気信号入力ポート２６から入力される。搬送光（ＣＷ光）が光入出力ポート２１から入力される。２×２ＭＭＩ光カプラ２３で分岐された一方の搬送光（π／２位相遅れ）は、導波路形ＥＡＭ２５Ａでこの電気信号（周波数ｆ_ｍ）で変調される。そして、変調された光信号は、電気光変換チップ基板２９の光入出力ポート２１と反対側の端面４０Ａで、例えば、同光位相状態で反射し、再度、導波路形ＥＡＭ２５Ａを通過する。一方、２×２ＭＭＩ光カプラ２３で分岐された他方の搬送光（位相遅れ無）は、導波路形ＥＡＭ２５Ｂを通過する。そして、この搬送光は、電気光変換チップ基板２９の光入出力ポート２１と反対側の端面４０Ｂで、例えば、同光位相状態で反射し、再度、導波路形ＥＡＭ２５Ｂを通過する。

これらの光は、２×２ＭＭＩ光カプラ２３で干渉する。２×２ＭＭＩ光カプラ２３において、導波路形ＥＡＭ２５Ａからのπ／２位相遅れの光信号はさらにπ／２位相遅れ、導波路形ＥＡＭ２５Ｂからの位相遅れ無の搬送光と合波して光入出力ポート２１へ出力される。すなわち、光入出力ポート２１からは、光が逆相で重ね合わされ、ＤＣ光部分の少ない光信号が出力される。一方、２×２ＭＭＩ光カプラ２３において、導波路形ＥＡＭ２５Ｂからの位相遅れ無の搬送光はπ／２位相遅れ、導波路形ＥＡＭ２５Ａからのπ／２位相遅れの光信号と合波して光ポート４１へ出力される。すなわち、光ポート４１からは、光が同相で重ね合わされた光信号が出力される。

図４及び図５は、２×２ＭＭＩ光カプラ２３において導波路形ＥＡＭ（２５Ａ）からの光と導波路形ＥＡＭ（２５Ｂ）からの光を重ね合わせる際に両者の平均光振幅が同じである場合と異なる場合とを説明する図である。導波路形ＥＡＭ（２５Ａ）からの光はマイクロ波変調光信号なので図５（Ａ）のように光スペクトルには両サイドバンド信号がある。導波路形ＥＡＭ（２５Ｂ）からの光（連続光）と導波路形ＥＡＭ（２５Ａ）からの光（マイクロ波変調光信号）とが逆位相で、且つ平均光振幅が等しいと、２×２ＭＭＩ光カプラ２３で干渉した後の信号には、中心光波長成分はなく、光スペクトルの周波数差は２ｆ_ｍであり、再ＯＥ変換後の電気信号の周波数はマイクロ波の周波数の２倍になる（図４（Ａ）、図５（Ａ））。

そこで、可変抵抗器（２７Ａ又は２７Ｂ）を調整し、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）の様に両者の平均光振幅が異なるようにすると、２×２ＭＭＩ光カプラ２３で干渉した後の信号には、中心光波長成分が残り、再ＯＥ変換後の電気信号の周波数はマイクロ波の周波数に等しくなる（図４（Ｂ）、図５（Ｂ））。

この例の場合、可変抵抗器２７Ａの抵抗値を、可変抵抗器２７Ｂのそれよりも大きく設定することで、導波路形ＥＡＭ２５Ｂの動作点が相対的に順バイアス側にシフトし、光出力が大きくなる状態とすることができる。反対に、可変抵抗器２７Ａの抵抗値を、可変抵抗器２７Ｂのそれよりも小さく設定し、位相反転連続光の光振幅が相対的に大きくなる様にして光位相の反転が起こらない様にすることも可能である。

なお、マイクロ波センサ３０２は、導波路形ＥＡＭ（２５Ａ、２５Ｂ）を光が往復する。このため、図１のマイクロ波センサ３０１の導波路形ＥＡＭ（５Ａ、５Ｂ）と同じ光吸収状態を得るための導波路形ＥＡＭ（２５Ａ、２５Ｂ）の長さは、同じＥＡＭデバイス構造を取る場合、導波路形ＥＡＭ（５Ａ、５Ｂ）の長さの１／２で良い。

