JP2017090325A

JP2017090325A - 信号生成装置およびその動作方法

Info

Publication number: JP2017090325A
Application number: JP2015222691A
Authority: JP
Inventors: 昌人中村; Masato Nakamura; 卓郎田島; Takuro Tajima
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2017-05-25
Anticipated expiration: 2035-11-13
Also published as: JP6529177B2

Abstract

【課題】１つの信号生成装置を用いてマイクロ波帯〜ミリ波帯の信号とミリ波帯〜テラヘルツ波帯の信号を出力可能とする。【解決手段】周波数ｆ１の光信号を出力する第１の連続波光源１と、連続波光源１の周波数とは異なる周波数ｆ２の光信号を出力する第２の連続波光源２と、連続波光源２の後段に接続される光強度変調器３と、光強度変調器３に変調周波数ｆｍを設定するシンセサイザ４と、連続波光源１の出力と光強度変調器３の出力を合波する光カプラ５と、光カプラ５の後段に接続されるフォトミキサ６と、連続波光源１をオフさせ且つ連続波光源２とシンセサイザ４をオンさせる低周波モードと、連続波光源１と連続波光源２をオンさせ且つシンセサイザ４をオフさせる高周波モードを切り替える制御部７とを設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、１つの信号生成装置を用いてマイクロ波帯〜ミリ波帯の信号とミリ波帯〜テラヘルツ波帯の信号を出力可能とする技術に関する。

近年、高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になりつつある。血糖値などの検査においては血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担となるので、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。

非侵襲な成分濃度測定装置として、誘電分光法が提案されている。誘電分光法は、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象とする血液成分、例えば血球や蛋白質、血糖、または血液成分と水との相互作用に従い、電磁波を吸収させ、電磁波の振幅及び位相を観測する。しかし、照射する電磁波として赤外光を用いた方法では生体内での散乱の影響が大きく、実用化には至っていない。

マイクロ波帯からテラヘルツ帯の電磁波は赤外光と比較し波長が長く、生体内の散乱の影響を受けにくい。また、血液成分の分子量に対応した固有の吸収ピークが各帯域に存在する。例えば、血球は100kHz帯、蛋白質は1〜10MHz帯、脂質は100MHz帯、アミノ酸は1GHz帯、水分は20GHz帯に吸収ピークを持つ(非特許文献1)。この吸収ピークの電磁波に対する応答特性は複素誘電率ε^*で表すことができ、単成分の水溶液の場合、デバイ緩和モデルと導電性の損失の線形結合を用いて以下のように表すことができる。

ここでε_∞は静的誘電率、σは水溶液の導電率、ε₀は真空の誘電率、Δε、τはそれぞれ誘電緩和強度及び誘電緩和時間を表し、Δε及びτの添え字s、h、slow、fastはそれぞれ溶質、水和水、水素結合性のバルク水、非水素結合性のバルク水を意味する(非特許文献2)。このスペクトルの周波数帯域は例えばアルブミン、リゾチウムなどが溶質である蛋白質水溶液の場合、1MHzから1THz程度となっており、マイクロ波帯〜THz波帯までの広帯域な高周波信号を用いて誘電分光を行い、取得したスペクトルの解析を行うことにより物質の識別や成分濃度の測定を行う。

図７は、従来手法における高周波信号の生成手法のブロック図である。

図７（ａ）に示すように、従来の広帯域な高周波信号の生成法としては、数MHz帯から数10GHz帯において、シンセサイザを用いた方法がある。シンセサイザはトランジスタやダイオード、可変容量キャパシタなどからなる電圧制御発振器(VCO：Voltage Controlled Oscillator)と逓倍器、あるいは分周器およびミキサ等を組み合わせることにより広帯域な信号を生成する(非特許文献3)。

一方で、図７（ｂ）に示すように、数10GHz帯から数THz帯の広帯域な高周波信号の生成法としては、フォトミキシングを用いた方法がある(特許文献1)。本装置では、第1連続波光源と第2連続波光源と、光カプラとフォトミキサから構成される。

