JP2021129208A - 変調装置、変調システム及び光送信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】深い変調度の角度変調信号を生成する技術を提供する。【解決手段】変調装置は、第１周波数の第１連続光と、前記第１周波数とは異なる第２周波数の第２連続光を生成する生成手段と、電気信号で前記第１連続光を角度変調する第１角度変調手段と、前記電気信号で前記第２連続光を角度変調する第２角度変調手段と、を有し、前記第１連続光を角度変調した第１変調光と、前記第２連続光を角度変調した第２変調光とを含む光信号を出力する変調手段と、前記光信号を光電変換する光電変換手段と、を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、角度変調技術に関する。

非特許文献１は、光信号を角度変調する構成を開示している。角度変調は、周波数変調（ＦＭ）又は位相変調（ＰＭ）である。角度変調は、通信での情報転送のみならず、レーダにも用いられる。例えば、周波数変調を用いたレーダは、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーダと呼ばれている。非特許文献２は、ツートーン信号によりミリ波帯のＦＭＣＷ信号を生成するための構成を開示している。

Ｋ．Ｋｉｋｕｓｈｉｍａ，ｅｔ．ａｌ．，"Ａ ｓｕｐｅｒ ｗｉｄｅｂａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ＦＭ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｖｉｄｅｏ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ"，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌ．Ａｒｅａｓ Ｃｏｍｍｕｎ．，ｖｏｌ．１４，ｐｐ．１０６６−１０７５，１９９６年 Ｎ．Ｙｏｎｅｍｏｔｏ，ｅｔ．ａｌ．，"９０ＧＨｚ Ｆｏｒｅｉｇｎ Ｏｂｊｅｃｔｓ ａｎｄ Ｄｅｂｒｉｓ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｒａｄａｒ Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｂｙ Ｒａｄｉｏ ｏｖｅｒ Ｆｉｂｅｒ"，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＷＰＭＣ２０１７），Ｙｏｇｙａｋａｒｔａ，Ｉｎｄｏｎｅｓｉａ，２０１７年１２月

角度変調の通信への利用において、信号対雑音比は、角度変調信号の帯域幅が広い程、つまり変調度が高く（深く）なる程、改善されることが知られている。また、角度変調のレーダへの利用においては、変調度が高く（深く）なる程、分解能を高くすることができる。しかしながら、深い変調度の角度変調信号を生成することは容易ではない。

本発明は、深い変調度の角度変調信号を生成する技術を提供するものである。

本発明の一態様によると、変調装置は、第１周波数の第１連続光と、前記第１周波数とは異なる第２周波数の第２連続光を生成する生成手段と、電気信号で前記第１連続光を角度変調する第１角度変調手段と、前記電気信号で前記第２連続光を角度変調する第２角度変調手段と、を有し、前記第１連続光を角度変調した第１変調光と、前記第２連続光を角度変調した第２変調光とを含む光信号を出力する変調手段と、前記光信号を光電変換する光電変換手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明によると、深い変調度の角度変調信号を生成することができる。

位相変調された光信号と、当該光信号を光電変換した電気信号と、を示す図。 本実施形態の原理の説明図。 一実施形態による変調装置の構成図。 図３の変調装置内の信号を示す図。 一実施形態による変調装置の構成図。 図４の変調装置内の信号を示す図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴うち二つ以上の特徴が任意に組み合わされてもよい。また、同一若しくは同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