（実施形態３）
図６は、本実施形態のマイクロ波センサ３０３を説明する図である。マイクロ波センサ３０３は、図２のマイクロ波センサ３０２の導波路形ＥＡＭをプッシュ・プル動作としたものである。

マイクロ波センサ３０３は、電気光変換チップ基板と外部回路を含む。電気光変換チップ基板３９は、光入出力ポート３１、入出力光導波路３２、２×２ＭＭＩ光カプラ３３、分岐光導波路（３４Ａ〜３４Ｄ）、導波路形ＥＡＭ（３５Ａ、３５Ｂ）、電気信号入力ポート（３６Ａ、３６Ｂ）が形成される。そして、電気信号入力ポート（３６Ａ、３６Ｂ）には、それぞれ可変抵抗（３７Ａ、３７Ｂ）とインダクタンス（３８Ａ、３８Ｂ）が外部回路として直列に接続される。本実施形態では、前記反射器として端面（４０Ａ、４０Ｂ）を利用する場合を説明するが、端面（４０Ａ、４０Ｂ）にミラーを配置してもよい。
これらの各機能は、実施形態１での説明と同じである。

マイクロ波入力は、直列接続された導波路形ＥＡＭ（３５Ａ、３５Ｂ）の両アノード端子間に、平衡線路（Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ）を介して導入される。導波路形ＥＡＭ（３５Ａ、３５Ｂ）のｐｎ接合が対向しているので、一方のＥＡＭが＋極性の電圧が印可されている状態でもう一方のＥＡＭは−極性の電圧が印可される。また、２つの導波路形ＥＡＭ（３５Ａ、３５Ｂ）の間のノードは接地されているので、可変抵抗器（３７Ａ、３７Ｂ）を調整することにより、各々独立に動作点を設定することが可能である。

実施形態２で説明した様に、２×２ＭＭＩ光カプラ３３での干渉を同じ光信号振幅で行うと、中心光周波数のスペクトルが低減し、再ＯＥ変換後の周波数はマイクロ波信号周波数の２倍となる。干渉後のマイクロ波変調成分を最大にするためには、一方のマイクロ波変調光信号の振幅の谷の部分の強度と、他方のマイクロ波変調光信号の振幅の山の部分の強度と、が同じになるように、導波路形ＥＡＭ（３５Ａ、３５Ｂ）の動作点を可変抵抗器（３７Ａ、３７Ｂ）で調整する。

マイクロ波センサ３０３の利点は、干渉後のマイクロ波変調成分の振幅が、マイクロ波センサ３０２に比べ改善されることである。すなわち、同じマイクロ波入力に対して、導波路形ＥＡＭ（３５Ａ、３５Ｂ）各々の駆動電圧は１／√２倍となるが、２×２ＭＭＩ光カプラ３３においてマイクロ波変調光信号の電界強度は２倍の重ね合わせとなるから、干渉後のマイクロ波変調成分の光電界振幅は√２倍、光信号電力は２倍、フォトダイオードでＯＥ変換後の信号電流レベルは２倍となる。一方、ショット雑音電流は平均光信号電力は、√２倍になるので、結局ＳＮ比は３ｄＢ高くなる。なお、各倍率はマイクロ波センサ３０２を基準としている。

［付記］
以下は、本発明のマイクロ波センサを説明したものである。
本発明は、マイクロ波で変調される光信号を利用する“無給電マイクロ波センサ”に関するものであり、振動や温度揺らぎなどの影響を受けることなく、より安定でかつＳＮ比が改善されたマイクロ波観測手法を提供する。