特開２０１０−０６２６１９号公報

Yuri Feldman, Irina Ermolina and Yoshihito Hayashi, "Time Domain Dielectric Spectroscopy Study of Biological Systems", IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 10, No.5, pp. 728-753, 2003 C. Cametti, S. Marchetti, C. M. C Gambi and G Onori, "Dielectric Relaxation Spectroscopy of Lysozyme Aqueous Solutions: Analysis of the δ-Dispersion and the Contribution of the Hydration Water", The Journal of Physical Chemistry B, 115, pp. 7144-7153 Tai-You Lu, Wei-Zen Chen, "A 3-to-10GHz 14-Band CMOS Frequency Synthesizer with Spurs Reduction for MB-OFDM UWB System", proceedings of IEEE International Solid-State Circuits Conference 2008

しかしながら、シンセサイザを用いて数100GHzから数THz帯の信号を生成しようとした場合、トランジスタのカットオフ周波数により基本波の周波数が制限され、高周波の生成が困難である。また、フォトミキシングを用いてMHz帯の信号を生成しようとした場合、フォトミキサ自体の低周波動作は可能であるが、2種類の連続波光源の線幅や波長安定性によりビート信号の周波数が制限され、高品質な低周波の生成が困難である。２種類の信号生成装置を用いることで広帯域な分光は可能であるが、それぞれの周波数生成装置を機械的に切り替えを行わなくてはならないという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、１つの信号生成装置を用いてマイクロ波帯〜ミリ波帯の信号とミリ波帯〜テラヘルツ波帯の信号を出力可能とする技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第１の本発明は、所定の周波数の光信号を出力する第１の連続波光源と、前記第１の連続波光源の周波数とは異なる周波数の光信号を出力する第２の連続波光源と、前記第２の連続波光源の後段に接続される光強度変調器と、前記光強度変調器に変調周波数を設定するシンセサイザと、前記第１の連続波光源の出力と前記光強度変調器の出力を合波する光カプラと、前記光カプラの後段に接続されるフォトミキサと、前記第１の連続波光源をオフさせ且つ前記第２の連続波光源と前記シンセサイザをオンさせる低周波モードと、前記第１の連続波光源と前記第２の連続波光源をオンさせ且つ前記シンセサイザをオフさせる高周波モードを切り替える制御部とを備えることを特徴とする。

第２の本発明は、信号生成装置の動作方法であって、前記信号生成装置は、所定の周波数の光信号を出力する第１の連続波光源と、前記第１の連続波光源の周波数とは異なる周波数の光信号を出力する第２の連続波光源と、前記第２の連続波光源の後段に接続される光強度変調器と、前記光強度変調器に変調周波数を設定するシンセサイザと、前記第１の連続波光源の出力と前記光強度変調器の出力を合波する光カプラと、前記光カプラの後段に接続されるフォトミキサとを備え、前記動作方法は、前記第１の連続波光源をオフさせ且つ前記第２の連続波光源と前記シンセサイザをオンさせる低周波モードと、前記第１の連続波光源と前記第２の連続波光源をオンさせ且つ前記シンセサイザをオフさせる高周波モードを切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、信号生成装置だけを用いてマイクロ波帯〜ミリ波帯の信号とミリ波帯〜テラヘルツ波帯の信号を出力できる。

第１の実施の形態に係る信号生成装置のブロック図である。低周波モードにおいてミリ波〜テラヘルツ波帯の信号を生成する場合の動作を示す図である。高周波モードにおいてマイクロ波〜ミリ波帯の信号を生成する場合の動作例を示す図である。第２の実施の形態に係る信号生成装置のブロック図である。第３の実施の形態に係る信号生成装置のブロック図である。第４の実施の形態に係る信号生成装置のブロック図である。従来手法における高周波信号の生成手法のブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る信号生成装置のブロック図である。