なお、以下では角度変調を位相変調とするが、本発明は、周波数変調に対しても同様に適用することができる。また、以下では通信への適用を想定し、よって、情報を搬送する情報信号により位相変調を行うものとする。しかしながら、上述した様に、本発明はレーダにも適用することができる。この場合、情報信号は、適用するレーダに応じた任意の電気信号となる。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は、位相変調された変調光から位相変調された電気信号を取り出す処理の説明図である。図１（Ａ）は、情報信号により位相変調された変調光６１と、連続光６０と、を含む光信号を示している。なお、変調光６１の帯域幅はｆｂであり、連続光６０と変調光６１の最も低い周波数との周波数差はｆｄである。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す光信号を光電変換して得られる電気信号６２を示している。光電変換により、連続光と変調光６１とのビート成分が電気信号６２として得られる。なお、図１（Ｂ）においては、正の周波数成分のみを示しているが、負の周波数成分も存在する。良く知られている様に、信号の正の周波数成分と負の周波数成分とは共役複素の関係にある。電気信号６２は、位相変調された信号である。電気信号６２の帯域幅は、変調光６１の帯域幅と同じｆｂであり、その最も低い周波数はｆｄになる。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、本実施形態の原理の説明図である。図２（Ａ）の変調光７０と変調光７１とは同じ情報信号に基づき連続光を位相変調したものである。但し、情報信号の振幅の増減と、位相の変化方向は変調光７０と変調光７１とでは異なる。例えば、変調光７０が情報信号の振幅の増加と共に位相が進むものとすると、変調光７１は、情報信号の振幅の増加と共に位相が遅れる。なお、本例においては、変調光７０と変調光７１において、情報信号の振幅に対する位相変化量の絶対値を同じとする。周波数変調の場合、変調光７０が情報信号の振幅の増加と共に周波数が高くなるものとすると、変調光７１は、情報信号の振幅の増加と共に周波数が低くなる。なお、例えば、変調光７０と変調光７１において、情報信号の振幅に対する周波数変化量の絶対値を同じとすることができる。

具体的には、変調光７０は、

と表記され、変調光７１は、

と表記される。なお、ｆ_１は変調光７０のキャリア周波数であり、ｆ_２は変調光７１のキャリア周波数である。

したがって、変調光７０及び変調光７１を含む光信号は、

となる。

この光信号を、フォトダイオードで光電変換すると、式（１）の２乗成分の電流が得られる。つまり、電気信号は、

となる。式（２）の２θは、位相の変動量が２倍になったこと、つまり、変調度が深くなったことを示している。

したがって、図２（Ｂ）に示す様に、図２（Ａ）の光信号を光電変換して得られる電気信号７２の帯域幅は、元の変調光７０、７１の帯域幅ｆｂの２倍の２×ｆｂになる。なお、電気信号７２の帯域幅の最も低い周波数は、変調光７０の最も高い周波数と、変調光７１の最も低い周波数との差ｆｄである。なお、本例では、変調光７０と変調光７１において、情報信号の振幅に対する位相変化量の絶対値を同じとしたため、式（２）では２θとなった。ここで、変調光７０と変調光７１において、情報信号の振幅に対する位相変化量（角度変化量）の絶対値が異なる場合、式（２）の２θは、変調光７０の位相変化量と変調光７１の位相変化量の和となるが、変調度が深くなることには変わりがない。つまり、変調光７０と変調光７１において、情報信号の振幅に対する角度の変化方向が異なっていればよく、その変化量の絶対値は同じでなくても良い。

以下、図２（Ａ）に示す光信号を生成し、当該光信号を光電変換することで図２（Ｂ）に示す位相変調信号を生成するための具体的な構成について説明する。

＜第１実施例＞
図３は、第１実施例による変調装置の構成を示している。光ツートーン生成部１１は、図示しない光源が生成する連続光に基づき、周波数の異なる２つの連続光を生成する。図４（Ａ）は、光ツートーン生成部１１が生成する光ツートーン信号を示している。光ツートーン信号は、連続光８０と、連続光８１と、を含んでいる。分離部１２は、光ツートーン信号の波長分離を行い、連続光８０を位相変調部１３に出力し、連続光８１を位相変調部１４に出力する。

位相変調部１３及び位相変調部１４は、それぞれ、連続光８０及び連続光８１を同じ情報信号（電気信号）に基づき位相変調し、合波部１５は、位相変調部１３が出力する変調光８２及び位相変調部１４が出力する変調光８３を合波して出力する。図４（Ｂ）は、合波部１５が出力する、変調光８２及び変調光８３を含む光信号を示している。ここで、位相変調部１３に入力される情報信号は、位相変調部１４に入力される情報信号の振幅を反転させたものとする。したがって、変調光８２と変調光８３の位相の変化方向は互いに反対方向となる。例えば、位相変調部１３が出力する変調光８２は図２（Ａ）の変調光７０に対応し、位相変調部１４が出力する変調光８３は図２（Ａ）の変調光７１に対応する。光電変換部１６は、合波部１５が出力する光信号を光電変換することで位相変調された電気信号を出力する。光電変換部１６が出力する電気信号は図２（Ｂ）の電気信号７２に対応する。