（１）：第１の２入力２出力形３ｄＢ光カプラ、その入力ポート、出力ポート それぞれに接続された２対の光導波路、前記光導波路の１対に接続された１対の導波路形電界吸収光変調器、前記導波路形電界吸収光変調器の各々に直列接続された可変抵抗を構成要素として含み、
前記導波路形電界吸収光変調器と前記可変抵抗の直列接続部の両端が各々直流的にゼロバイアス状態であり、
３ｄＢ光カプラで分割された連続光入力が前記導波路形電界吸収光変調器で変調され、それらの変調光信号が、再度、第一の２入力２出力形の３ｄＢ光カプラ、もしくは第２の２入力２出力形３ｄＢ光カプラで干渉し、無変調光信号成分のスペクトル強度が抑制された信号を出力ポートに取り出すことを特徴とするマイクロ波センサ。

（２）：上記（１）の範囲において、１対の導波路形電界吸収光変調器の一方にマイクロ波信号を入力することを特徴とするマイクロ波センサ。

（３）：上記（１）の範囲において、１対の導波路形電界吸収光変調器のアノード同志、もしくはカソード同志が電気的に接続され、１対の導波路形電界吸収光変調器のカソード間、もしくはアノード間にマイクロ波信号を入力することを特徴とするマイクロ波センサ。

本発明は、電界吸収変調器（ＥＡＭ）を用いた「マイクロ波センサ」のダイナミックレンジをより安定に拡大することができる。

１：光入力ポート
２：入力光導波路
３、２３、３３：２×２ＭＭＩ光カプラ
４Ａ〜４Ｆ、２４Ａ〜２４Ｄ、３４Ａ〜３４Ｄ：分岐光導波路
５Ａ、５Ｂ、２５Ａ、２５Ｂ、３５Ａ、３５Ｂ：導波路形電界吸収変調器（ＥＡＭ）
６Ａ、６Ｂ、２６、３６Ａ、３６Ｂ：電気信号入力ポート
７：２×２ＭＭＩ光カプラ
８：出力光導波路
９：光信号出力ポート
１０Ａ、１０Ｂ、２７Ａ、２７Ｂ、３７Ａ、３７Ｂ：可変抵抗器
１１Ａ、１１Ｂ、２８、３８Ａ、３８Ｂ：インダクタンス
１２、２９、３９：電気光変換チップ基板
２１、３１：光入出力ポート
２２、３２：入出力光導波路
４０Ａ、４０Ｂ：端面
４１：光ポート
３０１、３０２、３０３：マイクロ波センサ

Claims (4)

1. １つの光源からの搬送光を２分岐する分岐手段と、
   前記分岐手段で分岐された搬送光の少なくとも一方を電気信号で変調するとともに、互いの平均光強度を違えた出力光を出力する２つの光変調手段と、
   前記光変調手段が出力する前記２つの光変調手段からの出力光を合波して干渉させ、搬送光成分を低減させた干渉光を出力する干渉手段と、
   を同一基板上に備えるマイクロ波センサ。
2. 前記光変調手段は、カソードを接地した導波路形電界吸収光変調器であり、
   それぞれの前記導波路形電界吸収光変調器のアノードは、抵抗器を介して接地され、
   少なくとも１つの前記抵抗器は、前記変調手段が出力する出力光の平均光強度を調整する可変抵抗器であり、
   少なくとも１つの前記導波路形電界吸収光変調器のアノードと前記抵抗器との間に前記電気信号が入力される電気信号入力ポートが接続される
   ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波センサ。
3. 前記光変調手段は、前記導波路形電界吸収光変調器からの光を反射して前記導波路形電界吸収光変調器に再度入力する反射器を有しており、
   前記分岐手段と前記干渉手段は、同一の光カプラである
   ことを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波センサ。
4. 請求項２又は３に記載のマイクロ波センサでのマイクロ波測定方法であって、
   前記光源から搬送光を前記分岐手段へ入力する搬送光入力ステップと、
   前記電気信号を前記電気信号入力ポートに入力する電気信号入力ステップと、
   前記干渉手段から出力される干渉光を受光器で受光して電気信号に変換する光電変換ステップと、
   前記光電変換ステップで変換された電気信号の周波数が前記電気信号入力ステップで入力した電気信号の周波数と等しくなるように前記可変抵抗器を調整する調整ステップと、
   を備えるマイクロ波測定方法。

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