信号生成装置は、所定の周波数ｆ１の光信号を出力する第１の連続波光源１と、連続波光源１の周波数とは異なる周波数ｆ２の光信号を出力する第２の連続波光源２と、連続波光源２の後段に接続される光強度変調器３と、光強度変調器３に変調周波数ｆｍを設定するシンセサイザ４と、連続波光源１の出力と光強度変調器３の出力を合波する光カプラ５と、光カプラ５の後段に接続されるフォトミキサ６と、連続波光源１をオフさせ且つ連続波光源２とシンセサイザ４をオンさせる低周波モードと、連続波光源１と連続波光源２をオンさせ且つシンセサイザ４をオフさせる高周波モードを切り替える制御部７とを備える。

低周波モードでは、マイクロ波からミリ波帯の光信号がフォトミキサ６から出力され、高周波モードでは、ミリ波からテラヘルツ波帯の光信号がフォトミキサ６から出力されるようになっている。

連続波光源１と連続波光源２の少なくとも一方の周波数（ｆ１とｆ２の少なくとも一方）は可変であり、シンセサイザ４の変調周波数ｆｍは可変である。

制御部７は、フォトミキサ６の出力周波数としての設定周波数ｆｉを入力し、設定周波数ｆｉが予め定められた周波数ｆ_ＴＨ未満の場合は、低周波モードとし且つ変調周波数ｆｍが設定周波数ｆｉに一致するようにシンセサイザ４を制御する一方、設定周波数ｆｉが周波数ｆ_ＴＨ以上の場合は、高周波モードとし且つ連続波光源１の周波数ｆ１と連続波光源２の周波数ｆ２の差｜ｆ１−ｆ２｜を設定周波数ｆｉに一致させる。

周波数ｆ_ＴＨは、例えば光強度変調器３やシンセサイザ４の上限周波数などである。周波数ｆ_ＴＨ未満の周波数は、例えば、マイクロ波〜ミリ波帯に属し、周波数ｆ_ＴＨ以上の周波数は、例えば、ミリ波〜テラヘルツ波帯に属する。

設定周波数ｆｉは、例えば、ディジタルデータとして制御部７に入力される。または、設定周波数ｆｉは、アナログ値（例えば設定周波数ｆｉに換算可能な電圧）として制御部７に入力される。

光強度変調器３には、電気光学結晶、例えばニオブ酸リチウム(Lithium Niobate:LN)などが用いられる。

図２は、低周波モードにおいてミリ波〜テラヘルツ波帯の信号を生成する場合の動作を示す図である。

制御部７は、設定周波数ｆｉが周波数ｆ_ＴＨ未満の場合は、連続波光源１をオフさせ且つ連続波光源２とシンセサイザ４をオンさせ、更に、変調周波数ｆｍが設定周波数ｆｉに一致するようにシンセサイザ４を制御する。制御部７は、例えば、変調周波数ｆｍの正弦波信号をシンセサイザ４に与える。

連続波光源１をオフさせるので、周波数ｆ１の連続波の出力はオフとなる。連続波光源２から出力される光信号の強度をＩ_０とすると、光強度変調器３の出力の強度はＩ_０×Ｔ（Ｖ）となる。Ｔ（Ｖ）は、強度変調された光信号の透過率という。透過率は、光強度変調器３がマッハツェンダ干渉型強度変調器の場合、以下のように表される。

ここでVは電気光学結晶に印可される電圧、φ₀は強度変調器内の光路長差に関する係数、V_πは位相差πの遅延を得るのに必要な印可電圧である。T(V)＝0.5となる線形な領域を動作点とすることで変調周波数ｆｍでの強度変調が可能である。強度変調された光信号は光カプラ５を通過しフォトミキサ６へと入力される。