なお、上述した様に、位相変調部１３と位相変調部１４の特性（振幅に対する位相変化量）は、同じであっても異なるものであっても良い。

＜第２実施例＞
図５は、第２実施例による変調装置の構成を示している。光ツートーン生成部１１は、図示しない光源が生成する連続光に基づき、周波数の異なる２つの連続光を生成する。図６（Ａ）は、光ツートーン生成部１１が生成する光ツートーン信号を示している。光ツートーン信号は、連続光９０と、連続光９１と、を含んでいる。分離部１２は、光ツートーン信号の波長分離を行い、連続光９０を合波部１５に出力し、連続光９１を位相変調部１４に出力する。

位相変調部１４は、連続光９１を情報信号（電気信号）に基づき位相変調して変調光９３を合波部１５に出力する。合波部１５は、光ツートーン生成部１１からの連続光９０と、位相変調部１４からの変調光９３とを合波して出力する。図６（Ｂ）は、合波部１５が出力する光信号を示している。光電変換部１６は、合波部１５が出力する光信号を光電変換し、位相変調された電気信号を出力する。図１を用いて説明した様に、光電変換部１６が出力する電気信号は、連続光９０と変調光９３とのビート成分である。この電気信号を周波数軸上で示すと、図６（Ｃ）に示す様に、正の周波数成分（以下、正成分）９５と負の周波数成分（以下、負成分）９４と、を含んでいる。なお、正成分９５と負成分９４は、共役複素の関係になる。

光電変換部１６が出力する電気信号はマハツェンダ変調器１７に入力される。マハツェンダ変調器１７は、図示しない周波数ｆｃの連続光を、光電変換部１６からの電気信号に基づき強度変調する。なお、光電変換部１６からの電気信号の振幅が０のときに周波数ｆｃの連続光が出力されない様に、マハツェンダ変調器１７へのバイアス電圧は調整される。（つまり、ヌルバイアス動作）。したがって、マハツェンダ変調器１７は、図６（Ｄ）に示す光信号を出力する。変調光成分９７は、正成分９５に対応し、変調光成分９６は、負成分９４に対応する。上述した様に、正成分９５と負成分９４は共役複素の関係にあるため、変調光成分９７と変調光成分９６の位相変化方向は互いに逆向きで、位相変化量は同じである。したがって、変調光成分９７は、図２（Ａ）の変調光７１に対応し、変調光成分９６は、図２（Ａ）の変調光７０に対応する。なお、ヌルバイアス動作であるため、連続光ｆｃは抑圧される。光電変換部１８は、マハツェンダ変調器１７が出力する光信号を光電変換して位相変調された電気信号を出力する。光電変換部１８が出力する電気信号は図２（Ｂ）の電気信号７２に対応する。

例えば、図３に示す機能ブロック総てを１つの変調装置とすることができる。また、光ツートーン生成部１１から合波部１５までの機能ブロックを含む光送信装置と、光電変換部１６を含む光受信装置とで構成される変調システムとすることもできる。例えば、光受信装置を位相変調信号の利用場所に設置し、光送信装置を位相変調信号の利用場所とは異なる場所に設置することができる。この場合、光送信装置は、光伝送路を介して、図４（Ａ）に示す光信号を光受信装置に送信する。図２で説明した様に、周波数ｆｄは、変調光７０と変調光７１との周波数差により制御できるため、電気信号７２を無線帯域の信号とすることができる。したがって、例えば、ＲｏＦ通信システムを構成することができる。また、レーダへの適用においては、レーダの送信ポイントに光受信装置を設置し、送信ポイントから送信する信号を、例えば、制御局に設置した光送信装置から制御することができる。