フォトミキサ６は光検出器、たとえばフォトダイオードや単一走行キャリアフォトダイオード(Uni-Traveling Carrier Photodiode: UTC-PD)などを用いることができる。光検出器の代わりに光伝導帯や非線形光学結晶を用いることもできる。

フォトミキサ６に入力された光信号は包絡線検波され、フォトミキサ６は、変調周波数ｆｍに一致する周波数の信号、すなわち、マイクロ波からミリ波帯の光信号を出力する。なお、光強度変調器３から出力される側波を出力してもよい。

光信号は、伝送線路、例えばコプレーナ型導波路(Coplanar Waveguide: CPW)やコプレーナ線路(Coplanar Strip: CPS)、マイクロストリップ線路(Microstrip Line: MSL)あるいは広帯域アンテナに接続することにより線路あるいは空間中を伝搬する。

一般的な連続波光源の線幅は200kHz-500kHz程度であり、例えば、連続波光源１、２として、200ｋHzの線幅を持つ連続波光源を用いて高周波信号を生成した場合、200ｋHzのオフセットで-3dBcの位相雑音を持つと考えられる。また、連続波光源の波長安定性は1-10ｐｍ程度であり、例えば、連続波光源１、２として、5pmの光源を用いて高周波信号を生成した場合には±1.25GHzのずれが生じることとなり、実際には上記以上の位相雑音が生じ得る。

これに対し、シンセサイザ（４）の100kHzのオフセットでの位相雑音は-100dBc以下であり、連続波光源（１、２）から入力される位相雑音よりはるかに小さい。従って強度変調を用いて高周波信号を生成する際の位相雑音は１つの連続波光源から由来するものが支配的であり、またMHz-GHz帯における周波数安定性も高いため２つの連続波光を用いる場合よりも位相雑音の2倍以上の低減が期待できる。

このとき、連続波光源１には単一波長光源を用い、その後段に光フィルタを用いることで光カプラのクロストークの影響を低減することが可能である。

図３は、高周波モードにおいてマイクロ波〜ミリ波帯の信号を生成する場合の動作例を示す図である。

制御部７は、設定周波数ｆｉが周波数ｆ_ＴＨ以上の場合は、連続波光源１と連続波光源２をオンさせ且つシンセサイザ４をオフさせ、更に連続波光源１の周波数ｆ１と連続波光源２の周波数ｆ２の差｜ｆ１−ｆ２｜を設定周波数ｆｉに一致させる。制御部７は、差｜ｆ１−ｆ２｜が設定周波数ｆｉに一致していない場合は、可変である一方の周波数を変化させ、または、両方が可変である場合は一方または両方を変化させ、差｜ｆ１−ｆ２｜を設定周波数ｆｉに一致させる。

シンセサイザ４をオフさせるので、変調周波数ｆｍの信号出力はオフとなり、光強度変調器３による光強度変調もオフとなる。一方、連続波光源１、２はそれぞれ周波数ｆ１、ｆ２の光信号を出力する。周波数ｆ２の光信号は、光強度変調器３を通過する。光カプラ５は、これらの光信号を合波する。フォトミキサ６は、合波された光信号に含まれる周波数ｆ１、ｆ２の差｜ｆ１−ｆ２｜に一致する周波数の光信号、すなわち、ミリ波〜テラヘルツ波帯の光信号を出力する。

光信号は、伝送線路、例えばコプレーナ型導波路やコプレーナ線路、マイクロストリップ線路あるいは広帯域アンテナに接続することにより線路あるいは空間中を伝搬する。

例えば、設定周波数ｆｉをマイクロ波帯の周波数からテラヘルツ帯の周波数へ又は逆に少しずつ変化させれば、フォトミキサ６の出力周波数は、マイクロ波帯の周波数からテラヘルツ帯の周波数へ又は逆に少しずつ変化する。すなわち、周波数掃引を行うことができる。

なお、低周波モードにおけるフォトミキサ６の出力周波数が一定でよく、制御部７に対して低周波モードが指示された場合、制御部７は、連続波光源１をオフさせ且つ連続波光源２とシンセサイザ４をオンさせ、変調周波数ｆｍをその一定の出力周波数に一致させればよい。この場合、設定周波数ｆｉの制御部７への入力は不要である。

また、高周波モードにおけるフォトミキサ６の出力周波数が一定でよく、周波数の差｜ｆ１−ｆ２｜がその一定の出力周波数に一致しており、制御部７に対して高周波モードが指示された場合、制御部７は、連続波光源１と連続波光源２をオンさせ且つシンセサイザ４をオフさせればよい。この場合、連続波光源１と連続波光源２の少なくとも一方の周波数（ｆ１とｆ２の少なくとも一方）を可変とする必要はない。また、設定周波数ｆｉの制御部７への入力も不要である。

［第２の実施の形態］
図４は、第２の実施の形態に係る信号生成装置のブロック図である。第１の実施の形態に係る信号生成装置との違いは以下の通りである。

すなわち、信号生成装置は、互いに異なる複数の周波数それぞれの光信号を出力する光コム信号源８と、これら複数の光信号を分岐させて連続波光源１である光フィルタと連続波光源２である光フィルタに入力する光カプラ９とを備える。連続波光源１である光フィルタは、高周波モードにおいては、制御部７からの制御により、複数の光信号の１つ（ｆ１の光信号）のみを通過させる。連続波光源２である光フィルタは、低周波モードと高周波モードにおいて、制御部７からの制御により、複数の光信号の別の１つ（ｆ２の光信号）のみを通過させる。

第２の実施の形態によれば、光コム信号源と光カプラと光フィルタにより、ｆ１、ｆ２の光信号を生成することができる。

［第３の実施の形態］
図５は、第３の実施の形態に係る信号生成装置のブロック図である。第１の実施の形態に係る信号生成装置との違いは以下の通りである。

すなわち、信号生成装置は、連続波光源１、２の後段に光アンプ１１、１２を備える。光アンプ１１、１２は、高周波モードにおいては、それぞれｆ１、ｆ２の光信号の強度を増幅する。

第３の実施の形態によれば、光アンプ１１、１２を備えることで、ｆ１、ｆ２の光信号の強度が高まり、よって、フォトミキサ６が出力する光信号の強度を高めることができる。

なお、光アンプ１１、１２を第２の実施の形態の信号生成装置に設けてもよい。

［第４の実施の形態］
図６は、第４の実施の形態に係る信号生成装置のブロック図である。第１の実施の形態に係る信号生成装置との違いは以下の通りである。

すなわち、信号生成装置は、光強度変調器３の後段に光位相変調器１３を備え、制御部７は、低周波モードにおいては、光位相変調器１３に位相の制御信号Ｓを与える。これにより、光位相変調器１３は広帯域な周波数変調信号を出力する。信号は光カプラ５、フォトミキサ６を通過して出力される。

第４の実施の形態によれば、光強度変調器３の後段に光位相変調器１３を備え、制御部７は、光位相変調器１３に位相の制御信号Ｓを与えることで、広帯域な周波数変調信号を出力することができる。

なお、光位相変調器１３を第２、第３の実施の形態の信号生成装置に設けてもよい。

以上のように、各実施の形態の信号生成装置によれば、この信号生成装置だけを用いてマイクロ波帯〜ミリ波帯の信号とミリ波帯〜テラヘルツ波帯の信号を出力できる。よって、２台の装置を用いる場合よりも装置の小型化が可能である。また、２台の装置を切り替えて使用する必要がなく、例えば、生成した信号を、非侵襲な成分濃度測定などに使用する場合において、測定時間を短縮できる。