同様に、図５に示す機能ブロック総てを１つの変調装置とすることができる。また、光電変換部１６から光電変換部１８までの機能ブロックを１つの変調装置とすることができる。この場合、変調装置は、位相変調された変調光と連続光とを含む光信号を受信し、当該変調光の２倍の変調度の位相変調信号を出力する。また、光ツートーン生成部１１からマッハツェンダ変調器１７までの機能ブロックを含む光送信装置と、光電変換部１８を含む光受信装置とで構成される変調システムとすることもできる。さらに、光電変換部１６からマッハツェンダ変調器１７までの機能ブロックを含む光送信装置と、光電変換部１８を含む光受信装置とで構成される変調システムとすることもできる。

以上、本実施形態によると角度変調の変調度を深くすることができる。

発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、発明の要旨の範囲内で、種々の変形・変更が可能である。

１１：光ツートーン生成部、１３、１４：位相変調部、１６：光電変換部

Claims (13)

1. 第１周波数の第１連続光と、前記第１周波数とは異なる第２周波数の第２連続光を生成する生成手段と、
   電気信号で前記第１連続光を角度変調する第１角度変調手段と、前記電気信号で前記第２連続光を角度変調する第２角度変調手段と、を有し、前記第１連続光を角度変調した第１変調光と、前記第２連続光を角度変調した第２変調光とを含む光信号を出力する変調手段と、
   前記光信号を光電変換する光電変換手段と、
   を備えていることを特徴とする変調装置。
2. 第１周波数の第１連続光と、前記第１周波数とは異なる第２周波数の第２連続光を生成する生成手段と、
   第１電気信号で前記第１連続光を角度変調する第１角度変調手段と、第２電気信号で前記第２連続光を角度変調する第２角度変調手段と、を有し、前記第１連続光を角度変調した第１変調光と、前記第２連続光を角度変調した第２変調光とを含む光信号を出力する変調手段と、
   前記光信号を光電変換する光電変換手段と、
   を備え、
   前記第２電気信号は前記第１電気信号の振幅を反転させた信号であることを特徴とする変調装置。
3. 第１周波数の第１連続光と、前記第１周波数とは異なる第２周波数の第２連続光を生成する生成手段と、
   電気信号で前記第１連続光を角度変調して第１変調光を出力する角度変調手段と、
   前記第１変調光及び前記第２連続光を含む光信号を光電変換して変調信号を出力する第１光電変換手段と、
   第３連続光を前記変調信号で強度変調して第２変調光を出力する強度変調手段と、
   前記第２変調光を光電変換する第２光電変換手段と、
   を備え、
   前記強度変調手段は、前記変調信号の振幅が０である場合に光を出力しない様に設定されることを特徴とする変調装置。
4. 光角度変調された第１変調光と第１連続光とを含む光信号を光電変換して変調信号を出力する第１光電変換手段と、
   第２連続光を前記変調信号で強度変調して第２変調光を出力する強度変調手段と、
   前記第２変調光を光電変換する第２光電変換手段と、
   を備え、
   前記強度変調手段は、前記変調信号の振幅が０である場合に光を出力しない様に設定されることを特徴とする変調装置。
5. 前記強度変調手段は、マハツェンダ変調器であり、
   前記マハツェンダ変調器のバイアス電圧を調整することで、前記マハツェンダ変調器は、前記変調信号の振幅が０である場合に光を出力しない様に設定されることを特徴とする請求項３又は４に記載の変調装置。
6. 光伝送路を介して接続される光送信装置と光受信装置とを含む変調システムであって、
   前記光送信装置は、
   第１周波数の第１連続光と、前記第１周波数とは異なる第２周波数の第２連続光を生成する生成手段と、
   電気信号で前記第１連続光を角度変調する第１角度変調手段と、前記電気信号で前記第２連続光を角度変調する第２角度変調手段と、を有し、前記第１連続光を角度変調した第１変調光と、前記第２連続光を角度変調した第２変調光とを含む光信号を出力する変調手段と、
   を備え、
   前記光受信装置は、
   前記光信号を光電変換する光電変換手段を備えていることを特徴とする変調システム。
7. 光伝送路を介して接続される光送信装置と光受信装置とを含む変調システムであって、
   前記光送信装置は、
   第１周波数の第１連続光と、前記第１周波数とは異なる第２周波数の第２連続光を生成する生成手段と、
   第１電気信号で前記第１連続光を角度変調する第１角度変調手段と、第２電気信号で前記第２連続光を角度変調する第２角度変調手段と、を有し、前記第１連続光を角度変調した第１変調光と、前記第２連続光を角度変調した第２変調光とを含む光信号を出力する変調手段と、
   を備え、
   前記光受信装置は、
   前記光信号を光電変換する光電変換手段を備え、
   前記第２電気信号は前記第１電気信号の振幅を反転させた信号であることを特徴とする変調システム。
8. 光伝送路を介して接続される光送信装置と光受信装置とを含む変調システムであって、
   前記光送信装置は、
   第１周波数の第１連続光と、前記第１周波数とは異なる第２周波数の第２連続光を生成する生成手段と、
   電気信号で前記第１連続光を角度変調して第１変調光を出力する角度変調手段と、
   前記第１変調光及び前記第２連続光を含む光信号を光電変換して変調信号を出力する第１光電変換手段と、
   第３連続光を前記変調信号で強度変調して第２変調光を出力する強度変調手段と、
   を備え、
   前記光受信装置は、
   前記第２変調光を光電変換する第２光電変換手段を備え、
   前記強度変調手段は、前記変調信号の振幅が０である場合に光を出力しない様に設定されることを特徴とする変調システム。
9. 光伝送路を介して接続される光送信装置と光受信装置とを含む変調システムであって、
   前記光送信装置は、
   光角度変調された第１変調光と第１連続光とを含む光信号を光電変換して変調信号を出力する第１光電変換手段と、
   第２連続光を前記変調信号で強度変調して第２変調光を出力する強度変調手段と、
   を備え、
   前記光受信装置は、
   前記第２変調光を光電変換する第２光電変換手段を備え、
   前記強度変調手段は、前記変調信号の振幅が０である場合に光を出力しない様に設定されることを特徴とする変調システム。
10. 第１周波数の第１連続光と、前記第１周波数とは異なる第２周波数の第２連続光を生成する生成手段と、
    電気信号で前記第１連続光を角度変調する第１角度変調手段と、前記電気信号で前記第２連続光を角度変調する第２角度変調手段と、を有し、前記第１連続光を角度変調した第１変調光と、前記第２連続光を角度変調した第２変調光とを含む光信号を出力する変調手段と、
    を備えていることを特徴とする光送信装置。
11. 第１周波数の第１連続光と、前記第１周波数とは異なる第２周波数の第２連続光を生成する生成手段と、
    第１電気信号で前記第１連続光を角度変調する第１角度変調手段と、第２電気信号で前記第２連続光を角度変調する第２角度変調手段と、を有し、前記第１連続光を角度変調した第１変調光と、前記第２連続光を角度変調した第２変調光とを含む光信号を出力する変調手段と、
    を備え、
    前記第２電気信号は前記第１電気信号の振幅を反転させた信号であることを特徴とする光送信装置。
12. 第１周波数の第１連続光と、前記第１周波数とは異なる第２周波数の第２連続光を生成する生成手段と、
    電気信号で前記第１連続光を角度変調して第１変調光を出力する角度変調手段と、
    前記第１変調光及び前記第２連続光を含む光信号を光電変換して変調信号を出力する第１光電変換手段と、
    第３連続光を前記変調信号で強度変調して第２変調光を出力する強度変調手段と、
    を備え、
    前記強度変調手段は、前記変調信号の振幅が０である場合に光を出力しない様に設定されることを特徴とする光送信装置。
13. 光角度変調された第１変調光と第１連続光とを含む光信号を光電変換して変調信号を出力する第１光電変換手段と、
    第２連続光を前記変調信号で強度変調して第２変調光を出力する強度変調手段と、
    を備え、
    前記強度変調手段は、前記変調信号の振幅が０である場合に光を出力しない様に設定されることを特徴とする光送信装置。

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