本実施の形態の信号生成装置は、例えば、人間又は動物に存在する溶液の非侵襲な成分濃度測定や、人間又は動物から採取した溶液の成分濃度測定に使用できる。

１、２連続波光源
３光強度変調器
４シンセサイザ
５、９光カプラ
６フォトミキサ
７制御部
８光コム信号源
１１、１２光アンプ
１３光位相変調器

Claims

?所定の周波数の光信号を出力する第１の連続波光源と、
前記第１の連続波光源の周波数とは異なる周波数の光信号を出力する第２の連続波光源と、
前記第２の連続波光源の後段に接続される光強度変調器と、
前記光強度変調器に変調周波数を設定するシンセサイザと、
前記第１の連続波光源の出力と前記光強度変調器の出力を合波する光カプラと、
前記光カプラの後段に接続されるフォトミキサと、
前記第１の連続波光源をオフさせ且つ前記第２の連続波光源と前記シンセサイザをオンさせる低周波モードと、前記第１の連続波光源と前記第２の連続波光源をオンさせ且つ前記シンセサイザをオフさせる高周波モードを切り替える制御部と
を備えることを特徴とする信号生成装置。
前記第１の連続波光源と前記第２の連続波光源の少なくとも一方の周波数は可変であり、
前記シンセサイザの前記変調周波数は可変であり、
前記制御部は、
前記フォトミキサの出力周波数としての設定周波数を入力し、前記設定周波数が予め定められた周波数未満の場合は、前記低周波モードとし且つ前記変調周波数が前記設定周波数に一致するように前記シンセサイザを制御する一方、前記設定周波数が予め定められた前記周波数以上の場合は、前記高周波モードとし且つ前記第１の連続波光源の周波数と前記第２の連続波光源の周波数の差を前記設定周波数に一致させる
ことを特徴とする請求項１記載の信号生成装置。
互いに異なる複数の周波数それぞれの光信号を出力する光コム信号源と、
前記複数の光信号を分岐させて前記第１の連続波光源である光フィルタと前記第２の連続波光源である光フィルタに入力する光カプラとを備え、
前記第１の連続波光源である光フィルタは、前記複数の光信号の１つのみを通過させ、前記第２の連続波光源である光フィルタは、前記複数の光信号の別の１つのみを通過させる
ことを特徴とする請求項１または２記載の信号生成装置。
前記第１の連続波光源と前記第１の連続波光源の後段に光アンプを備える
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の信号生成装置。
前記光強度変調器の後段に光位相変調器を備え、
前記制御部は、前記光位相変調器に位相の制御信号を与える
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の信号生成装置。
信号生成装置の動作方法であって、
前記信号生成装置は、所定の周波数の光信号を出力する第１の連続波光源と、前記第１の連続波光源の周波数とは異なる周波数の光信号を出力する第２の連続波光源と、前記第２の連続波光源の後段に接続される光強度変調器と、前記光強度変調器に変調周波数を設定するシンセサイザと、前記第１の連続波光源の出力と前記光強度変調器の出力を合波する光カプラと、前記光カプラの後段に接続されるフォトミキサとを備え、
前記動作方法は、
前記第１の連続波光源をオフさせ且つ前記第２の連続波光源と前記シンセサイザをオンさせる低周波モードと、前記第１の連続波光源と前記第２の連続波光源をオンさせ且つ前記シンセサイザをオフさせる高周波モードを切り替える
ことを特徴とする信号生成装置の動作方法。
前記第１の連続波光源と前記第２の連続波光源の少なくとも一方の周波数は可変であり、
前記シンセサイザの前記変調周波数は可変であり、
前記フォトミキサの出力周波数としての設定周波数を入力し、前記設定周波数が予め定められた周波数未満の場合は、前記低周波モードとし且つ前記変調周波数が前記設定周波数に一致するように前記シンセサイザを制御する一方、前記設定周波数が予め定められた前記周波数以上の場合は、前記高周波モードとし且つ前記第１の連続波光源の周波数と前記第２の連続波光源の周波数の差を前記設定周波数に一致させる
ことを特徴とする請求項６記載の信号生成装置の動作方法。